引汉济渭工程三河口抽水供水发电系统模型试验

孙佳乾，张根广，陈 隆，高 翔

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

引汉济渭工程三河口抽水供水发电系统模型试验

孙佳乾，张根广，陈 隆，高 翔

(西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

【目的】 基于“引汉济渭工程”三河口水利枢纽的水工模型试验，研究不同抽水、供水、发电工况下连接洞、秦岭隧洞等流道系统的水流流态，并确定合理的运行条件。 【方法】 对连接洞进出口及黄三隧洞、秦岭隧洞和连接洞的控制闸处水流流态进行分析，对建筑物体型进行优化，确定控制闸运行条件；验证各个工况下控制闸、连接洞、竖井尾水洞的最终运行水位，从而确定抽水、供水、发电设计水位；研究在抽水和发电试验工况下突然甩负荷和增负荷时竖井尾水洞的水位变化，保证特殊运行工况时建筑物的安全。【结果】 抽水试验中，当黄三隧洞来流量较大 (第1、2、5工况)时，运行情况良好，流态稳定，当黄三隧洞来流量较小 (第3、4、6工况) 时，秦岭隧洞进口闸室需下闸抬高水位以满足设计的抽水流量；在供水和发电试验工况中，大部分工况下流态平稳，尾水洞中水位正常，当按最大流量(70 m3/s)运行时，竖井尾水洞水位(548.10 m)则高于连接洞设计的最高水位(547.96 m)。【结论】 运行抽水试验工况时，尾水池水位宜保持在545.15 m以上；为了保证发电工况的正常运行，应适当增加尾水池的高度，以满足流道的明流流态。

引汉济渭工程；三河口水利枢纽；水工模型试验；调水工程；水流流态；设计水位

引汉济渭工程是陕西省境内的一项大型跨流域省内南水北调工程，该项目在陕南地区的汉江干流黄金峡、支流子午河分别建设水源工程，将汉江流域的水量通过穿越秦岭的超长距离输水隧洞调至关中地区渭河流域，是缓解近期关中渭河沿线城市和工业缺水问题的根本性措施[1-2]。同时，引汉济渭工程也有助于解决陕西的饮水安全问题，是实现陕西省水资源优化配置的重要基础设施[3]。

引汉济渭工程是国务院批复的《渭河流域重点治理规划》中的水资源配置骨干项目，也是国务院批准颁布的《关中-天水经济区规划》的重大基础设施建设项目，工程难度大、技术复杂，多项参数突破世界工程记录，也超越了现有设计规范[4]。该工程的实施在水库枢纽、泵站与电站、水资源配置等方面还存在一系列亟待解决的工程技术难关，需通过科学研究加以解决[5-6]。本研究结合三河口水利枢纽工程的实际，通过水工水力学模型试验[7]，验证抽水、供水、发电各工况下，水流流态对水工建筑物的影响，观察进、出口流态并进行分析，优化建筑物体型并提出控制闸运行条件；验证各个工况正常运行条件下整个流道的合理性，为工程设计提供运行后水面线规律以及水流运动情况；验证在各个工况下控制闸、连接洞、尾水洞的最终运行水位，从而确定供水、抽水、发电设计水位，旨在为有效解决同类实际工程问题提供参考依据。

1 引汉济渭工程概况

引汉济渭工程由黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽及秦岭输水隧洞3个部分组成。其中三河口水利枢纽是引汉济渭工程的调蓄中枢，承担着抽水、供水、发电等任务。抽水发电系统由进水口、压力管道、双向机组电站厂房、供水闸室、尾水洞、连接洞、控制闸等组成。进水口布置于坝身右岸侧坝体中，由拦污栅与进水闸2部分组成，同时为常规机组、双向机组、减压阀供水，设计引水流量2.71 m3/s。压力管道布置在厂房上游侧，与电站轴线平行，距离电站厂房机组中心线22.5 m，管道布置包括坝内埋管、坝后背管段、岸坡明管段、厂区明管段。尾水由压力尾水管、尾水洞、退水弧门闸室、连接洞等组成。压力尾水管常规机组为矩形断面，双向机组为圆形断面。尾水洞由导流洞改造为城门洞型断面，退水弧门闸室设置在导流洞末端。控制闸布置在坝后右岸约300 m处，基本为“Y”型布置，以满足黄三隧洞、秦岭隧洞和三河口连接洞在不同工况下水流的平顺衔接，控制闸为地下洞室结构，长约60 m，宽约30 m，底高程为542.65 m。进水口末端接压力管道，桩号0+000～0+015.154段为坝内埋管，桩号0+015.154～0+042.518为坝后背管段，桩号0+042.518～0+198.036段为岸坡明管段，0+198.036～0+270.682段为厂区明管段[8-12]。根据试验需要，在黄三隧洞闸室、连接洞闸室和连接洞全段共设置了13个观测点，桩号分别为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。模型平面布置见图1。

