董合費(fèi)，黃小燕，王 生

（1. 溫州市甌江引水發(fā)展有限公司，浙江 溫州 325000；2. 浙江珊溪水利水電開(kāi)發(fā)有限公司，浙江 溫州 325000）

1 前言

感潮河道水體泥沙含量高，設(shè)置在感潮河段的提水泵站考慮調(diào)蓄調(diào)壓需要，一般在泵軸設(shè)置高位調(diào)壓池[1-3]，兼做沉沙池，防淤及清淤措施[4-5]是高位調(diào)壓池設(shè)計(jì)要點(diǎn)，特別是在泵站下游連接封閉的長(zhǎng)距離輸水隧洞[6]時(shí)，由于下游隧洞檢修條件差，對(duì)調(diào)蓄調(diào)壓池方案設(shè)計(jì)提出了較高的要求，溫州市甌江引水工程就是這一類(lèi)型工程。該工程自甌江河口渡船頭采用泵站提水，經(jīng)總長(zhǎng)61 km的有壓輸水隧洞沿途向15個(gè)分水口供水，屬于典型的泵站提水后長(zhǎng)距離、多目標(biāo)輸水工程，系統(tǒng)調(diào)度控制極為復(fù)雜[7-9]，提水泵站裝機(jī)5×4 500 kW，設(shè)計(jì)揚(yáng)程29.46 m，最大引水流量50 m3/s。該工程水源地甌江為浙江省第二大河，河口屬?gòu)?qiáng)潮河口，河口段平均潮差超過(guò)4 m，最大潮差超過(guò)7 m，潮汐為不正規(guī)淺海半日潮[10-12]，取水口水體含沙量較高，且高位沉沙池場(chǎng)地建設(shè)條件較差，調(diào)壓池設(shè)置難度較大，通過(guò)對(duì)蓄清沖淤水庫(kù)設(shè)置方案的研究，為進(jìn)一步節(jié)省征地，提出了利用輸水隧洞改建地下水庫(kù)的方案，并對(duì)無(wú)壓洞接有壓洞的水流形態(tài)進(jìn)行了分析研究。

2 甌江河口泥沙及潮汐規(guī)律分析

據(jù)圩仁站實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，無(wú)論豐水豐沙年、枯水少沙年，甌江河口含沙量均呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性變化。豐水豐沙年汛期輸沙占全年的92%，中水中沙年汛期輸沙占全年的87.1%，枯水少沙年汛期輸沙占全年的84.5%，水量越大，汛期所占比重越大，典型年各月平均輸沙過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 典型年各月平均輸沙過(guò)程圖

根據(jù)《引水工程取水口河段濁度變化分析專(zhuān)題報(bào)告》，2013年8月在甌江上游進(jìn)行了5條垂線(xiàn)大、中、小潮同步水文測(cè)驗(yàn)。自上而下有溫溪、馱灘、江南及其上下游水域5條垂線(xiàn)大中小潮同步定點(diǎn)水文測(cè)驗(yàn)（包括潮流、含沙量、底質(zhì)等資料）。測(cè)量站位布置見(jiàn)圖2，2號(hào)測(cè)點(diǎn)位于渡船頭取水口附近。

圖2 水文測(cè)驗(yàn)斷面分布圖

漲潮與落潮期間，各斷面平均含沙量如圖3、圖4所示。青田樞紐河段的含沙量較小，含沙量自下游向上游沿程衰減，花巖頭位置一個(gè)潮的平均含沙量約為0.06～0.19 kg/m3，壩址下游500 m處一個(gè)潮的平均含沙量為0.02～0.03 kg/m3，花巖頭含沙量約為青田樞紐處的3～6倍。

圖3 漲潮期間沿程垂線(xiàn)平均含沙量變化圖

圖4 落潮期間沿程垂線(xiàn)平均含沙量變化圖

渡船頭取水口所在的2號(hào)測(cè)點(diǎn)全潮漲潮垂線(xiàn)平均含沙量介于0.022～0.185 kg/m3，平均0.08 kg/m3，落潮垂線(xiàn)平均含沙量介于0.01～0.227 kg/m3，平均0.06 kg/m3，整體而言，漲潮含沙量大于落潮含沙量，小潮含沙量遠(yuǎn)小于大潮和中潮含沙量，從減少取水水體含沙量角度分析，候潮取水非常必要。

