引漢濟渭工程三河口抽水供水發(fā)電系統(tǒng)模型試驗

孫佳乾，張根廣，陳 隆，高 翔

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

引漢濟渭工程三河口抽水供水發(fā)電系統(tǒng)模型試驗

孫佳乾，張根廣，陳 隆，高 翔

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

【目的】 基于“引漢濟渭工程”三河口水利樞紐的水工模型試驗，研究不同抽水、供水、發(fā)電工況下連接洞、秦嶺隧洞等流道系統(tǒng)的水流流態(tài)，并確定合理的運行條件。 【方法】 對連接洞進出口及黃三隧洞、秦嶺隧洞和連接洞的控制閘處水流流態(tài)進行分析，對建筑物體型進行優(yōu)化，確定控制閘運行條件；驗證各個工況下控制閘、連接洞、豎井尾水洞的最終運行水位，從而確定抽水、供水、發(fā)電設(shè)計水位；研究在抽水和發(fā)電試驗工況下突然甩負(fù)荷和增負(fù)荷時豎井尾水洞的水位變化，保證特殊運行工況時建筑物的安全?！窘Y(jié)果】 抽水試驗中，當(dāng)黃三隧洞來流量較大 (第1、2、5工況)時，運行情況良好，流態(tài)穩(wěn)定，當(dāng)黃三隧洞來流量較小 (第3、4、6工況) 時，秦嶺隧洞進口閘室需下閘抬高水位以滿足設(shè)計的抽水流量；在供水和發(fā)電試驗工況中，大部分工況下流態(tài)平穩(wěn)，尾水洞中水位正常，當(dāng)按最大流量(70 m3/s)運行時，豎井尾水洞水位(548.10 m)則高于連接洞設(shè)計的最高水位(547.96 m)?！窘Y(jié)論】 運行抽水試驗工況時，尾水池水位宜保持在545.15 m以上；為了保證發(fā)電工況的正常運行，應(yīng)適當(dāng)增加尾水池的高度，以滿足流道的明流流態(tài)。

引漢濟渭工程；三河口水利樞紐；水工模型試驗；調(diào)水工程；水流流態(tài)；設(shè)計水位

引漢濟渭工程是陜西省境內(nèi)的一項大型跨流域省內(nèi)南水北調(diào)工程，該項目在陜南地區(qū)的漢江干流黃金峽、支流子午河分別建設(shè)水源工程，將漢江流域的水量通過穿越秦嶺的超長距離輸水隧洞調(diào)至關(guān)中地區(qū)渭河流域，是緩解近期關(guān)中渭河沿線城市和工業(yè)缺水問題的根本性措施[1-2]。同時，引漢濟渭工程也有助于解決陜西的飲水安全問題，是實現(xiàn)陜西省水資源優(yōu)化配置的重要基礎(chǔ)設(shè)施[3]。

引漢濟渭工程是國務(wù)院批復(fù)的《渭河流域重點治理規(guī)劃》中的水資源配置骨干項目，也是國務(wù)院批準(zhǔn)頒布的《關(guān)中-天水經(jīng)濟區(qū)規(guī)劃》的重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目，工程難度大、技術(shù)復(fù)雜，多項參數(shù)突破世界工程記錄，也超越了現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范[4]。該工程的實施在水庫樞紐、泵站與電站、水資源配置等方面還存在一系列亟待解決的工程技術(shù)難關(guān)，需通過科學(xué)研究加以解決[5-6]。本研究結(jié)合三河口水利樞紐工程的實際，通過水工水力學(xué)模型試驗[7]，驗證抽水、供水、發(fā)電各工況下，水流流態(tài)對水工建筑物的影響，觀察進、出口流態(tài)并進行分析，優(yōu)化建筑物體型并提出控制閘運行條件；驗證各個工況正常運行條件下整個流道的合理性，為工程設(shè)計提供運行后水面線規(guī)律以及水流運動情況；驗證在各個工況下控制閘、連接洞、尾水洞的最終運行水位，從而確定供水、抽水、發(fā)電設(shè)計水位，旨在為有效解決同類實際工程問題提供參考依據(jù)。

