侯鈞宇,陳 棟,王 凱,楊晨霞,嚴春華
(1.淮安市水利工程建設管理服務中心,江蘇 淮安 223001 2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司,江蘇 揚州 225100)
南水北調東線工程南起揚州市長江干流,利用京杭大運河及與其平行的河湖,經13 個梯級22 處樞紐34 座泵站提水入東平湖,穿黃北送等,線路總長1 466.50 km,抽江規模為500 m3/s,設計多年平均抽江水量87.66 億m3,供水范圍為黃淮海平原東部和山東半島,總面積16.62萬km2[1]。
自2013 年11 月南水北調東線一期工程運行10 年以來,累計調水入山東61.38 億m3,供水范圍內直接受益人口超0.68 億。2019 年以來,通過東線北延應急供水工程,累計向河北、天津地區調水5.87 億m3,綜合效益顯著[2]。
江蘇省沙集閘站工程位于睢寧縣沙集鎮西南約2 km處的南水北調輸水干線徐洪河上,地處東經118°07′26.5″,北緯33°53′23″,距下游洪澤湖約72 km,具有防洪、除澇、灌溉、航運、發電等綜合功能[3]。
1993 年建成的沙集站(設計流量50 m3/s)與2013 年建成的睢寧二站(設計流量60 m3/s)及中運河輸水線劉老澗梯級(設計流量230 m3/s)共同組成了“南水北調東線工程”第五供水梯級,承擔著“南水北調東線工程”調水任務。
沙集閘地處淮河下游,位于徐洪河上,屬洪澤湖周邊及以上區,沙集閘是廢黃河區間泄洪通道之一,設計分洪流量50 m3/s;沙集閘可相機排泄黃墩湖地區澇水;排澇面積309.37 km2;沙集站也可作為駱馬湖的分洪通道,相機分洪流量200~400 m3/s[4-5]。
按原規模對沙集泵站進行加固,更換主機、電氣設備等,消除各類安全隱患,確保工程運行安全;并對沙集閘進行適當消險加固。為不影響區域行洪排澇,本工程水下部分需確保在一個非汛期內完成,含機電部分的更新改造、上下游清污機橋工程、河道護砌和砼修補及防碳化處理[6]。
沙集泵站加固改造工程施工工期24個月,工程籌建期自2022 年5 月初開始,于2022 年10 月底開工,2024 年5 月底完工,要求2023 年5 月底前完成工程水下部分,確保2023 年6 月1 日前能打開圍堰,節制閘可運行;2023 年8 月具備臨時調水運行條件,泵站可運行[7]。
圍堰截流周期為:2022年10月至次年5月。
節制閘加固周期(即排水導流周期)為:2023年10月至次年5月。
泵站加固周期(即供水導流周期)為:2022 年10月至次年8月。
沙集泵站加固改造工程施工圍堰等臨時水工建筑物級別為4 級,導流建筑物設計洪水標準為施工期10年一遇[8]。
根據沙集閘站工程任務,分析不同工況下施工期(導流期)水位,最后綜合確定施工期水位[9-11]。沙集閘站施工導流期水位計算成果見表1。
表1 沙集閘站施工導流期水位計算成果
綜合表1 水位成果,結合《南水北調東線一期工程睢寧二站工程初步設計報告》成果,考慮施工期圍堰的重要性,導流期供排水需要,本次施工期10 年一遇上游水位取21.6 m(即睢寧二站站上設計水位),下游取16.09 m(即非汛期10 年一遇設計水位)。
