三河口水利樞紐主要技術(shù)問題和設(shè)計方案

毛擁政

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院水電分院，710001，西安）

一、三河口水庫在調(diào)水系統(tǒng)中的作用與規(guī)模

1.三河口水庫在調(diào)水系統(tǒng)中的地位作用與任務(wù)

三河口水利樞紐是引漢濟(jì)渭調(diào)水工程系統(tǒng)的重要組成部分，是引漢濟(jì)渭調(diào)水工程調(diào)水調(diào)節(jié)樞紐，也是工程運行管理的調(diào)度中樞，在工程中起著承上啟下的作用。

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

工程的主要任務(wù)是調(diào)蓄供水、結(jié)合發(fā)電等綜合利用。

2.水庫工程規(guī)模

引漢濟(jì)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(biāo)準(zhǔn)按500年一遇設(shè)計、2000年一遇校核。水庫設(shè)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(diào)節(jié)庫容6.5億m3。工程供水發(fā)電設(shè)計流量72.71 m3/s，年供水量5.5億m3，發(fā)電裝機(jī)60 MW，多年平均發(fā)電量1.325億kWh，可逆機(jī)組設(shè)計抽水流量18 m3/s，抽水裝機(jī)24 MW。

二、三河口水利樞紐設(shè)計

1.工程布置

三河口水利樞紐由大壩、壩后供水系統(tǒng)、連接洞等工程組成。

前期設(shè)計中對重力壩方案和碾壓混凝土拱壩方案進(jìn)行了比較。經(jīng)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(qiáng)、施工速度快等特點。在選定碾壓混凝土壩壩型的基礎(chǔ)上，對工程布置方案也進(jìn)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(tǒng)，設(shè)消力塘挑流消能，在大壩下游右岸設(shè)置引水發(fā)電系統(tǒng)，通過設(shè)置的連接洞將三河口水庫經(jīng)控制閘與秦嶺輸水隧洞連接。同時在由導(dǎo)流洞改建的電站尾水池內(nèi)設(shè)退水閘和生態(tài)放水管。

三河口樞紐大壩為國內(nèi)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(nèi)碾壓混凝土拱壩中排名第一。三河口泵站根據(jù)三河口樞紐抽水不發(fā)電、發(fā)電不抽水的工作特點，所選擇的小容量抽蓄機(jī)組目前國內(nèi)也未有先例。設(shè)計單位針對三河口水利樞紐的工程特點及工程布置，聯(lián)合國內(nèi)知名的大專院校和科研單位，大膽創(chuàng)新，敢于采用新技術(shù)，進(jìn)行了大量的分析計算和試驗研究，為工程關(guān)鍵技術(shù)問題的解決提供了科學(xué)依據(jù)。

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(shù)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(shè)置消力塘。消力塘底寬70 m，長 200 m。

（3）供水系統(tǒng)

供水系統(tǒng)由進(jìn)水口、壓力管道、抽水發(fā)電系統(tǒng)、尾水前池、供水閥室、連接洞等6個部分組成。

進(jìn)水口形式為壩式進(jìn)水口，常規(guī)機(jī)組、可逆機(jī)組、供水閥共用一個進(jìn)水口，采用分層取水的方式，設(shè)計引水流量72.71 m3/s。壓力管道布置分為壩內(nèi)埋管、岸坡明管段、廠區(qū)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(guī)機(jī)組，2臺雙向機(jī)組。供水閥室布置在安裝間下游側(cè)，布置2臺減壓調(diào)流閥，減壓調(diào)流閥管徑2.0 m。

尾水系統(tǒng)由退水閘、壓力尾水管、導(dǎo)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?zé)o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(tǒng)退水閘底板埋設(shè)下游生態(tài)放水管，下泄水量2.71 m3/s。

三、關(guān)鍵技術(shù)問題及解決方案

1.工程特點

①工程地處秦嶺山區(qū)峽谷地帶，為多年調(diào)節(jié)的“核心”水庫，既有供水、抽水、發(fā)電，還調(diào)節(jié)水庫本流域徑流和黃金峽水庫入庫水量，工程運行條件復(fù)雜。

②樞紐位于相對順直的峽谷段，引漢濟(jì)渭工程的系統(tǒng)需求，導(dǎo)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(guān)鍵技術(shù)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(jìn)行重點研究。

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

⑤三河口水庫泄洪規(guī)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(jù)工程規(guī)劃的需要，在水泵水輪機(jī)和常規(guī)水輪機(jī)都不能發(fā)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(guī)模在供水工程中屬于國內(nèi)第一。

2.關(guān)鍵問題及解決方案

（1）高碾壓混凝土拱壩的設(shè)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(nèi)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(nèi)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(cè)布設(shè)一部電梯通至壩頂。該攔河壩是目前國內(nèi)在建碾壓混凝土拱壩第二高壩，工程應(yīng)力控制、壩肩穩(wěn)定、分縫設(shè)計都具有很高的技術(shù)難度。工程設(shè)計認(rèn)真總結(jié)已建百米級碾壓混凝土拱壩的經(jīng)驗和教訓(xùn)，除采用傳統(tǒng)的多拱梁法外，還引入有限單元法、三維非線性穩(wěn)定分析、三維滲流場仿真分析等，對拱壩設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，較好地平衡了三河口水利樞紐拱壩體型設(shè)計的安全和經(jīng)濟(jì)問題。

碾壓混凝土拱壩施工期現(xiàn)場情況千變?nèi)f化，材料特性、氣象水文、施工條件、施工進(jìn)度等都會不斷地發(fā)生變化，施工期也會遇到各種各樣難以預(yù)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(zhì)量控制的關(guān)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(shè)符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

