密云水庫調(diào)蓄工程總體設(shè)計(jì)方案研究

李啟升　石維新　楊進(jìn)新　王雷

摘要：南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程因地制宜，結(jié)合既有工程，巧妙提出了南水北調(diào)來水通過京密引水渠反向加壓調(diào)入密云水庫的調(diào)蓄思路，優(yōu)化了南水北調(diào)中線總體布局，實(shí)現(xiàn)了南北聯(lián)調(diào)、豐枯相濟(jì)，同時(shí)恢復(fù)密云水庫在供水任務(wù)中的重要地位，提高北京水資源戰(zhàn)略儲備。如此長距離利用現(xiàn)有渠道，既保留原有正向輸水規(guī)模，又實(shí)現(xiàn)大流量反向調(diào)水功能，在國內(nèi)少有先例。通過前期的理論分析、論證比選，確定了沿京密引水渠反向輸水、分級加壓總體布局，推算出渠道雙向水面線成果，論證了渠道泵站、管道泵站和出入密云、懷柔兩水庫的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)布置，制定了滿足不同工況的調(diào)度運(yùn)行技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：長距離渠系;正反雙向調(diào)水;節(jié)點(diǎn)布置;調(diào)度運(yùn)行

中圖分類號：TV68

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.04.020

南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程在前期研究中進(jìn)行了沿京密引水渠全管道加壓輸水、西線調(diào)水、東線調(diào)水等多方案比選，最終選定了京密引水渠反向輸水、分級加壓方案。該方案因地制宜，結(jié)合既有工程，在不改變現(xiàn)狀京密引水渠調(diào)度運(yùn)行的情況下，巧妙通過京密引水渠反向加壓將南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫，實(shí)現(xiàn)了新、老工程最優(yōu)結(jié)合，且節(jié)省工程投資、節(jié)省年運(yùn)行費(fèi)用、縮短建設(shè)周期，通過新建、加固、維修等多種工程措施既發(fā)揮了既有工程的功能、又延長了其使用年限。但如此長距離利用現(xiàn)有渠道反向調(diào)水可借鑒資料少，且輸水建筑物數(shù)量龐大、型式多樣、外部條件（供電條件、管理機(jī)構(gòu)、周邊環(huán)境）復(fù)雜，調(diào)水流量變化大，渠（管）道正反雙向輸水時(shí)水庫調(diào)蓄與防洪存在矛盾，如何克服上述難題，統(tǒng)籌分析，制定合理的調(diào)度運(yùn)行方案，確保調(diào)度運(yùn)行安全，需要重點(diǎn)研究。

1 方案比選及總體布局

1.1 現(xiàn)有設(shè)施概況

京密引水渠全長112.7 km，1966年完工，期間分別于1997年、2002年對破損嚴(yán)重的部位進(jìn)行了修整。懷柔水庫一團(tuán)城湖段渠道長73 km，設(shè)計(jì)邊坡坡比1：1.5 -1：2.5，底寬8-12 m，渠深2.8-3.2 m，底坡坡降2.50xl0～ 5.89xl0，沿線布設(shè)泄洪閘、分水閘、倒虹吸、山洪橋等建筑物，正向輸水流量（由北向南）為40 m/S（局部段為60 m/s）;密云水庫一懷柔水庫段長25 km，底寬8m，渠深3.2 m，該段渠道落差大、縱坡陡，渠道正向輸水流量（由北向南）為70 m/s，沿線4級電站已廢棄。懷柔水庫擴(kuò)建后水庫總庫容1.44億m，興利庫容0.655億m，防洪庫容1.045億m，水庫正常蓄水位62.0 m，死水位52.0 m，汛限水位58.0 m。

1.2 方案比選

（1）團(tuán)城湖一懷柔水庫段。京密引水渠渠道縱坡緩，利用現(xiàn)狀京密引水渠反向輸水，僅需對現(xiàn)狀渠道及部分建筑物進(jìn)行改造，并新建梯級加壓泵站，對各級泵站后段距離渠道擋墻加高，對渠道穩(wěn)定影響較小，投資及拆遷占地面積較小。因此，采用京密引水渠反向輸水、分級加壓方案。