另外，甌江上游6.8 km已建青田水利樞紐[13]，水體含沙量建庫(kù)前僅為渡船頭部位的1/6～1/3，在加上建庫(kù)后的沉淀作用，青田水利樞紐水質(zhì)含沙量遠(yuǎn)低于渡船頭取水口，青田電站裝機(jī)容量3×14 MW，單臺(tái)機(jī)組額定流量307.13 m3/s，電站運(yùn)行方式為日調(diào)節(jié)，峰、谷時(shí)段下泄水量受發(fā)電影響不均勻，統(tǒng)計(jì)青田水利樞紐2019年1～12月日均發(fā)電時(shí)長(zhǎng)見(jiàn)圖5，候發(fā)電取清水水質(zhì)可明顯改善。

圖5 青田水利樞紐日均發(fā)電時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)圖

因此，綜合候潮取水、候青田水利樞紐發(fā)電取清水的要求，泵后調(diào)壓池設(shè)置一定的容量參與調(diào)蓄，有利于取泥沙含量相對(duì)較低的甌江河水。

3 蓄清沖淤水庫(kù)設(shè)置方案

3.1 樞紐布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合渡船頭河岸溝谷實(shí)際地形，考慮泵后調(diào)壓池取清水和可自動(dòng)沖淤的要求，常規(guī)思路是設(shè)置調(diào)蓄水庫(kù)[14]，樞紐建筑物由大壩、引水工程進(jìn)水口、攔沙坎、進(jìn)水管、泄洪沖沙管組成，如圖6所示。

圖6 蓄清沖淤調(diào)蓄水庫(kù)布置平面圖

大壩位于溝谷地形下游靠河道側(cè)，與溝谷地形圍合形成調(diào)蓄水庫(kù)?？紤]到進(jìn)水管、泄洪沖沙管和大壩的交叉布置，大壩采用混凝土重力壩，并在壩頂設(shè)上壩公路與外部道路連通。進(jìn)水管布置于大壩淺灘壩段，頂高程低于庫(kù)尾攔沙坎頂高程，以保障庫(kù)內(nèi)水體主流位于底層。泄洪沖沙管布置在大壩深谷壩段，該壩段同時(shí)結(jié)合布置溢洪道和灌漿廊道，下游為原溝谷沖溝改造的泄洪渠，泄洪沖沙管通過(guò)設(shè)置在混凝土重力壩灌漿廊道內(nèi)的閥門(mén)控制啟閉，管底高程與庫(kù)底基本齊平，閥門(mén)開(kāi)啟即可自動(dòng)沖淤。調(diào)蓄水庫(kù)庫(kù)底可自進(jìn)水管一側(cè)向泄洪沖沙管一側(cè)進(jìn)行放坡，進(jìn)一步加強(qiáng)底層水體在庫(kù)區(qū)內(nèi)的回旋淤積沉沙效果。大壩上游立視圖如圖7所示。

引水工程進(jìn)水口位于調(diào)蓄水庫(kù)庫(kù)尾，采用豎井式進(jìn)水口，并在庫(kù)尾結(jié)合裸露的巖石或澆筑混凝土設(shè)置攔沙坎，攔沙坎頂高程高于調(diào)蓄水庫(kù)庫(kù)尾底高程，并在最低取水水位以下，確保具備攔沙效果的同時(shí)，正常工況都可表層取水，縱剖面圖如圖8所示。

圖8 進(jìn)水口縱剖面圖

3.2 方案優(yōu)缺點(diǎn)

