三河口水利樞紐主要技術問題和設計方案

毛擁政

（陜西省水利電力勘測設計研究院水電分院，710001，西安）

一、三河口水庫在調水系統中的作用與規模

1.三河口水庫在調水系統中的地位作用與任務

三河口水利樞紐是引漢濟渭調水工程系統的重要組成部分，是引漢濟渭調水工程調水調節樞紐，也是工程運行管理的調度中樞，在工程中起著承上啟下的作用。

三河口水庫不僅調蓄本流域子午河的徑流量，也調節干流漢江黃金峽水庫的抽水入庫水量，對滿足引漢濟渭工程的供水保證率有重要作用。

工程的主要任務是調蓄供水、結合發電等綜合利用。

2.水庫工程規模

引漢濟渭工程為大（1）型Ⅰ等工程，三河口水庫大壩為1級建筑物，其他主要建筑物為2級，次要建筑物為3級，臨時建筑物為4級。

大壩洪水標準按500年一遇設計、2000年一遇校核。水庫設計洪水位為642.95 m，校核洪水位為644.70 m。

水庫正常蓄水位643 m，汛限水位642 m，死水位 558 m，水庫總庫容7.1億m3，調節庫容6.5億m3。工程供水發電設計流量72.71 m3/s，年供水量5.5億m3，發電裝機60 MW，多年平均發電量1.325億kWh，可逆機組設計抽水流量18 m3/s，抽水裝機24 MW。

二、三河口水利樞紐設計

1.工程布置

三河口水利樞紐由大壩、壩后供水系統、連接洞等工程組成。

前期設計中對重力壩方案和碾壓混凝土拱壩方案進行了比較。經分析比較，碾壓混凝土拱壩方案具有工程投資小、超載能力強、施工速度快等特點。在選定碾壓混凝土壩壩型的基礎上，對工程布置方案也進行了多方案的分析比較，最終確定大壩采用碾壓混凝土拱壩，泄洪采用壩身泄洪系統，設消力塘挑流消能，在大壩下游右岸設置引水發電系統，通過設置的連接洞將三河口水庫經控制閘與秦嶺輸水隧洞連接。同時在由導流洞改建的電站尾水池內設退水閘和生態放水管。

三河口樞紐大壩為國內第二的碾壓混凝土高拱壩，大壩壩高145 m，泄洪功率和承受的水推力在國內碾壓混凝土拱壩中排名第一。三河口泵站根據三河口樞紐抽水不發電、發電不抽水的工作特點，所選擇的小容量抽蓄機組目前國內也未有先例。設計單位針對三河口水利樞紐的工程特點及工程布置，聯合國內知名的大專院校和科研單位，大膽創新，敢于采用新技術，進行了大量的分析計算和試驗研究，為工程關鍵技術問題的解決提供了科學依據。

2.主要建筑物

（1）攔河大壩

碾壓混凝土拱壩體型采用拋物線雙曲拱壩，拱壩壩頂高程為646.0 m，最大壩高 145.0 m，壩頂寬 9.0 m，壩底拱冠厚37.0 m。壩頂上游弧長472.2 m，最大中心角 94.84°，大壩寬高比2.93，厚高比0.27，柔度系數14.24，上游面最大倒懸度 0.18，下游面最大倒懸度0.20。

（2）泄洪建筑物

泄洪建筑物由壩身泄洪表孔、泄洪底孔及下游消能防沖建筑物等組成。泄洪表孔及泄洪底孔均布置在拱壩壩身。泄洪表孔采用淺孔布置形式，泄洪底孔相間布置在3個表孔之間，形成“三表孔、兩底孔”的布置格局。

泄洪表孔沿拱壩中心線布置，孔口尺寸（寬×高）15m×15m。堰頂高程628 m，最大下泄流量6020m3/s。2個底孔布置在550m高程上，相間布置在3個泄洪表孔中間，最大下泄流量1560m3/s。

泄洪建筑物均采用挑流方式消能，下游設置消力塘。消力塘底寬70 m，長 200 m。

（3）供水系統

供水系統由進水口、壓力管道、抽水發電系統、尾水前池、供水閥室、連接洞等6個部分組成。

進水口形式為壩式進水口，常規機組、可逆機組、供水閥共用一個進水口，采用分層取水的方式，設計引水流量72.71 m3/s。壓力管道布置分為壩內埋管、岸坡明管段、廠區明管段。壓力管道直徑4.5 m。