（2）密云水庫一懷柔水庫段。由于渠道水力坡降大，渠道破損嚴(yán)重，利用渠道反向輸水優(yōu)勢不明顯，因此對該段渠道進(jìn)行3種方案比選，包括全渠道反向輸水、全管道加壓輸水和明渠與管道結(jié)合輸水，具體見表1。利用京密引水渠反向輸水方案工期短，投資小，拆遷占地少，但10座泵站串聯(lián)運(yùn)行，調(diào)度運(yùn)行難度大，且渠道多為填方渠道，運(yùn)行安全度不高;全管道加壓輸水方案投資大，工期長，施工難度大，拆遷占地面積大，優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行簡單可靠：明渠與管道結(jié)合輸水方案工程投資、拆遷占地適中，充分利用現(xiàn)有水利設(shè)施，運(yùn)行簡單可靠。經(jīng)比選，采用方案三作為該段的輸水方案。

1.3 工程總體布置

南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程由團(tuán)城湖取水，通過京密引水渠反向輸水，分別在屯佃閘、柳林倒虹吸、埝頭倒虹吸、興壽倒虹吸、史山節(jié)制閘和西臺上跌水節(jié)制閘附近新建6級泵站提升輸水至懷柔水庫，輸水流量20 m/s，渠道總長73 km。經(jīng)懷柔水庫調(diào)節(jié)，部分水量回補(bǔ)水源地，剩余來水（ 10 m/s）通過在懷柔水庫進(jìn)水閘旁新建的郭家塢提升泵站提升，經(jīng)8.0km渠道反向輸水至北臺上倒虹吸處，再經(jīng)新建雁棲泵站加壓，沿新建22 km的輸水管道輸水至白河電站調(diào)節(jié)池，再由新建溪翁莊泵站加壓后通過白河發(fā)電洞將水送人密云水庫。輸水線路全長103 km，總揚(yáng)程132.85 m[1]。工程總體布置見圖1。

2 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)布置

2.1 渠系建筑物

由于利用現(xiàn)狀京密引水渠反向輸水，部分渠段襯砌（或堤頂）不能滿足反向輸水時(shí)超高要求，因此為保證該渠道反向輸水能力和輸水安全，同時(shí)保證正向輸水功能，需對現(xiàn)狀渠道進(jìn)行改造。

（1）渠道泵站級數(shù)確定。利用現(xiàn)狀渠道反向輸水時(shí)為逆坡，水流為恒定非均勻流。利用逐段求水深法計(jì)算出團(tuán)城湖一懷柔水庫段各斷面渠道水深，結(jié)合各斷面襯砌高度，確定輸水時(shí)站后最高水位，在不滿足護(hù)砌超高要求處設(shè)置泵站。泵前水深確定考慮兩個(gè)因素：第一，略高于臨界水深以充分發(fā)揮現(xiàn)有渠深的反向輸水能力;第二，站前渠道應(yīng)具有一定的有效容積，以保證機(jī)組發(fā)生故障停機(jī)至備用機(jī)組投入運(yùn)行有充足的時(shí)間。最終確定各級泵站閘前渠道水深不小于1.2 m。根據(jù)現(xiàn)狀京密引水渠向城區(qū)正常輸水時(shí)，團(tuán)城湖一懷柔水庫段渠道襯砌超高為0.40 m，確定反向調(diào)水正常運(yùn)行時(shí)站后渠道襯砌超高0.40 m。依此類推，計(jì)算出整個(gè)渠道所需設(shè)置的泵站個(gè)數(shù)、位置、揚(yáng)程，確定現(xiàn)狀渠道加高段。

（2）渠道整修加固。根據(jù)水面線計(jì)算結(jié)果得知，現(xiàn)狀渠道部分渠段存在超高不足、山洪橋凈空不夠問題，另外部分現(xiàn)狀渠道存在凍脹破壞嚴(yán)重等問題，需進(jìn)行加固。①對現(xiàn)狀護(hù)砌或堤頂超高不滿足反向輸水超高要求的渠段現(xiàn)狀擋墻或堤頂進(jìn)行加高，加高段長度為9.9 km;②對填方段及襯砌凍脹破壞段采取加大混凝土襯砌單塊質(zhì)量、加強(qiáng)防滲能力、增大保溫層厚度、采用級配砂礫料換填等綜合措施消除安全隱患：③對不滿足超高要求的5座山洪橋涵洞進(jìn)行拆除重建并沿行洪方向設(shè)置排水管道。通過對24.4 km長存在問題的渠道進(jìn)行整修加固處理，滿足了正反向輸水要求[2]。