三河口水利枢纽最大供水流量70 m3/s，发电最大流量72.71 m3/s，抽水设计流量18 m3/s，供水阀供水最大流量31 m3/s。电站总装机容量64 MW，厂房由2台常规机组与2台双向机组组成。2台常规机组单机装机容量20 MW，单台设计流量23 m3/s；2台双向机组单机装机容量12 MW，设计单台发电流量12 m3/s，单台抽水流量9 m3/s。供水阀室安装2台减压供水阀，压力管道直径2.5 m，单台设计流量15.5 m3/s。控制闸由黄三隧洞工作闸门、秦岭隧洞工作闸门、连接洞工作闸门和交通廊道组成[13-14]。

原设计方案中，竖井连接洞边墙为直立边墙，连接洞衔接段长30 m、宽7.44 m、高7.44 m，竖井断面为方形。经模型试验放水观测后，对竖井连接洞边墙、连接洞衔接段尺寸和竖井断面形态和尺寸进行了优化。图2为三河口水利枢纽模型优化后的整体布置方案。

2 三河口水利枢纽模型的制作

2.1 模型比尺

2.2 模型制作

根据三河口水利枢纽水工模型试验的目的，模型包括了三河口库区的一部分及进水口、压力管道、电站机组、供水管、尾水系统、导流洞改造的尾水洞、退水闸、连接洞、控制闸、部分黄三隧洞和秦岭隧洞、退水闸等。三河口库区部分长3.1 m、宽2.01 m、高2.84 m，用砖砌筑，内部用水泥砂浆抹面，进水口、压力管道、电站机组、供水管、尾水系统、导流洞改造的尾水洞、退水闸、连接洞、控制闸、部分黄三隧洞、秦岭隧洞等均采用有机玻璃制作。导流洞改造的尾水洞长4.2 m，连接洞长5.1 m，黄三隧洞只制作了一部分约1.5 m，秦岭隧洞部分约1.2 m。模型放线、制作、安装精度及整个试验过程均符合水利部《SL 155-2012水工(常规)模型试验规程》的要求。

2.3 试验工况

试验工况分抽水试验、发电试验和供水阀供水试验3大类共16个工况，分别如表1、2、3所示。

注：1、3、5工况为供水15亿m3方案；2、4、6工况为供水10亿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 结果与分析

3.1 原设计方案试验结果与优化

对原方案进行试放水，并按照各工况进行试验发现，抽水、供水、发电系统整体布置方案基本合理，引水管道及隧道中流态整体良好。但同时也存在一些问题，主要包括：在引水压力管道充水过程中，引水管道中容易充气形成气囊，因此在原型引水压力管道充水时，应尽可能缓慢，以使管道中的气体缓慢排出；在导流洞改造的尾水洞充水过程中，因导流洞具有比降，造成竖井尾水洞上游段顶部充满空气，应在导流洞上游端增加通气孔予以解决[15]；发电、供水各工况竖井中水位高于连接洞中水位，水流从竖井进入连接洞时产生水面跌落，最大跌落值达 0.6 m，建议将竖井连接洞一侧的直立边墙修改为倾斜角为75°～80°的边墙，并将边角进行平滑处理；从三河口最大供水70 m3/s及秦岭隧洞出口流量70 m3/s的实际观测情况来看，竖井尾水洞水位为548.17 m，高于设计的最高水位(547.83 m)0.34 m，不能满足明流净空达到洞高15%的要求，建议将竖井尾水洞加高0.4 m。

基于原方案试验结果，笔者将竖井连接洞一侧的直立边墙修改为倾斜角为80°的边墙，将衔接段长30 m、宽7.44 m、高7.44 m的连接洞的宽度和高度均增加到9.49 m，并修改为电站尾水池。在此基础之上，考虑到原型工程方形竖井断面施工的困难，故将竖井横断面修改为直径为6.8 m的圆形断面。经试放水观察，竖井与隧洞连接处的水流流态有很大改善，不仅水面跌落较小(原型最大仅为10 cm)，并且水面变化平稳。