1 引漢濟渭工程概況

引漢濟渭工程由黃金峽水利樞紐、三河口水利樞紐及秦嶺輸水隧洞3個部分組成。其中三河口水利樞紐是引漢濟渭工程的調(diào)蓄中樞，承擔(dān)著抽水、供水、發(fā)電等任務(wù)。抽水發(fā)電系統(tǒng)由進水口、壓力管道、雙向機組電站廠房、供水閘室、尾水洞、連接洞、控制閘等組成。進水口布置于壩身右岸側(cè)壩體中，由攔污柵與進水閘2部分組成，同時為常規(guī)機組、雙向機組、減壓閥供水，設(shè)計引水流量2.71 m3/s。壓力管道布置在廠房上游側(cè)，與電站軸線平行，距離電站廠房機組中心線22.5 m，管道布置包括壩內(nèi)埋管、壩后背管段、岸坡明管段、廠區(qū)明管段。尾水由壓力尾水管、尾水洞、退水弧門閘室、連接洞等組成。壓力尾水管常規(guī)機組為矩形斷面，雙向機組為圓形斷面。尾水洞由導(dǎo)流洞改造為城門洞型斷面，退水弧門閘室設(shè)置在導(dǎo)流洞末端?？刂崎l布置在壩后右岸約300 m處，基本為“Y”型布置，以滿足黃三隧洞、秦嶺隧洞和三河口連接洞在不同工況下水流的平順銜接，控制閘為地下洞室結(jié)構(gòu)，長約60 m，寬約30 m，底高程為542.65 m。進水口末端接壓力管道，樁號0+000～0+015.154段為壩內(nèi)埋管，樁號0+015.154～0+042.518為壩后背管段，樁號0+042.518～0+198.036段為岸坡明管段，0+198.036～0+270.682段為廠區(qū)明管段[8-12]。根據(jù)試驗需要，在黃三隧洞閘室、連接洞閘室和連接洞全段共設(shè)置了13個觀測點，樁號分別為0-039.000、0-021.000、0+003.125、0+061.969、0+107.589、0+146.309、0+196.410、0+214.210、0+224.210、0+240.500、0+244.910、0+248.810、0+252.710。模型平面布置見圖1。

三河口水利樞紐最大供水流量70 m3/s，發(fā)電最大流量72.71 m3/s，抽水設(shè)計流量18 m3/s，供水閥供水最大流量31 m3/s。電站總裝機容量64 MW，廠房由2臺常規(guī)機組與2臺雙向機組組成。2臺常規(guī)機組單機裝機容量20 MW，單臺設(shè)計流量23 m3/s；2臺雙向機組單機裝機容量12 MW，設(shè)計單臺發(fā)電流量12 m3/s，單臺抽水流量9 m3/s。供水閥室安裝2臺減壓供水閥，壓力管道直徑2.5 m，單臺設(shè)計流量15.5 m3/s。控制閘由黃三隧洞工作閘門、秦嶺隧洞工作閘門、連接洞工作閘門和交通廊道組成[13-14]。

原設(shè)計方案中，豎井連接洞邊墻為直立邊墻，連接洞銜接段長30 m、寬7.44 m、高7.44 m，豎井?dāng)嗝鏋榉叫?。?jīng)模型試驗放水觀測后，對豎井連接洞邊墻、連接洞銜接段尺寸和豎井?dāng)嗝嫘螒B(tài)和尺寸進行了優(yōu)化。圖2為三河口水利樞紐模型優(yōu)化后的整體布置方案。