廠房沿岸邊布置，主廠房 （長×寬×高）70.24 m×18 m×39.5 m， 布置 2臺常規機組，2臺雙向機組。供水閥室布置在安裝間下游側，布置2臺減壓調流閥，減壓調流閥管徑2.0 m。

尾水系統由退水閘、壓力尾水管、導流洞改造尾水洞、尾水池（也是前池）組成。連接洞是控制閘至尾水池無壓水流通道，總長度187.835 m，平底，斷面為馬蹄形，斷面尺寸6.94 m×6.94 m。

在供水系統退水閘底板埋設下游生態放水管，下泄水量2.71 m3/s。

三、關鍵技術問題及解決方案

1.工程特點

①工程地處秦嶺山區峽谷地帶，為多年調節的“核心”水庫，既有供水、抽水、發電，還調節水庫本流域徑流和黃金峽水庫入庫水量，工程運行條件復雜。

②樞紐位于相對順直的峽谷段，引漢濟渭工程的系統需求，導致右岸建筑物眾多，施工場地狹窄，樞紐布置和施工總布置成為工程關鍵技術問題。

③壩址所處河段為V形河谷，寬高比2.82，大壩高145 m，其特點是碾壓混凝土方量大、壩身布置建筑物多，如何解決好碾壓混凝土壩快速施工、控制壩體裂縫、滿足大壩溫度控制要求，都需要進行重點研究。

④水泵選型問題。目前抽水方案下，我國國內無滿足小流量、大水頭變幅的可逆機組型號，適合三河口抽水發電的水泵水輪機需進行專門研制。

⑤三河口水庫泄洪規模大，泄洪功率高，河道狹窄，泄洪消能布置受到很大限制。

⑥根據工程規劃的需要，在水泵水輪機和常規水輪機都不能發電時，需要選擇高水頭、大流量、高消能率的供水閥。該閥的口徑和規模在供水工程中屬于國內第一。

2.關鍵問題及解決方案

（1）高碾壓混凝土拱壩的設計

三河口水利樞紐攔河壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，采用國內高壩常用的拋物線線型。攔河壩最大壩高145 m，壩頂寬9 m，壩底厚37 m，壩頂上游弧長477.6 m，最大中心角96°。壩內共布置3層縱向廊道，各高程廊道分別與兩岸灌漿隧洞相接，為滿足樞紐的垂直交通要求，在壩后泄洪壩段右側布設一部電梯通至壩頂。該攔河壩是目前國內在建碾壓混凝土拱壩第二高壩，工程應力控制、壩肩穩定、分縫設計都具有很高的技術難度。工程設計認真總結已建百米級碾壓混凝土拱壩的經驗和教訓，除采用傳統的多拱梁法外，還引入有限單元法、三維非線性穩定分析、三維滲流場仿真分析等，對拱壩設計進行優化，較好地平衡了三河口水利樞紐拱壩體型設計的安全和經濟問題。

碾壓混凝土拱壩施工期現場情況千變萬化，材料特性、氣象水文、施工條件、施工進度等都會不斷地發生變化，施工期也會遇到各種各樣難以預料的問題。而且三河口水利樞紐大壩碾壓混凝土方量較大、分縫多增加了溫控和施工的難度。大壩溫控也是大壩施工質量控制的關鍵因素之一，因此，在工程策劃到施工的各階段都要重視溫控問題，需采取多種措施，確保工程建設符合設計標準。

（2）大流量、高水頭的消能防沖設計

三河口水庫泄洪流量最高為7 580 m3/s，加之泄洪水流落差大，泄洪功率高達7 350 MW；壩址區內河谷狹窄，岸坡陡峻，泄洪消能區又位于壩肩抗力巖體范圍內，供水系統廠房也布置在右岸消能區內，泄洪消能設施布置受到很大限制。為此，圍繞這些問題開展了多方案的分析比較和模型試驗，采用壩身表、中孔聯合泄洪的方式，確保樞紐泄洪安全；壩身泄洪按照縱向分層拉開、橫向單體擴散、總體分散歸槽的原則和方法，達到了理想的消能效果。

（3）可逆機組和常規水輪機組布置于一個廠房

三河口水利樞紐的機組分別具有抽水（向水庫補水）和發電（向關中地區供水）兩種運行情況，如果采用泵站和電站單獨布置，各設有單獨的水泵電動機組（水輪發電機組）、泵站（電站）廠房、壓力輸水系統和配電設備，需要分別建泵站和電站兩套獨立設備，土建工程量也比較大，非常不經濟。現將兩者合并，在同一廠房中裝設可逆式水泵水輪機組和常規水輪發電機組。利用抽水蓄能的技術選用水泵水輪機機組來適應抽水和發電兩種功能，減少設備投入和土建工程量。

