無壓洞地下洞庫調蓄調壓技術研究

董合費，黃小燕，王 生

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

1 前言

感潮河道水體泥沙含量高，設置在感潮河段的提水泵站考慮調蓄調壓需要，一般在泵軸設置高位調壓池[1-3]，兼做沉沙池，防淤及清淤措施[4-5]是高位調壓池設計要點，特別是在泵站下游連接封閉的長距離輸水隧洞[6]時，由于下游隧洞檢修條件差，對調蓄調壓池方案設計提出了較高的要求，溫州市甌江引水工程就是這一類型工程。該工程自甌江河口渡船頭采用泵站提水，經總長61 km的有壓輸水隧洞沿途向15個分水口供水，屬于典型的泵站提水后長距離、多目標輸水工程，系統調度控制極為復雜[7-9]，提水泵站裝機5×4 500 kW，設計揚程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，河口屬強潮河口，河口段平均潮差超過4 m，最大潮差超過7 m，潮汐為不正規淺海半日潮[10-12]，取水口水體含沙量較高，且高位沉沙池場地建設條件較差，調壓池設置難度較大，通過對蓄清沖淤水庫設置方案的研究，為進一步節省征地，提出了利用輸水隧洞改建地下水庫的方案，并對無壓洞接有壓洞的水流形態進行了分析研究。

2 甌江河口泥沙及潮汐規律分析

據圩仁站實測資料統計，無論豐水豐沙年、枯水少沙年，甌江河口含沙量均呈現明顯的季節性變化。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程見圖1。

圖1 典型年各月平均輸沙過程圖

根據《引水工程取水口河段濁度變化分析專題報告》，2013年8月在甌江上游進行了5條垂線大、中、小潮同步水文測驗。自上而下有溫溪、馱灘、江南及其上下游水域5條垂線大中小潮同步定點水文測驗（包括潮流、含沙量、底質等資料）。測量站位布置見圖2，2號測點位于渡船頭取水口附近。

圖2 水文測驗斷面分布圖

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，花巖頭位置一個潮的平均含沙量約為0.06～0.19 kg/m3，壩址下游500 m處一個潮的平均含沙量為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 漲潮期間沿程垂線平均含沙量變化圖

圖4 落潮期間沿程垂線平均含沙量變化圖

渡船頭取水口所在的2號測點全潮漲潮垂線平均含沙量介于0.022～0.185 kg/m3，平均0.08 kg/m3，落潮垂線平均含沙量介于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]，水體含沙量建庫前僅為渡船頭部位的1/6～1/3，在加上建庫后的沉淀作用，青田水利樞紐水質含沙量遠低于渡船頭取水口，青田電站裝機容量3×14 MW，單臺機組額定流量307.13 m3/s，電站運行方式為日調節，峰、谷時段下泄水量受發電影響不均勻，統計青田水利樞紐2019年1～12月日均發電時長見圖5，候發電取清水水質可明顯改善。

圖5 青田水利樞紐日均發電時長統計圖

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

3 蓄清沖淤水庫設置方案

3.1 樞紐布置及結構設計

結合渡船頭河岸溝谷實際地形，考慮泵后調壓池取清水和可自動沖淤的要求，常規思路是設置調蓄水庫[14]，樞紐建筑物由大壩、引水工程進水口、攔沙坎、進水管、泄洪沖沙管組成，如圖6所示。

圖6 蓄清沖淤調蓄水庫布置平面圖

大壩位于溝谷地形下游靠河道側，與溝谷地形圍合形成調蓄水庫。考慮到進水管、泄洪沖沙管和大壩的交叉布置，大壩采用混凝土重力壩，并在壩頂設上壩公路與外部道路連通。進水管布置于大壩淺灘壩段，頂高程低于庫尾攔沙坎頂高程，以保障庫內水體主流位于底層。泄洪沖沙管布置在大壩深谷壩段，該壩段同時結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，泄洪沖沙管通過設置在混凝土重力壩灌漿廊道內的閥門控制啟閉，管底高程與庫底基本齊平，閥門開啟即可自動沖淤。調蓄水庫庫底可自進水管一側向泄洪沖沙管一側進行放坡，進一步加強底層水體在庫區內的回旋淤積沉沙效果。大壩上游立視圖如圖7所示。

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

圖8 進水口縱剖面圖

3.2 方案優缺點

這一方案的主要優點為：①調蓄水庫結合溝谷地形建設，攔水壩內進水管和泄洪沖沙管布置高程較低，庫尾攔沙坎頂高程較高，水流主流位于庫水水體底層低速回旋，可促進泥沙自然沉淀；②泄洪沖沙管所在的壩體一側為水庫最低部位，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，在壩體廊道內定期開閥即可實現庫內淤積泥沙的自動沖淤，運行管理方便。③引水工程進水口位于調蓄水庫庫尾，在平面距離上距離攔水壩較遠，有利水體泥沙沉淀；結合溝谷天然地形進水口高程設置較高，有利于取調蓄水庫內表層清水。缺點為水庫建設征地面積較大，政策處理難度相對較大。