2 三河口水利樞紐模型的制作

2.1 模型比尺

2.2 模型制作

根據(jù)三河口水利樞紐水工模型試驗的目的，模型包括了三河口庫區(qū)的一部分及進水口、壓力管道、電站機組、供水管、尾水系統(tǒng)、導(dǎo)流洞改造的尾水洞、退水閘、連接洞、控制閘、部分黃三隧洞和秦嶺隧洞、退水閘等。三河口庫區(qū)部分長3.1 m、寬2.01 m、高2.84 m，用磚砌筑，內(nèi)部用水泥砂漿抹面，進水口、壓力管道、電站機組、供水管、尾水系統(tǒng)、導(dǎo)流洞改造的尾水洞、退水閘、連接洞、控制閘、部分黃三隧洞、秦嶺隧洞等均采用有機玻璃制作。導(dǎo)流洞改造的尾水洞長4.2 m，連接洞長5.1 m，黃三隧洞只制作了一部分約1.5 m，秦嶺隧洞部分約1.2 m。模型放線、制作、安裝精度及整個試驗過程均符合水利部《SL 155-2012水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》的要求。

2.3 試驗工況

試驗工況分抽水試驗、發(fā)電試驗和供水閥供水試驗3大類共16個工況，分別如表1、2、3所示。

注：1、3、5工況為供水15億m3方案；2、4、6工況為供水10億m3方案。

Note:Working condition 1,3,and 5 were 1.5 billion m3schemes while 2,4,and 6 were 1.0 billion m3schemes.

3 結(jié)果與分析

3.1 原設(shè)計方案試驗結(jié)果與優(yōu)化

對原方案進行試放水，并按照各工況進行試驗發(fā)現(xiàn)，抽水、供水、發(fā)電系統(tǒng)整體布置方案基本合理，引水管道及隧道中流態(tài)整體良好。但同時也存在一些問題，主要包括：在引水壓力管道充水過程中，引水管道中容易充氣形成氣囊，因此在原型引水壓力管道充水時，應(yīng)盡可能緩慢，以使管道中的氣體緩慢排出；在導(dǎo)流洞改造的尾水洞充水過程中，因?qū)Я鞫淳哂斜冉担斐韶Q井尾水洞上游段頂部充滿空氣，應(yīng)在導(dǎo)流洞上游端增加通氣孔予以解決[15]；發(fā)電、供水各工況豎井中水位高于連接洞中水位，水流從豎井進入連接洞時產(chǎn)生水面跌落，最大跌落值達 0.6 m，建議將豎井連接洞一側(cè)的直立邊墻修改為傾斜角為75°～80°的邊墻，并將邊角進行平滑處理；從三河口最大供水70 m3/s及秦嶺隧洞出口流量70 m3/s的實際觀測情況來看，豎井尾水洞水位為548.17 m，高于設(shè)計的最高水位(547.83 m)0.34 m，不能滿足明流凈空達到洞高15%的要求，建議將豎井尾水洞加高0.4 m。

基于原方案試驗結(jié)果，筆者將豎井連接洞一側(cè)的直立邊墻修改為傾斜角為80°的邊墻，將銜接段長30 m、寬7.44 m、高7.44 m的連接洞的寬度和高度均增加到9.49 m，并修改為電站尾水池。在此基礎(chǔ)之上，考慮到原型工程方形豎井?dāng)嗝媸┕さ睦щy，故將豎井橫斷面修改為直徑為6.8 m的圓形斷面。經(jīng)試放水觀察，豎井與隧洞連接處的水流流態(tài)有很大改善，不僅水面跌落較小(原型最大僅為10 cm)，并且水面變化平穩(wěn)。

3.2 優(yōu)化方案試驗結(jié)果與分析

3.2.1 抽水試驗工況 (1)秦嶺隧洞進口無閘門控制條件下抽水流量與黃三隧洞來流量的關(guān)系。優(yōu)化方案首先對黃三隧洞臨界來流量進行了試驗觀測。在秦嶺隧洞進口無閘門控制條件下，抽水流量與黃三隧洞來流量關(guān)系如表4所示。