為便于清污機橋、引河交通橋及護砌工程順利實施,并結合河道清淤,擬在上、下游引河中打施工圍堰,上游圍堰中心線距站身130 m,下游圍堰中心線距站身約150 m。上游側施工圍堰長約65 m,采用素土填筑圍堰,距離泵站約130 m。施工期水位21.60 m,考慮安全超高和波浪高度,結合睢寧二站站上最高運行水位等要求,綜合確定設計圍堰頂高程22.50 m,在圍堰迎水面頂部設1.0 m 高擋水子堰。下游側施工圍堰長約65 m,采用素土填筑圍堰,距離閘站約150 m,非汛期10年一遇施工期水位16.09 m,考慮安全超高和波浪高度,結合施工臨時交通等要求,綜合確定設計圍堰頂高程18.50 m,為滿足防浪要求,在圍堰迎水面頂部設1.0 m 高擋水子堰。
沙集閘站施工期(導流期)應同時考慮沙集閘站排水需求和供水需求,其中沙集閘站—水閘工程施工期為10月至次年5月,沙集閘站—泵站工程施工期為10月至次年8月。
3.1.1 沙集閘實測排水流量分析
根據沙集閘歷年非汛期實測最大流量資料分析,施工期(2022年10月至次年5月)沙集閘10年一遇流量為133.4 m3/s,非汛期歷史最大排水流量為216.0 m3/s(2005 年10 月11 日)、2005 年外非汛期歷史第二高排水流量為109 m3/s(2021年11月17日)[12-14]。
3.1.2 沙集閘非汛期設計排水流量分析
沙集閘承擔著黃墩湖地區相機排水任務,同時在適當時機下承擔著廢黃河區間洪水和駱馬湖洪水的分洪任務。當廢黃河區間發生非汛期10 年一遇洪水時(非汛期設計流量為17 m3/s),可通過慶安水庫(50年一遇設計)調蓄或泄洪,也可通過徐沙河上的沙集西閘排入徐洪河,慶安水庫設計防洪標準50年一遇、300年一遇洪水校核,當廢黃河區間發生非汛期10年一遇洪水時,慶安水庫完全有能力進行調蓄。2020年起,江蘇省啟動了黃墩湖洼地治理工程,現已基本完工,工程治理后,黃墩湖地區排澇條件明顯改善,區域排澇標準可達5年一遇,骨干河道防洪標準可達20年一遇,當黃墩湖地區遭遇非汛期10年一遇洪水時(非汛期洪水210.3 m3/s),黃墩湖地區有能力實現自排,有條件不啟用沙集閘相機排水。廢黃河以南徐洪河匯水區洪澇水直接排入徐洪河(沙集閘下段),無需經過沙集閘下泄。當駱馬湖水位超過24.50 m 并預報繼續上漲時,退守宿遷大控制;嶂山閘泄洪控制新沂河沭陽站洪峰流量不超過7 800 m3/s;視下游水情,控制宿遷閘泄洪不超過1 000 m3/s;徐洪河適時分洪200~400 m3/s?,F駱馬湖防洪標準已達到50年一遇,非汛期駱馬湖發生10 年一遇洪水時,有能力實現自排,無需啟用徐洪河分洪。
綜上所述,沙集閘非汛期有能力不排水,設計工況下,沙集閘非汛期無排水任務。
3.1.3 施工期排水流量確定
表2 為沙集閘施工導流期流量計算成果,綜合表2 流量計算成果,確定沙集閘施工期導流流量為0。周邊相關地區排水維持現有排水體系即可。沙集閘施工期周邊相關區域排水情況如下:①黃墩湖地區維持現有排水體系,不采用沙集閘相機排水。②廢黃河區間澇水入慶安水庫調蓄等。③駱馬湖非汛期不向徐洪河分洪。④徐沙河排水區維持現有排水體系,經沙集西閘排入徐洪河。
表2 沙集閘施工導流期流量計算成果