4 無壓洞調蓄調壓地下洞庫方案

4.1 方案的提出及結構布置

調壓井或調蓄水庫不可避免需占用較大土地，利用下游輸水隧洞，擴大局部洞徑兼做狹長的無壓洞型洞內式水庫[15-16]，既可調壓調蓄、候潮取水、候發電取水，又可促進泥沙沉淀，減少下游輸水隧洞的淤積。洞庫布置在輸水隧洞首段，由無壓洞、進水管、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 洞庫調蓄調壓結構布置縱剖面圖

無壓洞為主體結構，采用城門洞型斷面，隧洞底板及邊頂拱采用鋼筋混凝土襯砌處理，襯砌結構每間隔6～12 m設施工縫，縫內設止水。隧洞向下游側放坡，以便充水時排氣及水體懸浮質沉淀后向集水坑推移。

洞口混凝土堵頭在調蓄調壓洞完工后封堵用于封閉隧洞進洞口，堵頭內部設進水管及檢修進人孔，頂部設排氣口；在靠近無壓洞末端設置集沙坑，排淤管進口位于集沙坑部位的洞壁側墻上，出口位于上游溝谷并設閥門控制排泥，開閥即可在水頭作用下排水的同時將沉淀的泥沙裹挾帶出。

4.2 方案優缺點

地下洞庫方案的主要優點為：①無壓洞不占地。蓄水洞段為常規隧洞擴挖而成，主要利用隧洞長度方向創造調蓄容積，整體為地下工程，不占用地表耕地或林地，保護范圍與擴大洞徑前的隧洞相比可忽略，政策處理難度低；②調蓄調壓水位變幅小。蓄水洞段長度方向限制條件少，可設置較大的容積，發揮高位水池的功能時，相對調蓄水庫水位變幅小，有利于提水泵站的水泵選型和下游輸水系統的穩定運行；③含泥水體沉淀效果好。擴大洞徑后的無壓洞流速低、長度大，有利于水體懸浮質沉淀后，在洞底向沉沙池推移匯集；④可實現自動沖淤。洞內設置的沖淤管開閥即可對沉沙池有效排泥，節能環保。缺點為無壓洞末端與有壓洞流態較為復雜，需對水力過渡過程進行專題研究。

5 無壓洞水力過渡過程分析

5.1 計算方法及工況

基于有壓水錘模型和明渠非恒定流理論，建立包含調壓隧洞和有壓隧洞相結合的輸水系統全線水力瞬變流模型[17-18]，計算工況詳見表1，編程數值模擬計算程序流程如圖10所示。

表1 無壓洞流態數值模擬計算工況

圖10 無壓洞流態數值模擬計算過程

5.2 計算成果

（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，無壓洞下游水位持續上升，并且上升一段時間后，無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，當下游停止取水時，約31 min后，水位上升到31 m左右，下游水位達到下游洞頂。因此，建議在相應工況下檢測無壓洞下游水位，當水位上升時，及時減小上游泵站的流量，A2工況計算成果如圖11、圖12所示。

圖11 工況A2無壓洞水面線分布

圖12 工況A2無壓洞各截面水位波動

（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，無壓洞下游水位持續下降，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下降，水位可能低于下游管路的進口，導致氣體卷入下游輸水隧洞，形成復雜的水流現象。因此，如果上游流量減小，需同步減小下游的取水量，以防止無壓洞下游水位急速降低帶來的危害。

（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，無壓洞的水位會從下游開始下降，約在7 h左右達到恒定供水狀態，但此時的水位和無壓段中的儲水量有關，不一定停留在設計情況下的水位，如果需要和設計一致，可以通過變頻泵調節。即變頻泵先減小流量，等水位和設計相近時，恢復到25 m3/s即可。

總體上，提水泵站后部采用無壓洞調蓄調壓，再連接有壓輸水隧洞結構，在各工況水流流態平穩，是可以考慮的布置方式。

6 結論

根據對甌江河口泥沙及潮汐規律以及泵站提水后采用無壓洞兼做地下洞庫調蓄調壓技術的研究，可以得出以下結論：

（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，小潮含沙量遠小于大潮和中潮含沙量，上游電站樞紐水質明顯較優，因此，泵站后部設置調蓄調壓結構有利于候潮候發電取清水。

（2）結合溝谷地形建設調蓄水庫，具有促進泥沙自然沉淀、自動沖淤、取表層清水等優點；缺點為水庫永久占地面積較大，可能存在政策處理難度。

（3）無壓洞作為地下洞庫調壓調蓄具有不占地、水位變幅小、含泥水體沉淀效果好、可實現自動沖淤等特點。計算分析成果表明不利工況下仍然保持水流形態平穩、能滿足運行要求。