這一方案的主要優(yōu)點(diǎn)為：①調(diào)蓄水庫(kù)結(jié)合溝谷地形建設(shè)，攔水壩內(nèi)進(jìn)水管和泄洪沖沙管布置高程較低，庫(kù)尾攔沙坎頂高程較高，水流主流位于庫(kù)水水體底層低速回旋，可促進(jìn)泥沙自然沉淀；②泄洪沖沙管所在的壩體一側(cè)為水庫(kù)最低部位，且地形上也是泥沙最容易淤積的部位，利用高壓水流的夾沙能力，在壩體廊道內(nèi)定期開(kāi)閥即可實(shí)現(xiàn)庫(kù)內(nèi)淤積泥沙的自動(dòng)沖淤，運(yùn)行管理方便。③引水工程進(jìn)水口位于調(diào)蓄水庫(kù)庫(kù)尾，在平面距離上距離攔水壩較遠(yuǎn)，有利水體泥沙沉淀；結(jié)合溝谷天然地形進(jìn)水口高程設(shè)置較高，有利于取調(diào)蓄水庫(kù)內(nèi)表層清水。缺點(diǎn)為水庫(kù)建設(shè)征地面積較大，政策處理難度相對(duì)較大。

4 無(wú)壓洞調(diào)蓄調(diào)壓地下洞庫(kù)方案

4.1 方案的提出及結(jié)構(gòu)布置

調(diào)壓井或調(diào)蓄水庫(kù)不可避免需占用較大土地，利用下游輸水隧洞，擴(kuò)大局部洞徑兼做狹長(zhǎng)的無(wú)壓洞型洞內(nèi)式水庫(kù)[15-16]，既可調(diào)壓調(diào)蓄、候潮取水、候發(fā)電取水，又可促進(jìn)泥沙沉淀，減少下游輸水隧洞的淤積。洞庫(kù)布置在輸水隧洞首段，由無(wú)壓洞、進(jìn)水管、洞口混凝土堵頭、集沙坑、排淤管、通氣孔等組成，縱剖面如圖9所示。

圖9 洞庫(kù)調(diào)蓄調(diào)壓結(jié)構(gòu)布置縱剖面圖

無(wú)壓洞為主體結(jié)構(gòu)，采用城門(mén)洞型斷面，隧洞底板及邊頂拱采用鋼筋混凝土襯砌處理，襯砌結(jié)構(gòu)每間隔6～12 m設(shè)施工縫，縫內(nèi)設(shè)止水。隧洞向下游側(cè)放坡，以便充水時(shí)排氣及水體懸浮質(zhì)沉淀后向集水坑推移。

洞口混凝土堵頭在調(diào)蓄調(diào)壓洞完工后封堵用于封閉隧洞進(jìn)洞口，堵頭內(nèi)部設(shè)進(jìn)水管及檢修進(jìn)人孔，頂部設(shè)排氣口；在靠近無(wú)壓洞末端設(shè)置集沙坑，排淤管進(jìn)口位于集沙坑部位的洞壁側(cè)墻上，出口位于上游溝谷并設(shè)閥門(mén)控制排泥，開(kāi)閥即可在水頭作用下排水的同時(shí)將沉淀的泥沙裹挾帶出。

4.2 方案優(yōu)缺點(diǎn)

地下洞庫(kù)方案的主要優(yōu)點(diǎn)為：①無(wú)壓洞不占地。蓄水洞段為常規(guī)隧洞擴(kuò)挖而成，主要利用隧洞長(zhǎng)度方向創(chuàng)造調(diào)蓄容積，整體為地下工程，不占用地表耕地或林地，保護(hù)范圍與擴(kuò)大洞徑前的隧洞相比可忽略，政策處理難度低；②調(diào)蓄調(diào)壓水位變幅小。蓄水洞段長(zhǎng)度方向限制條件少，可設(shè)置較大的容積，發(fā)揮高位水池的功能時(shí)，相對(duì)調(diào)蓄水庫(kù)水位變幅小，有利于提水泵站的水泵選型和下游輸水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；③含泥水體沉淀效果好。擴(kuò)大洞徑后的無(wú)壓洞流速低、長(zhǎng)度大，有利于水體懸浮質(zhì)沉淀后，在洞底向沉沙池推移匯集；④可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖淤。洞內(nèi)設(shè)置的沖淤管開(kāi)閥即可對(duì)沉沙池有效排泥，節(jié)能環(huán)保。缺點(diǎn)為無(wú)壓洞末端與有壓洞流態(tài)較為復(fù)雜，需對(duì)水力過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行專(zhuān)題研究。

