无压洞地下洞库调蓄调压技术研究

董合费，黄小燕，王 生

（1. 温州市瓯江引水发展有限公司，浙江 温州 325000；2. 浙江珊溪水利水电开发有限公司，浙江 温州 325000）

1 前言

感潮河道水体泥沙含量高，设置在感潮河段的提水泵站考虑调蓄调压需要，一般在泵轴设置高位调压池[1-3]，兼做沉沙池，防淤及清淤措施[4-5]是高位调压池设计要点，特别是在泵站下游连接封闭的长距离输水隧洞[6]时，由于下游隧洞检修条件差，对调蓄调压池方案设计提出了较高的要求，温州市瓯江引水工程就是这一类型工程。该工程自瓯江河口渡船头采用泵站提水，经总长61 km的有压输水隧洞沿途向15个分水口供水，属于典型的泵站提水后长距离、多目标输水工程，系统调度控制极为复杂[7-9]，提水泵站装机5×4 500 kW，设计扬程29.46 m，最大引水流量50 m3/s。该工程水源地瓯江为浙江省第二大河，河口属强潮河口，河口段平均潮差超过4 m，最大潮差超过7 m，潮汐为不正规浅海半日潮[10-12]，取水口水体含沙量较高，且高位沉沙池场地建设条件较差，调压池设置难度较大，通过对蓄清冲淤水库设置方案的研究，为进一步节省征地，提出了利用输水隧洞改建地下水库的方案，并对无压洞接有压洞的水流形态进行了分析研究。

2 瓯江河口泥沙及潮汐规律分析

据圩仁站实测资料统计，无论丰水丰沙年、枯水少沙年，瓯江河口含沙量均呈现明显的季节性变化。丰水丰沙年汛期输沙占全年的92%，中水中沙年汛期输沙占全年的87.1%，枯水少沙年汛期输沙占全年的84.5%，水量越大，汛期所占比重越大，典型年各月平均输沙过程见图1。

图1 典型年各月平均输沙过程图

根据《引水工程取水口河段浊度变化分析专题报告》，2013年8月在瓯江上游进行了5条垂线大、中、小潮同步水文测验。自上而下有温溪、驮滩、江南及其上下游水域5条垂线大中小潮同步定点水文测验（包括潮流、含沙量、底质等资料）。测量站位布置见图2，2号测点位于渡船头取水口附近。

图2 水文测验断面分布图

涨潮与落潮期间，各断面平均含沙量如图3、图4所示。青田枢纽河段的含沙量较小，含沙量自下游向上游沿程衰减，花岩头位置一个潮的平均含沙量约为0.06～0.19 kg/m3，坝址下游500 m处一个潮的平均含沙量为0.02～0.03 kg/m3，花岩头含沙量约为青田枢纽处的3～6倍。

图3 涨潮期间沿程垂线平均含沙量变化图

图4 落潮期间沿程垂线平均含沙量变化图

渡船头取水口所在的2号测点全潮涨潮垂线平均含沙量介于0.022～0.185 kg/m3，平均0.08 kg/m3，落潮垂线平均含沙量介于0.01～0.227 kg/m3，平均0.06 kg/m3，整体而言，涨潮含沙量大于落潮含沙量，小潮含沙量远小于大潮和中潮含沙量，从减少取水水体含沙量角度分析，候潮取水非常必要。

另外，瓯江上游6.8 km已建青田水利枢纽[13]，水体含沙量建库前仅为渡船头部位的1/6～1/3，在加上建库后的沉淀作用，青田水利枢纽水质含沙量远低于渡船头取水口，青田电站装机容量3×14 MW，单台机组额定流量307.13 m3/s，电站运行方式为日调节，峰、谷时段下泄水量受发电影响不均匀，统计青田水利枢纽2019年1～12月日均发电时长见图5，候发电取清水水质可明显改善。