3.2 优化方案试验结果与分析

3.2.1 抽水试验工况 (1)秦岭隧洞进口无闸门控制条件下抽水流量与黄三隧洞来流量的关系。优化方案首先对黄三隧洞临界来流量进行了试验观测。在秦岭隧洞进口无闸门控制条件下，抽水流量与黄三隧洞来流量关系如表4所示。

试验结果表明，连接洞与秦岭隧洞分流比对秦岭隧洞进口水位反映非常敏感，秦岭隧洞进口水位抬高0.08～0.20 m，连接洞与秦岭隧洞分流比实测值即与设计计算结果基本一致。考虑到模型试验结果和设计计算结果不可能与实际运行水位完全一致，连接洞和秦岭隧洞分流比与秦岭隧洞进口水位之间关系又非常敏感，以及双向机组抽水时下池水位不能过低等问题，建议在秦岭隧洞控制闸设置水位跟踪设备及自动控制闸，同时解决连接洞与秦岭隧洞分流的问题和下池水位过低可能引发的双向机组安全隐患。

(2)秦岭隧洞无闸门控制工况。在黄三隧洞来流量较大(抽水试验第1、2和5工况)时，相对来流量因机组抽水流量较小，故这3个工况下秦岭隧洞进口均未下闸控制，秦岭隧洞和连接洞属于自由流动，连接洞水位受秦岭隧洞水位影响较大，连接洞和尾水池中水流流态较好，甚至很平静，但随着尾水池中水位和抽水流量大小的不同，尾水池中水流流态由平稳、平静状态逐渐产生不同尺度的塌陷性漩涡。工况1抽水的尾水池中水位平稳，流态最好，池中水流没有形成塌陷性漩涡；工况2条件下尾水池中流态次之，水位平稳，池中表层水流产生塌陷性漩涡，漩涡尺度1 m左右，位置随时旋转漂移；而在工况5下，尾水池中水流的流态最差，水位还比较平稳，池中水流产生2.5 m左右的塌陷性漩涡。

由图3、图4可见，抽水试验第1、2和5工况的水面线沿程变化基本相似，水流从控制闸进入连接洞水位有微弱跌落，在连接洞中水面由低到高之后又由高到低，没有形成统一的比降，连接洞两端水位基本一致，甚至还形成反比降。

(3)秦岭隧洞进口闸室下闸控制工况。在黄三隧洞来流量较小(抽水试验第3、4、6工况)时，相对来流量因机组抽水流量较大，要满足设计的抽水流量，秦岭隧洞进口闸室必须下闸抬高水位。试验结果表明，抽水尾水池中水位可以稳定在不同高程，但流态差异较大。若尾水池中水位较低，则池中流态较差，甚至比较恶劣，不利于机组安全运行；若尾水池中水位较高，则池中水流流态较好。模型试验发现，要确保机组安全运行，在抽水流量为9 m3/s(抽水工况4)时，抽水尾水池最低水位宜保持在544.1 m；在抽水流量为18 m3/s(抽水工况3和6)时，抽水尾水池最低水位宜保持在544.4 m。

在尾水池最低运行水位下，抽水试验第3、4、6工况下尾水池、连接洞及控制闸室水位沿程变化见图3、4。从图3、4可以看出，抽水尾水池、连接洞及控制闸室水位线沿程变化基本相似，水流从控制闸进到连接洞水位有小幅跌落，形成较大比降；在连接洞中，各工况水流各自形成近似统一比降，水流从连接洞进入抽水尾水池水位又略有上升，其中工况6的尾水池水流流态如图5所示。

3.2.2 发电和供水试验工况 由图6、7可见，发电、供水工况各级流量连接洞中水面线变化规律基本一致。在发电、供水流量较大(工况10和16)时，竖井出流均形成涌浪，最高涌浪达0.2 m；在发电、供水流量较小(工况11、12和15)时，竖井出流看不到涌浪，尾水池中流态稳定、水位平稳，水流从尾水池进入连接洞产生0.12～0.32 m的跌落。在连接洞中，除局部弯道对水面线有影响外，整个连接洞中沿程水面比降还比较均匀，尤其是工况11、12和15。水流从连接洞进入控制闸室后水位又有所抬高，抬高幅度为0.02～0.15 m。