（3）新建及改建水閘。為滿足渠道反向及正向輸水要求，采取以下措施：新建6座節(jié)制閘以控制水位;改建3座既有節(jié)制閘以控制水位，部分閘滿足雙向擋水要求;新建或改建檢修閘以滿足檢修要求;對部分現(xiàn)狀病險(xiǎn)泄洪閘、分水閘進(jìn)行加固或拆除重建;對現(xiàn)狀平交人渠的雨水管增設(shè)浮箱拍門。

（4）渠道沿線清污機(jī)改造。京密引水現(xiàn)狀渠道渠底縱坡較緩，水流流速較慢，水面漂浮物比較多，沿線設(shè)置的清污設(shè)備主要為正向輸水服務(wù)。為了滿足正、反向輸水要求，結(jié)合新建9級泵站，對既有渠道清污設(shè)備進(jìn)行了重新設(shè)置：①新建1級-9級泵站進(jìn)水口均設(shè)置清污設(shè)備;②將前柳林倒虹吸、埝頭倒虹吸、興壽倒虹吸進(jìn)口原有清污設(shè)備改造為活動式清污機(jī)，當(dāng)反向輸水時(shí)清污機(jī)需要提出水面;③在前柳林倒虹吸、埝頭倒虹吸、興壽倒虹吸出口增設(shè)活動式清污機(jī)，正向輸水時(shí)出口清污機(jī)提出水面。

2.2 渠道提升泵站

現(xiàn)狀京密引水渠道設(shè)有多處節(jié)制閘，為充分利用現(xiàn)有設(shè)施，結(jié)合渠道水力計(jì)算結(jié)果，提出兩種布置方式，這兩種方式均能滿足現(xiàn)狀渠道原有輸水功能[3]。

（1）方式一，水閘與泵站垂直布置。利用現(xiàn)狀（改造）節(jié)制閘擋水，泵站位于節(jié)制閘下游側(cè)，垂直于渠道布置，反向來水經(jīng)泵站加壓通過出水管送至節(jié)制閘上游。順?biāo)饕来尾贾眠M(jìn)水池、主泵房、出水管及測流設(shè)施。水泵機(jī)組采用臥式軸流泵。出水管末端設(shè)拍門，在京密引水渠正向輸水及泵站檢修時(shí)，拍門自動關(guān)閉，防止水流進(jìn)入泵站輸水管道內(nèi)。

（2）方式二，水閘與泵站平行布置。利用現(xiàn)狀（改造）節(jié)制閘擋水，平行現(xiàn)狀渠道另建泵站及進(jìn)、出水引渠，反向來水經(jīng)泵站提升通過出水渠送至節(jié)制閘上游。順?biāo)鞣较蛞来尾贾眠M(jìn)水池、主泵房、出水池及出水水位調(diào)節(jié)設(shè)施。水泵機(jī)組選用立式軸流泵，出水水位調(diào)節(jié)設(shè)施選用平板式鋼閘門，液壓啟閉。泵站機(jī)組啟動前，鋼閘門處于完全開啟狀態(tài)，利用排水管將閘門與泵站出水口之間的渠道蓄水至出水池所需最低運(yùn)行水位，以滿足泵站單、雙及三臺機(jī)組運(yùn)行時(shí)閘前水位要求。當(dāng)泵站需要減少運(yùn)行機(jī)組時(shí)，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行水位情況調(diào)整鋼閘門門頂高程，確保出水池水位滿足泵站運(yùn)行水位要求。

2.3 管道加壓泵站

密云水庫調(diào)蓄工程共設(shè)兩座管道加壓泵站，分別是雁棲泵站和溪翁莊泵站。泵站采取常規(guī)布置，包括引水暗涵（或連通渠）、前池、進(jìn)水池（間）、進(jìn)水管、主廠房（副廠房）、出水管、測流站等建筑物。泵站采用單管單泵式供水，進(jìn)水管為DN1800鋼管，出水管道由“三泵一管”形式匯成1條DN2600主管。為滿足密云水庫向城區(qū)供水要求，在泵站內(nèi)設(shè)旁通管，前接泵站前池，后接泵站出水主管。為控制水流及保證管道輸水安全，在旁通管末端設(shè)調(diào)流設(shè)施。

2.4 來水進(jìn)、出懷柔水庫節(jié)點(diǎn)布置

懷柔水庫作為密云水庫調(diào)蓄工程的中間調(diào)節(jié)庫，既要保證現(xiàn)有水庫防洪功能不受影響，又要滿足調(diào)蓄供水水位要求。南水北調(diào)來水進(jìn)、出懷柔水庫的方式及調(diào)蓄水位等必須與水庫原有運(yùn)行方式相協(xié)調(diào)。