試驗結(jié)果表明，連接洞與秦嶺隧洞分流比對秦嶺隧洞進口水位反映非常敏感，秦嶺隧洞進口水位抬高0.08～0.20 m，連接洞與秦嶺隧洞分流比實測值即與設(shè)計計算結(jié)果基本一致?？紤]到模型試驗結(jié)果和設(shè)計計算結(jié)果不可能與實際運行水位完全一致，連接洞和秦嶺隧洞分流比與秦嶺隧洞進口水位之間關(guān)系又非常敏感，以及雙向機組抽水時下池水位不能過低等問題，建議在秦嶺隧洞控制閘設(shè)置水位跟蹤設(shè)備及自動控制閘，同時解決連接洞與秦嶺隧洞分流的問題和下池水位過低可能引發(fā)的雙向機組安全隱患。

(2)秦嶺隧洞無閘門控制工況。在黃三隧洞來流量較大(抽水試驗第1、2和5工況)時，相對來流量因機組抽水流量較小，故這3個工況下秦嶺隧洞進口均未下閘控制，秦嶺隧洞和連接洞屬于自由流動，連接洞水位受秦嶺隧洞水位影響較大，連接洞和尾水池中水流流態(tài)較好，甚至很平靜，但隨著尾水池中水位和抽水流量大小的不同，尾水池中水流流態(tài)由平穩(wěn)、平靜狀態(tài)逐漸產(chǎn)生不同尺度的塌陷性漩渦。工況1抽水的尾水池中水位平穩(wěn)，流態(tài)最好，池中水流沒有形成塌陷性漩渦；工況2條件下尾水池中流態(tài)次之，水位平穩(wěn)，池中表層水流產(chǎn)生塌陷性漩渦，漩渦尺度1 m左右，位置隨時旋轉(zhuǎn)漂移；而在工況5下，尾水池中水流的流態(tài)最差，水位還比較平穩(wěn)，池中水流產(chǎn)生2.5 m左右的塌陷性漩渦。

由圖3、圖4可見，抽水試驗第1、2和5工況的水面線沿程變化基本相似，水流從控制閘進入連接洞水位有微弱跌落，在連接洞中水面由低到高之后又由高到低，沒有形成統(tǒng)一的比降，連接洞兩端水位基本一致，甚至還形成反比降。

(3)秦嶺隧洞進口閘室下閘控制工況。在黃三隧洞來流量較小(抽水試驗第3、4、6工況)時，相對來流量因機組抽水流量較大，要滿足設(shè)計的抽水流量，秦嶺隧洞進口閘室必須下閘抬高水位。試驗結(jié)果表明，抽水尾水池中水位可以穩(wěn)定在不同高程，但流態(tài)差異較大。若尾水池中水位較低，則池中流態(tài)較差，甚至比較惡劣，不利于機組安全運行；若尾水池中水位較高，則池中水流流態(tài)較好。模型試驗發(fā)現(xiàn)，要確保機組安全運行，在抽水流量為9 m3/s(抽水工況4)時，抽水尾水池最低水位宜保持在544.1 m；在抽水流量為18 m3/s(抽水工況3和6)時，抽水尾水池最低水位宜保持在544.4 m。

在尾水池最低運行水位下，抽水試驗第3、4、6工況下尾水池、連接洞及控制閘室水位沿程變化見圖3、4。從圖3、4可以看出，抽水尾水池、連接洞及控制閘室水位線沿程變化基本相似，水流從控制閘進到連接洞水位有小幅跌落，形成較大比降；在連接洞中，各工況水流各自形成近似統(tǒng)一比降，水流從連接洞進入抽水尾水池水位又略有上升，其中工況6的尾水池水流流態(tài)如圖5所示。