从三河口最大供水70 m3/s及秦岭隧洞出口流量70 m3/s来看，尾水池与连接洞衔接渐变段实测最高水位为548.10 m，较连接洞最高水位(547.96 m)高0.14 m，水流在进入连接洞渐变段后，实测水位已低于连接洞最高设计水位。因三河口水库供水，黄三隧洞闸室关闭，连接洞和秦岭隧洞过流量相同，因此2个闸室流速基本相等，为0.6～2.5 m/s。

3.2.3 抽水和发电试验特殊工况 抽水试验工况7、8、9在双向机组突然开机抽水和突然关机时，会引起抽水尾水池水位下降或上升，具体如表5所示。由表5可知，工况7条件下，黄三隧洞来流量62.19 m3/s，连接洞引水20.71 m3/s，机组抽水流量18 m3/s，秦岭隧洞供水41.48 m3/s，在此运行条件下，2台机组突然停止抽水，抽水尾水池水位平稳上升0.5 m，没有产生涌浪；工况8条件下，黄三隧洞来流量62.19 m3/s，秦岭隧洞供水62.19 m3/s，在此运行条件下，启动1台机组抽水，流量为9 m3/s，此时秦岭隧洞供水从62.19 m3/s降低到50.48 m3/s，抽水尾水池水位平稳下降0.25 m，没有产生波动；工况9是在工况8的基础上，再启动1台机组抽水，流量也为9 m3/s，此时机组抽水流量从9 m3/s增至18 m3/s，秦岭隧洞供水从50.48 m3/s减至41.48 m3/s，在此运行条件下，抽水尾水池水位平稳下降0.25 m，没有产生波动。

表6表明，发电试验工况13和14条件下，4台机组突然甩负荷和增负荷时，会引起尾水池水位下降或上升。工况13条件下，4台机组发电流量从72.71 m3/s减小至0，实测尾水池水位平稳下降 1.35 m，没有产生波动；工况14条件下，电站发电流量由46 m3/s突然增大到72.71 m3/s，实测尾水池水位平稳上升0.70 m，没有产生涌浪。

4 结 论

本研究依据重力相似理论，设计、建立引汉济渭工程三河口水利枢纽水工模型，通过对整个抽水、供水、发电系统的模型试验结果进行分析，从水力学角度对工程的总体布置进行了评估，着重分析和验证了抽水、供水、发电等不同工况下流道系统的水流流态和控制闸、连接洞、尾水洞的合理运行水位，验证原设计方案建筑物布置的合理性并对建筑物体型进行优化，得到了以下结论：

1)抽水、供水、发电系统整体布置方案合理，进、出口水流流态稳定，连接洞及控制闸中流态良好。

2)在尾水洞充水时，因导流洞具有比降，造成竖井尾水洞上游段顶部充满空气，建议导流洞上游端增加直径150 mm的通气孔。

3)在最高水位工况下，尾水池实测水位高于设计计算值，建议适当增加尾水池的高度，以保证流道明流流态的稳定并创造更好的水流条件。

4)当黄三隧洞向秦岭隧洞和连接洞供水时，黄三隧洞来流量较小，导致闸室水位不能达到设计抽水流量要求的最低水位时，秦岭隧洞进口闸室必须下闸抬高水位运行。

5)当黄三隧洞向秦岭隧洞及连接洞供水时，为保证尾水池流态满足基本运行要求，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)；若要使尾水池流态更好，尾水池水位宜保持在545.15 m以上。

6)抽水、发电试验各工况模型实测水位与计算水位基本吻合，在机组突然甩负荷或增负荷的特殊工况下，尾水池中水流上升、下降平稳，没有发生波动、涌浪等不良流态。最不利工况发生时，即4台机组发电突然甩负荷，尾水池中水位平稳下降1.35 m，未产生波动；2台机组发电突然增加到4台机组发电，尾水池水位平稳上升0.7 m，也不会产生涌浪。

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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

国家自然科学基金项目(51279170)

孙佳乾(1990-),男，陕西杨凌人，在读硕士，主要从事工程水力学及计算流体力学研究。E-mail：549060329@qq.com

张根广(1964-)，男，山西夏县人，研究员，博士生导师，主要从事工程水力学及河流动力学研究。 E-mail：zzg64@163.com

时间:2015-01-19 09:19

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.03.023

TV131.61+3

A

1671-9387(2015)03-0211-08

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150119.0919.023.html