根據沙集站2000—2020年抽水流量系列資料,對歷年(10 月—次年8 月)實測供水流量資料,進行累計頻率曲線分析,沙集站施工期(10 月至次年8 月)流量90%保證率流量為50 m3/s。沙集站設計供水流量為50 m3/s,供水高峰期為每年5—6 月,南水北調東線一期工程運行以來,歷年10 月至次年8 月沙集站平均供水總量為4.3億m3,最大供水總量達6.7 億m3。綜合以上兩種流量計算成果,考慮沙集站施工期跨沙集站供水高峰期,為充分保障供水安全,本次施工期供水導流流量取50 m3/s,即沙集站設計流量。
擬定多線路分流排水導流方案[15]:
線路一:廢黃河以北區黃墩湖地區洪澇水自排入駱南中運河。黃墩湖地區澇水維持現有排水布局,自排工況下,黃墩湖地區(徐洪河以西民便河片)澇水由民便河套閘排入民便河再入邳洪河,最終由新邳洪河閘排入駱南中運河,沙集閘不再承擔相機排水任務。
線路二:廢黃河以北黃墩湖地區洪澇水抽排入駱馬湖。黃墩湖地區澇水維持現有排水布局,當地區無法實現自排時,黃墩湖地區澇水可由民便河站、皂河一站、邳州站抽排入駱馬湖、駱南中運河,沙集閘不再承擔相機排水任務。
線路三:廢黃河區間洪澇水經慶安水庫調蓄等。沙集閘承擔著廢黃河分洪任務,沙集閘施工期廢黃河區間澇水17 m3/s,可經慶安水庫調蓄或排入徐洪河經徐沙河沙集西閘(設計流量637 m3/s)下排。
分不同供水時期擬定不同的供水導流方案。
工況一:10 月至次年5 月供水導流方案。南水北調東線一期工程即現狀向膠東和魯北的輸水時間為10 月至次年5 月,沙集站(設計50 m3/s)施工期間,可采用西側睢寧二站(設計60 m3/s,備用機組20 m3/s)并根據需要啟用中運河輸水線進行供水導流。
工況二:6—8 月供水導流方案。6—8 月,江蘇省無需向省外供水,此時蘇北地區處于灌溉用水高峰期,可提前適當提高洪澤湖、駱馬湖水位,供水時可同時啟用睢寧二站和駱南中運河輸水線向蘇北地區供水。
沙集閘具有相機排泄黃墩湖地區澇水、分泄廢黃河區洪水、分泄駱馬湖部分洪水的任務,非汛期(施工期)沙集閘不承擔相機排水及分洪任務,沙集閘施工期周邊相關區域排水情況如下:①廢黃河區間澇水入慶安水庫調蓄,余水經沙集西閘排入徐洪河;②廢黃河以北區即黃墩湖地區洪澇水,維持現有排水體系,自排入駱南中運河或抽排入駱馬湖;③廢黃河以南即徐沙河等排水區,維持現有排水體系,經沙集西閘等排入徐洪河;④駱馬湖非汛期不向徐洪河分洪。
根據工程建設任務、供水線路場段及運行管理成本,沙集站施工導流期確定為10 月至次年8 月,分時段進行導流設計如下:①向省外調水時(南水北調工況,10月至次年5月),采用睢寧二站,并根據需要啟用中運河輸水線進行供水導流;②6—8 月,提前適當提高駱馬湖、洪澤湖水位,同時啟用睢寧二站、中運河輸水線進行供術導流,當遭遇極限工況時,啟用睢寧二站備用機組(20 m3/s)進行供水導流,備用機組不滿足要求時,可在沙集站附近等架設臨時機組進行供水導流。
現有多功能水利工程施工導流,應充分考慮各功能需求,進行分功能、分時段、分標準、分方案地進行導流,在保障工程安全的前提下,最大程度地發揮工程原有效益。
隨著社會經濟的發展,水利工程的綜合效益越發顯著,長期效益越發厚重,尤其南水北調東線工程等國家戰略性工程,在工程規劃建設時,應充分考慮功能效益持續發揮的需要、后期運行維護的需要、工程安全運行的需要等,對關鍵工程進行分布式設計與建設,以提升工程效益、降低工程運維風險及難度,延長工程壽命。