3.2.2 發(fā)電和供水試驗工況 由圖6、7可見，發(fā)電、供水工況各級流量連接洞中水面線變化規(guī)律基本一致。在發(fā)電、供水流量較大(工況10和16)時，豎井出流均形成涌浪，最高涌浪達0.2 m；在發(fā)電、供水流量較小(工況11、12和15)時，豎井出流看不到涌浪，尾水池中流態(tài)穩(wěn)定、水位平穩(wěn)，水流從尾水池進入連接洞產(chǎn)生0.12～0.32 m的跌落。在連接洞中，除局部彎道對水面線有影響外，整個連接洞中沿程水面比降還比較均勻，尤其是工況11、12和15。水流從連接洞進入控制閘室后水位又有所抬高，抬高幅度為0.02～0.15 m。

從三河口最大供水70 m3/s及秦嶺隧洞出口流量70 m3/s來看，尾水池與連接洞銜接漸變段實測最高水位為548.10 m，較連接洞最高水位(547.96 m)高0.14 m，水流在進入連接洞漸變段后，實測水位已低于連接洞最高設(shè)計水位。因三河口水庫供水，黃三隧洞閘室關(guān)閉，連接洞和秦嶺隧洞過流量相同，因此2個閘室流速基本相等，為0.6～2.5 m/s。

3.2.3 抽水和發(fā)電試驗特殊工況 抽水試驗工況7、8、9在雙向機組突然開機抽水和突然關(guān)機時，會引起抽水尾水池水位下降或上升，具體如表5所示。由表5可知，工況7條件下，黃三隧洞來流量62.19 m3/s，連接洞引水20.71 m3/s，機組抽水流量18 m3/s，秦嶺隧洞供水41.48 m3/s，在此運行條件下，2臺機組突然停止抽水，抽水尾水池水位平穩(wěn)上升0.5 m，沒有產(chǎn)生涌浪；工況8條件下，黃三隧洞來流量62.19 m3/s，秦嶺隧洞供水62.19 m3/s，在此運行條件下，啟動1臺機組抽水，流量為9 m3/s，此時秦嶺隧洞供水從62.19 m3/s降低到50.48 m3/s，抽水尾水池水位平穩(wěn)下降0.25 m，沒有產(chǎn)生波動；工況9是在工況8的基礎(chǔ)上，再啟動1臺機組抽水，流量也為9 m3/s，此時機組抽水流量從9 m3/s增至18 m3/s，秦嶺隧洞供水從50.48 m3/s減至41.48 m3/s，在此運行條件下，抽水尾水池水位平穩(wěn)下降0.25 m，沒有產(chǎn)生波動。

表6表明，發(fā)電試驗工況13和14條件下，4臺機組突然甩負(fù)荷和增負(fù)荷時，會引起尾水池水位下降或上升。工況13條件下，4臺機組發(fā)電流量從72.71 m3/s減小至0，實測尾水池水位平穩(wěn)下降 1.35 m，沒有產(chǎn)生波動；工況14條件下，電站發(fā)電流量由46 m3/s突然增大到72.71 m3/s，實測尾水池水位平穩(wěn)上升0.70 m，沒有產(chǎn)生涌浪。

4 結(jié) 論

本研究依據(jù)重力相似理論，設(shè)計、建立引漢濟渭工程三河口水利樞紐水工模型，通過對整個抽水、供水、發(fā)電系統(tǒng)的模型試驗結(jié)果進行分析，從水力學(xué)角度對工程的總體布置進行了評估，著重分析和驗證了抽水、供水、發(fā)電等不同工況下流道系統(tǒng)的水流流態(tài)和控制閘、連接洞、尾水洞的合理運行水位，驗證原設(shè)計方案建筑物布置的合理性并對建筑物體型進行優(yōu)化，得到了以下結(jié)論：

1)抽水、供水、發(fā)電系統(tǒng)整體布置方案合理，進、出口水流流態(tài)穩(wěn)定，連接洞及控制閘中流態(tài)良好。

2)在尾水洞充水時，因?qū)Я鞫淳哂斜冉?，造成豎井尾水洞上游段頂部充滿空氣，建議導(dǎo)流洞上游端增加直徑150 mm的通氣孔。

3)在最高水位工況下，尾水池實測水位高于設(shè)計計算值，建議適當(dāng)增加尾水池的高度，以保證流道明流流態(tài)的穩(wěn)定并創(chuàng)造更好的水流條件。