（1）來水反向進(jìn)庫布置。拆除原渠道左岸發(fā)電站，改建為西臺上泵站，其具備反向提升功能;改造西臺上跌水節(jié)制閘，其具備正向輸水時(shí)過流、調(diào)蓄輸水時(shí)擋水功能;加高、改建該段渠道，滿足正反向輸水要求。以上布置合理利用原有渠道，避免了新建入庫輸水隧洞帶來的工期及投資問題。

（2）來水反向出庫。在水庫原進(jìn)水渠道右岸新建郭家塢泵站，其具備反向加壓功能：相應(yīng)改造懷柔水庫進(jìn)水閘，其具備正向輸水時(shí)過流、調(diào)蓄輸水時(shí)擋水的功能;加高、改建該段渠道護(hù)砌，滿足正反向輸水要求。

南水北調(diào)來水進(jìn)、出懷柔水庫示意見圖2。

（3）防洪與調(diào)蓄。原則為先防洪、后調(diào)蓄。懷柔水庫汛限水位為58.0 m.為充分利用懷柔水庫庫容，同時(shí)防止水位變幅大，影響水泵運(yùn)行效率，綜合考慮后確定懷柔水庫調(diào)蓄輸水水位為57.0 - 60.0 m.汛期調(diào)蓄水位為57.0～58.0 m.不高于汛限水位58.0 m。

2.5 來水入密云水庫布置

南水北調(diào)來水人密云水庫有利用現(xiàn)狀隧洞入庫和新建輸水隧洞入庫兩種方案。現(xiàn)狀白河發(fā)電隧洞主洞兼顧密云水庫泄洪、發(fā)電功能，白河泄水支洞主要作為白河主洞的檢修通道。兩方案均能滿足將水提升至密云水庫且不影響水庫主洞的泄洪、發(fā)電功能。通過對兩方案的工程造價(jià)、施工工期、技術(shù)難度及管理運(yùn)行等進(jìn)行比較，現(xiàn)狀隧洞經(jīng)加固改造已能完全具備工程輸水及檢修的功能，工期短、造價(jià)低，且保留了原白河發(fā)電隧洞的檢修通道，日常運(yùn)行管理較為簡單，因此將其作為來水人密云水庫的設(shè)計(jì)方案。在綜合考慮密云水庫管理需要、調(diào)（輸）水流量及泵站總體設(shè)計(jì)后，隧洞加固采用在泄水支洞內(nèi)穿2根DN1800鋼管，支洞出口設(shè)潛孔式弧形鋼閘門擋水。來水人密云水庫平面示意見圖3。

3 調(diào)度運(yùn)行技術(shù)方案

3.1 調(diào)度原則確定

京密引水渠正向輸水基本維持原有調(diào)度原則不變。京密引水渠、懷柔水庫及密云水庫汛期應(yīng)優(yōu)先服從防洪調(diào)度要求。冬季渠道結(jié)冰期不得進(jìn)行反向輸水，反向輸水需確保渠道內(nèi)無浮冰。水泵盡量避免在低效區(qū)運(yùn)行，防止機(jī)組振動、噪音加大。1-8級泵站無變頻，在一定流量范圍內(nèi)，可通過調(diào)節(jié)水泵葉片角度調(diào)節(jié)單機(jī)流量;溪翁莊泵站可通過變頻調(diào)節(jié)單機(jī)流量。管道禁止明滿流交替運(yùn)行。多孔節(jié)制閘和退水閘應(yīng)按對稱原則開啟。渠系建筑物、泵站建筑物應(yīng)統(tǒng)一調(diào)度、協(xié)調(diào)一致。

3.2 充水方案

該工程充水主要分為3段，即團(tuán)城湖一懷柔水庫段渠道充水、懷柔水庫一雁棲泵站段渠道充水和雁棲泵站一密云水庫段PCCP管道充水。

（1）團(tuán)城湖一懷柔水庫段?？刹捎米陨隙潞妥韵露蟽煞N充水方式。

自上而下充水方式利用懷柔水庫的水作為充水水源，開啟峰山口輸水閘，渠道沿線節(jié)制閘全部打開，向該段渠道充水。在滿足各渠段充水水位要求情況下，按順序從下至上依次關(guān)閉各泵站節(jié)制閘，見圖4。