（4）導流、下池（尾水洞）、放空三洞合一

三河口樞紐河谷狹窄建筑物布置困難，導流洞、供水系統（含泵站、電站）都集中布置在右岸，將導流洞后期改為泵站的下池以及電站的尾水，在原導流洞的出口增設泄水閘，很好地協調了導流、供水、放空的布置困難，節約工程投資。

（5）小容量、高水頭變幅的水泵水輪機機組選型

三河口水利樞紐水泵水輪機單機容量12 MW，設計水頭97 m，工作范圍83～100 m，是目前國內水頭變幅范圍最大的可逆機組。水泵水輪機設計借鑒了國內外最新經驗和教訓，引進新的設計理念和技術，利用CFD進行水力設計和分析，通過水泵水輪機全流道模型試驗，驗證了設計成果，研究出了我國自主知識產權的水泵水輪機轉輪。

（6）大流量、高消能率、寬運行范圍供水閥的選型與設計

三河口水利樞紐供水閥主要是滿足引水的流量和水頭不能發電時，通過供水閥來滿足供水需求。在庫水位高水位594～643 m之間，機組發電流量受阻時，供水最大流量6 m3/s，最小流量2 m3/s；當庫水位在低水位544～594 m之間，機組發電水頭受阻，供水最大流量31 m3/s設計，最小流量2 m3/s。該供水閥從設計流量、管徑、消能水頭在國內已成的工程內均屬前列，加工制造難度都有很高的難度。該閥的運行可靠性、氣蝕、噪音等方面都需要相應的技術措施保證。

（7）高水頭泄洪放空底孔設計

三河口水利樞紐泄洪放空底孔屬于高水頭的底孔，在國內已建成的水庫中該水頭屬于前列，安全可靠泄洪是設計中的難點。設計采用復合鋼板襯砌和偏心鉸弧門滿足安全可靠運行要求。

（8）超高水頭分層進水進水口設計

為滿足三河口工程下放生態水水溫的要求，工程設計分層取水水頭100 m，是國內最高的采用疊梁隔水閘門進行分層取水的進水口。進水口依次布置有7.5 m×101.46 m的攔污柵，7.5 m×49 m的上層疊梁隔水閘門，7.5 m×39 m的下層疊梁隔水閘門，4.5 m×7.62m-103m滾輪支承的平面事故閘門，攔污柵和隔水閘門共用2臺車式啟閉機（1600KN-105 m），并設有清污裝置，事故閘門斜拉布置啟閉機采用固定卷揚啟閉機（QPG 5500KN-106m），鋼絲繩傾角 10°。

四、本工程的創新點

針對上述工程特點和技術難題，三河口水利樞紐在設計過程中，大力開展科技攻關、設計優化及新技術、新材料的應用等科技創新活動，使得技術難題得以一一化解，為工程的建設提供技術支持。

（1）工程布置富有特色

綜合壩址區秦嶺山區的地形、地質條件，在滿足工程任務的要求下，分析引漢濟渭工程系統、水庫調節、泄洪消能、抽水發電、施工規劃諸多條件要求，成功解決了綜合效益、水位銜接、地形利用、消能方式、供水系統布置、施工安全等方面的布置問題，形成了獨具特色的供水工程水利樞紐拱壩方案的布置形式。

（2）解決方案凸顯了創新

如，三河口水利樞紐的機組分別具有抽水（向水庫補水）和發電（向關中地區供水）兩種運行情況，解決方案中將二者進行合并，在同一廠房中裝設可逆式水泵水輪機組和常規水輪發電機組的方案。利用抽水蓄能的技術選用水泵水輪機機組來適應抽水和發電兩種功能，減少設備投入和土建工程量。通過多專題的專項研究和試驗，解決了泵站、電站聯合布置方案和變頻運行、變速運行、水泵參數選擇、水泵水輪機轉輪的設計等多個技術難題。通過工程設計實施的工程實踐研究出性能優良的水泵水輪機轉輪，可以減少機電設備數量，簡化工程布置，降低造價；提高設備利用率和工程運行運行效率，有利于節能減排，同時方便工程運行管理，減少運行維護費用，提高工程建設的科技含量和技術水平。