图5 青田水利枢纽日均发电时长统计图

因此，综合候潮取水、候青田水利枢纽发电取清水的要求，泵后调压池设置一定的容量参与调蓄，有利于取泥沙含量相对较低的瓯江河水。

3 蓄清冲淤水库设置方案

3.1 枢纽布置及结构设计

结合渡船头河岸沟谷实际地形，考虑泵后调压池取清水和可自动冲淤的要求，常规思路是设置调蓄水库[14]，枢纽建筑物由大坝、引水工程进水口、拦沙坎、进水管、泄洪冲沙管组成，如图6所示。

图6 蓄清冲淤调蓄水库布置平面图

大坝位于沟谷地形下游靠河道侧，与沟谷地形围合形成调蓄水库。考虑到进水管、泄洪冲沙管和大坝的交叉布置，大坝采用混凝土重力坝，并在坝顶设上坝公路与外部道路连通。进水管布置于大坝浅滩坝段，顶高程低于库尾拦沙坎顶高程，以保障库内水体主流位于底层。泄洪冲沙管布置在大坝深谷坝段，该坝段同时结合布置溢洪道和灌浆廊道，下游为原沟谷冲沟改造的泄洪渠，泄洪冲沙管通过设置在混凝土重力坝灌浆廊道内的阀门控制启闭，管底高程与库底基本齐平，阀门开启即可自动冲淤。调蓄水库库底可自进水管一侧向泄洪冲沙管一侧进行放坡，进一步加强底层水体在库区内的回旋淤积沉沙效果。大坝上游立视图如图7所示。

引水工程进水口位于调蓄水库库尾，采用竖井式进水口，并在库尾结合裸露的岩石或浇筑混凝土设置拦沙坎，拦沙坎顶高程高于调蓄水库库尾底高程，并在最低取水水位以下，确保具备拦沙效果的同时，正常工况都可表层取水，纵剖面图如图8所示。

图8 进水口纵剖面图

3.2 方案优缺点

这一方案的主要优点为：①调蓄水库结合沟谷地形建设，拦水坝内进水管和泄洪冲沙管布置高程较低，库尾拦沙坎顶高程较高，水流主流位于库水水体底层低速回旋，可促进泥沙自然沉淀；②泄洪冲沙管所在的坝体一侧为水库最低部位，且地形上也是泥沙最容易淤积的部位，利用高压水流的夹沙能力，在坝体廊道内定期开阀即可实现库内淤积泥沙的自动冲淤，运行管理方便。③引水工程进水口位于调蓄水库库尾，在平面距离上距离拦水坝较远，有利水体泥沙沉淀；结合沟谷天然地形进水口高程设置较高，有利于取调蓄水库内表层清水。缺点为水库建设征地面积较大，政策处理难度相对较大。

4 无压洞调蓄调压地下洞库方案

4.1 方案的提出及结构布置

调压井或调蓄水库不可避免需占用较大土地，利用下游输水隧洞，扩大局部洞径兼做狭长的无压洞型洞内式水库[15-16]，既可调压调蓄、候潮取水、候发电取水，又可促进泥沙沉淀，减少下游输水隧洞的淤积。洞库布置在输水隧洞首段，由无压洞、进水管、洞口混凝土堵头、集沙坑、排淤管、通气孔等组成，纵剖面如图9所示。

图9 洞库调蓄调压结构布置纵剖面图

无压洞为主体结构，采用城门洞型断面，隧洞底板及边顶拱采用钢筋混凝土衬砌处理，衬砌结构每间隔6～12 m设施工缝，缝内设止水。隧洞向下游侧放坡，以便充水时排气及水体悬浮质沉淀后向集水坑推移。

洞口混凝土堵头在调蓄调压洞完工后封堵用于封闭隧洞进洞口，堵头内部设进水管及检修进人孔，顶部设排气口；在靠近无压洞末端设置集沙坑，排淤管进口位于集沙坑部位的洞壁侧墙上，出口位于上游沟谷并设阀门控制排泥，开阀即可在水头作用下排水的同时将沉淀的泥沙裹挟带出。