（2）大流量、高水頭的消能防沖設(shè)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(dá)7 350 MW；壩址區(qū)內(nèi)河谷狹窄，岸坡陡峻，泄洪消能區(qū)又位于壩肩抗力巖體范圍內(nèi)，供水系統(tǒng)廠房也布置在右岸消能區(qū)內(nèi)，泄洪消能設(shè)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(lián)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(kuò)散、總體分散歸槽的原則和方法，達(dá)到了理想的消能效果。

（3）可逆機(jī)組和常規(guī)水輪機(jī)組布置于一個廠房

三河口水利樞紐的機(jī)組分別具有抽水（向水庫補(bǔ)水）和發(fā)電（向關(guān)中地區(qū)供水）兩種運行情況，如果采用泵站和電站單獨布置，各設(shè)有單獨的水泵電動機(jī)組（水輪發(fā)電機(jī)組）、泵站（電站）廠房、壓力輸水系統(tǒng)和配電設(shè)備，需要分別建泵站和電站兩套獨立設(shè)備，土建工程量也比較大，非常不經(jīng)濟(jì)。現(xiàn)將兩者合并，在同一廠房中裝設(shè)可逆式水泵水輪機(jī)組和常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組。利用抽水蓄能的技術(shù)選用水泵水輪機(jī)機(jī)組來適應(yīng)抽水和發(fā)電兩種功能，減少設(shè)備投入和土建工程量。

（4）導(dǎo)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(dǎo)流洞、供水系統(tǒng)（含泵站、電站）都集中布置在右岸，將導(dǎo)流洞后期改為泵站的下池以及電站的尾水，在原導(dǎo)流洞的出口增設(shè)泄水閘，很好地協(xié)調(diào)了導(dǎo)流、供水、放空的布置困難，節(jié)約工程投資。

（5）小容量、高水頭變幅的水泵水輪機(jī)機(jī)組選型

三河口水利樞紐水泵水輪機(jī)單機(jī)容量12 MW，設(shè)計水頭97 m，工作范圍83～100 m，是目前國內(nèi)水頭變幅范圍最大的可逆機(jī)組。水泵水輪機(jī)設(shè)計借鑒了國內(nèi)外最新經(jīng)驗和教訓(xùn)，引進(jìn)新的設(shè)計理念和技術(shù)，利用CFD進(jìn)行水力設(shè)計和分析，通過水泵水輪機(jī)全流道模型試驗，驗證了設(shè)計成果，研究出了我國自主知識產(chǎn)權(quán)的水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。

（6）大流量、高消能率、寬運行范圍供水閥的選型與設(shè)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(fā)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(jī)組發(fā)電流量受阻時，供水最大流量6 m3/s，最小流量2 m3/s；當(dāng)庫水位在低水位544～594 m之間，機(jī)組發(fā)電水頭受阻，供水最大流量31 m3/s設(shè)計，最小流量2 m3/s。該供水閥從設(shè)計流量、管徑、消能水頭在國內(nèi)已成的工程內(nèi)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(yīng)的技術(shù)措施保證。

（7）高水頭泄洪放空底孔設(shè)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(nèi)已建成的水庫中該水頭屬于前列，安全可靠泄洪是設(shè)計中的難點。設(shè)計采用復(fù)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(jìn)水進(jìn)水口設(shè)計

為滿足三河口工程下放生態(tài)水水溫的要求，工程設(shè)計分層取水水頭100 m，是國內(nèi)最高的采用疊梁隔水閘門進(jìn)行分層取水的進(jìn)水口。進(jìn)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(jī)（1600KN-105 m），并設(shè)有清污裝置，事故閘門斜拉布置啟閉機(jī)采用固定卷揚啟閉機(jī)（QPG 5500KN-106m），鋼絲繩傾角 10°。

四、本工程的創(chuàng)新點

針對上述工程特點和技術(shù)難題，三河口水利樞紐在設(shè)計過程中，大力開展科技攻關(guān)、設(shè)計優(yōu)化及新技術(shù)、新材料的應(yīng)用等科技創(chuàng)新活動，使得技術(shù)難題得以一一化解，為工程的建設(shè)提供技術(shù)支持。

（1）工程布置富有特色

綜合壩址區(qū)秦嶺山區(qū)的地形、地質(zhì)條件，在滿足工程任務(wù)的要求下，分析引漢濟(jì)渭工程系統(tǒng)、水庫調(diào)節(jié)、泄洪消能、抽水發(fā)電、施工規(guī)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(tǒng)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(chuàng)新

如，三河口水利樞紐的機(jī)組分別具有抽水（向水庫補(bǔ)水）和發(fā)電（向關(guān)中地區(qū)供水）兩種運行情況，解決方案中將二者進(jìn)行合并，在同一廠房中裝設(shè)可逆式水泵水輪機(jī)組和常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組的方案。利用抽水蓄能的技術(shù)選用水泵水輪機(jī)機(jī)組來適應(yīng)抽水和發(fā)電兩種功能，減少設(shè)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(lián)合布置方案和變頻運行、變速運行、水泵參數(shù)選擇、水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的設(shè)計等多個技術(shù)難題。通過工程設(shè)計實施的工程實踐研究出性能優(yōu)良的水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，可以減少機(jī)電設(shè)備數(shù)量，簡化工程布置，降低造價；提高設(shè)備利用率和工程運行運行效率，有利于節(jié)能減排，同時方便工程運行管理，減少運行維護(hù)費用，提高工程建設(shè)的科技含量和技術(shù)水平。