自下而上充水方式利用南水北調(diào)的水作為充水水源。首先開啟屯佃節(jié)制閘，向屯佃節(jié)制閘上游渠道反向充水，當(dāng)團(tuán)城湖水位為49.00 m時(shí)，可回水至樁號59+500附近;然后關(guān)閉屯佃節(jié)制閘，啟動屯佃泵站;接下來關(guān)閉前柳林泵站節(jié)制閘，啟動前柳林泵站：依此類推，按從下至上的順序關(guān)閉沿線各級泵站節(jié)制閘，并啟動相應(yīng)的泵站：最后關(guān)閉西臺上泵站節(jié)制閘，啟動西臺上泵站。渠道充水期間，各級泵站啟動按單泵運(yùn)行考慮。

（2）懷柔水庫一密云水庫段。利用密云水庫的水作為充水水源。充水前，關(guān)閉懷柔水庫進(jìn)水閘、北臺上倒虹吸出口節(jié)制閘，通過溪翁莊泵站旁通管、PCCP管道雁棲泵站旁通管向管道（渠道）內(nèi)充水，當(dāng)郭家塢泵站站后水位達(dá)到要求時(shí)，充水完成。

3.3 調(diào)度運(yùn)行

3.3.1 南水北調(diào)向密云水庫調(diào)水（團(tuán)城湖一密云水庫）

向密云水庫調(diào)蓄供水時(shí)主要分為兩段：①團(tuán)城湖至懷柔水庫段，該段正常運(yùn)行流量區(qū)間為5.5 -7.5 m/s（1臺機(jī)組）、11 - 15 m/s（2臺機(jī)組）、16.5 -20.0 m/s（3臺機(jī)組）;②懷柔水庫至密云水庫段，該段正常運(yùn)行流量為10 m/s（2臺機(jī)組）。

工程正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)密切關(guān)注各泵站站前及站后運(yùn)行水位：確保與泵站配套的節(jié)制閘處于關(guān)閉狀態(tài)，原渠道節(jié)制閘處于開啟狀態(tài);渠道上各分水閘、泄洪閘按指令運(yùn)行;倒虹吸出口清污機(jī)就位，進(jìn)口清污機(jī)升起。

3.3.2 京密引水渠正向輸水（密云水庫一團(tuán)城湖）

當(dāng)密云水庫向城區(qū)供水時(shí)，密云水庫、懷柔水庫及京密引水渠按原管理規(guī)定運(yùn)行。密云水庫調(diào)蓄工程1-9級泵站停機(jī);沿線節(jié)制閘開啟（包括與泵站配套的節(jié)制閘）;各分水閘、泄洪閘按指令運(yùn)行;倒虹吸進(jìn)口清污機(jī)就位，出口清污機(jī)升起。當(dāng)冬季小流量或密云水庫至懷柔水庫段渠道正向輸水出現(xiàn)事故時(shí)，可通過PCCP管道小流量（≤11 m/s）輸水至雁棲泵站前池。

3.4 特殊工況調(diào)度

當(dāng)單臺機(jī)組斷電時(shí)應(yīng)立即啟用備用機(jī)組。單站斷電會造成站前水位壅高、站后水位降低，各級泵站應(yīng)陸續(xù)停泵，并做好準(zhǔn)備，配合總體調(diào)度進(jìn)行渠道分水。水位高于最高運(yùn)行水位時(shí)，停泵、加大后級泵站運(yùn)行機(jī)組數(shù)量，或調(diào)整本站葉片角度，或準(zhǔn)備渠道分段退水。水位低于最低運(yùn)行水位時(shí)，增加前級泵站運(yùn)行機(jī)組數(shù)量，或調(diào)整本站葉片角度。

4 結(jié)語

密云水庫調(diào)蓄工程在不改變原有渠道正向輸水功能的條件下，通過新建梯級泵站及配套渠系建筑物、改造現(xiàn)狀渠道等實(shí)現(xiàn)了長距離、跨流域輸水。在通過大量的工程實(shí)地調(diào)研、多方案論證比選后，最終總結(jié)出一套集約型設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過兩年多的運(yùn)行，根據(jù)運(yùn)行狀況又對其進(jìn)行了提升改造，使其功能更加完善，調(diào)度運(yùn)行更加優(yōu)化和安全。截至目前，該工程已實(shí)現(xiàn)向密云水庫方向輸水5億m，密云水庫蓄水量已突破21億m.通過回補(bǔ)水源地使地下水位在原有基礎(chǔ)上回升近1 m，極大地緩解了北京市水資源緊張的局面，取得了明顯的社會效益。

參考文獻(xiàn)：

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【責(zé)任編輯張華巖】