5 無(wú)壓洞水力過(guò)渡過(guò)程分析

5.1 計(jì)算方法及工況

基于有壓水錘模型和明渠非恒定流理論，建立包含調(diào)壓隧洞和有壓隧洞相結(jié)合的輸水系統(tǒng)全線(xiàn)水力瞬變流模型[17-18]，計(jì)算工況詳見(jiàn)表1，編程數(shù)值模擬計(jì)算程序流程如圖10所示。

表1 無(wú)壓洞流態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算工況

圖10 無(wú)壓洞流態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程

5.2 計(jì)算成果

（1）在A1、A2工況，上游泵站提水流量保持不變，而下游取水流量減小，無(wú)壓洞下游水位持續(xù)上升，并且上升一段時(shí)間后，無(wú)壓隧洞中的水位整體上升。下游流量減小越多，水位上升越快，當(dāng)下游停止取水時(shí)，約31 min后，水位上升到31 m左右，下游水位達(dá)到下游洞頂。因此，建議在相應(yīng)工況下檢測(cè)無(wú)壓洞下游水位，當(dāng)水位上升時(shí)，及時(shí)減小上游泵站的流量，A2工況計(jì)算成果如圖11、圖12所示。

圖11 工況A2無(wú)壓洞水面線(xiàn)分布

圖12 工況A2無(wú)壓洞各截面水位波動(dòng)

（2）在A3工況，上游泵站提水流量減小到25 m3/s，而下游取水流量不變，無(wú)壓洞下游水位持續(xù)下降，并且尾部下降到臨界水深以下，形成跌落，在下游連接的陡坡處可能形成一定的水躍；由于下游的水位持續(xù)下降，水位可能低于下游管路的進(jìn)口，導(dǎo)致氣體卷入下游輸水隧洞，形成復(fù)雜的水流現(xiàn)象。因此，如果上游流量減小，需同步減小下游的取水量，以防止無(wú)壓洞下游水位急速降低帶來(lái)的危害。

（3）在A4工況，上游泵站提水流量減小到25 m3/s，下游閥取水量在5 min同步減小到25 m3/s，無(wú)壓洞的水位會(huì)從下游開(kāi)始下降，約在7 h左右達(dá)到恒定供水狀態(tài)，但此時(shí)的水位和無(wú)壓段中的儲(chǔ)水量有關(guān)，不一定停留在設(shè)計(jì)情況下的水位，如果需要和設(shè)計(jì)一致，可以通過(guò)變頻泵調(diào)節(jié)。即變頻泵先減小流量，等水位和設(shè)計(jì)相近時(shí)，恢復(fù)到25 m3/s即可。

總體上，提水泵站后部采用無(wú)壓洞調(diào)蓄調(diào)壓，再連接有壓輸水隧洞結(jié)構(gòu)，在各工況水流流態(tài)平穩(wěn)，是可以考慮的布置方式。

6 結(jié)論

根據(jù)對(duì)甌江河口泥沙及潮汐規(guī)律以及泵站提水后采用無(wú)壓洞兼做地下洞庫(kù)調(diào)蓄調(diào)壓技術(shù)的研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）渡船頭取水口位于青田水利樞紐下游的感潮河段，漲潮含沙量大于落潮含沙量，小潮含沙量遠(yuǎn)小于大潮和中潮含沙量，上游電站樞紐水質(zhì)明顯較優(yōu)，因此，泵站后部設(shè)置調(diào)蓄調(diào)壓結(jié)構(gòu)有利于候潮候發(fā)電取清水。

（2）結(jié)合溝谷地形建設(shè)調(diào)蓄水庫(kù)，具有促進(jìn)泥沙自然沉淀、自動(dòng)沖淤、取表層清水等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)為水庫(kù)永久占地面積較大，可能存在政策處理難度。

（3）無(wú)壓洞作為地下洞庫(kù)調(diào)壓調(diào)蓄具有不占地、水位變幅小、含泥水體沉淀效果好、可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)沖淤等特點(diǎn)。計(jì)算分析成果表明不利工況下仍然保持水流形態(tài)平穩(wěn)、能滿(mǎn)足運(yùn)行要求。