4.2 方案优缺点

地下洞库方案的主要优点为：①无压洞不占地。蓄水洞段为常规隧洞扩挖而成，主要利用隧洞长度方向创造调蓄容积，整体为地下工程，不占用地表耕地或林地，保护范围与扩大洞径前的隧洞相比可忽略，政策处理难度低；②调蓄调压水位变幅小。蓄水洞段长度方向限制条件少，可设置较大的容积，发挥高位水池的功能时，相对调蓄水库水位变幅小，有利于提水泵站的水泵选型和下游输水系统的稳定运行；③含泥水体沉淀效果好。扩大洞径后的无压洞流速低、长度大，有利于水体悬浮质沉淀后，在洞底向沉沙池推移汇集；④可实现自动冲淤。洞内设置的冲淤管开阀即可对沉沙池有效排泥，节能环保。缺点为无压洞末端与有压洞流态较为复杂，需对水力过渡过程进行专题研究。

5 无压洞水力过渡过程分析

5.1 计算方法及工况

基于有压水锤模型和明渠非恒定流理论，建立包含调压隧洞和有压隧洞相结合的输水系统全线水力瞬变流模型[17-18]，计算工况详见表1，编程数值模拟计算程序流程如图10所示。

表1 无压洞流态数值模拟计算工况

图10 无压洞流态数值模拟计算过程

5.2 计算成果

（1）在A1、A2工况，上游泵站提水流量保持不变，而下游取水流量减小，无压洞下游水位持续上升，并且上升一段时间后，无压隧洞中的水位整体上升。下游流量减小越多，水位上升越快，当下游停止取水时，约31 min后，水位上升到31 m左右，下游水位达到下游洞顶。因此，建议在相应工况下检测无压洞下游水位，当水位上升时，及时减小上游泵站的流量，A2工况计算成果如图11、图12所示。

图11 工况A2无压洞水面线分布

图12 工况A2无压洞各截面水位波动

（2）在A3工况，上游泵站提水流量减小到25 m3/s，而下游取水流量不变，无压洞下游水位持续下降，并且尾部下降到临界水深以下，形成跌落，在下游连接的陡坡处可能形成一定的水跃；由于下游的水位持续下降，水位可能低于下游管路的进口，导致气体卷入下游输水隧洞，形成复杂的水流现象。因此，如果上游流量减小，需同步减小下游的取水量，以防止无压洞下游水位急速降低带来的危害。

（3）在A4工况，上游泵站提水流量减小到25 m3/s，下游阀取水量在5 min同步减小到25 m3/s，无压洞的水位会从下游开始下降，约在7 h左右达到恒定供水状态，但此时的水位和无压段中的储水量有关，不一定停留在设计情况下的水位，如果需要和设计一致，可以通过变频泵调节。即变频泵先减小流量，等水位和设计相近时，恢复到25 m3/s即可。

总体上，提水泵站后部采用无压洞调蓄调压，再连接有压输水隧洞结构，在各工况水流流态平稳，是可以考虑的布置方式。

6 结论

根据对瓯江河口泥沙及潮汐规律以及泵站提水后采用无压洞兼做地下洞库调蓄调压技术的研究，可以得出以下结论：

（1）渡船头取水口位于青田水利枢纽下游的感潮河段，涨潮含沙量大于落潮含沙量，小潮含沙量远小于大潮和中潮含沙量，上游电站枢纽水质明显较优，因此，泵站后部设置调蓄调压结构有利于候潮候发电取清水。

（2）结合沟谷地形建设调蓄水库，具有促进泥沙自然沉淀、自动冲淤、取表层清水等优点；缺点为水库永久占地面积较大，可能存在政策处理难度。

（3）无压洞作为地下洞库调压调蓄具有不占地、水位变幅小、含泥水体沉淀效果好、可实现自动冲淤等特点。计算分析成果表明不利工况下仍然保持水流形态平稳、能满足运行要求。