4)當(dāng)黃三隧洞向秦嶺隧洞和連接洞供水時，黃三隧洞來流量較小，導(dǎo)致閘室水位不能達到設(shè)計抽水流量要求的最低水位時，秦嶺隧洞進口閘室必須下閘抬高水位運行。

5)當(dāng)黃三隧洞向秦嶺隧洞及連接洞供水時，為保證尾水池流態(tài)滿足基本運行要求，尾水池水位宜保持在544.1 m(抽水流量9 m3/s)或544.4 m(抽水流量18 m3/s)；若要使尾水池流態(tài)更好，尾水池水位宜保持在545.15 m以上。

6)抽水、發(fā)電試驗各工況模型實測水位與計算水位基本吻合，在機組突然甩負(fù)荷或增負(fù)荷的特殊工況下，尾水池中水流上升、下降平穩(wěn)，沒有發(fā)生波動、涌浪等不良流態(tài)。最不利工況發(fā)生時，即4臺機組發(fā)電突然甩負(fù)荷，尾水池中水位平穩(wěn)下降1.35 m，未產(chǎn)生波動；2臺機組發(fā)電突然增加到4臺機組發(fā)電，尾水池水位平穩(wěn)上升0.7 m，也不會產(chǎn)生涌浪。

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Water pumping,water supply and power generation system of Sanhekou water conservancy of Water Transmission from Han River to Wei River

SUN Jia-qian,ZHANG Gen-guang,CHEN Long,GAO Xiang

(CollegeofWaterResourcesandArchitecturalEngineering,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 Based on the hydraulic model of Sanhekou water conservancy of Water Transmission from Han River to Wei River (WTHW),the research investigated the flow pattern at different water pumping, water supply and power generation conditions to obtain optimal operation conditions.【Method】 This paper determined the optimal building shape and operating conditions for control gates by analyzing the flow patterns in the inlet and outlet of the connection tunnel and control gates between Huangsan tunnel,Qinling tunnel and the connection tunnel.Then the final running water levels of the control gate,connection tunnel and shaft tailrace tunnel at all conditions were verified through experiments and the design water levels of water supply,water pumping and power generation were determined.In addition,the changes of water level of the shaft tailrace tunnel under the conditions of sudden load rejection and increase were studied to ensure safety of the hydraulic constructions at special operating conditions.【Result】 For water pumping,when the discharge from Huangsan tunnel was large(conditions 1,2 and 5),the whole system worked well and the flow pattern was stable.When the discharge from Huangsan tunnel was small(conditions 3,4 and 6),the water level should be increased by controlling the gate in the inlet chamber of Qinling tunnel to meet the designed pumping discharge.For water supply and power generation,the flow pattern was stable and the water level in the shaft tailrace tunnel was normal at most conditions.When the flow rate increased to the highest level (70 m3/s),the water level (548.10 m) in the shaft tailrace tunnel was higher than the highest designed water level (547.96 m) of the connecting tunnel.【Conclusion】 The water level of the tail water pond should be kept at a level higher than 545.15 m in water pumping conditions.To insure the normal operation of power generation,the height of the tail water pond should be increased appropriately to maintain an open-channel flow.

Water Transmission from Han River to Wei River;Sanhekou water conservancy;hydraulic model test;water transfer project;flow pattern;design water level

2014-09-05

國家自然科學(xué)基金項目(51279170)

孫佳乾(1990-),男，陜西楊凌人，在讀碩士，主要從事工程水力學(xué)及計算流體力學(xué)研究。E-mail：549060329@qq.com

張根廣(1964-)，男，山西夏縣人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事工程水力學(xué)及河流動力學(xué)研究。 E-mail：zzg64@163.com

時間:2015-01-19 09:19

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.03.023

TV131.61+3

A

1671-9387(2015)03-0211-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150119.0919.023.html