三河口高拱坝双向进水口设计优化

赵 玮,谭迪平,王 芸

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710011)

1 概况

1.1 工程概况

三河口水利枢纽是引汉济渭工程(一期)三大部分(黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽、秦岭输水隧洞)之一，是引汉济渭工程的核心调蓄水源工程。枢纽主要由碾压混凝土双曲拱坝、泄洪消能系统、供水系统和连接洞等组成。

三河口水利枢纽大坝为碾压混凝土拱坝，最大坝高145 m，据国内同类坝第二，水库总库容7.1 亿m3，水库正常蓄水位643.00 m，校核洪水位644.70 m，死水位558.00 m，特枯年运行最低死水位544.00 m，水库水位高大变幅达100 m 数量级，据国内前列。

1.2 进水口功能任务

引汉济渭(一期)工程以汉江干流黄金峡水库及其支流子午河三河口水利枢纽的水库为水源，在允许可调水量限制情况下，由黄金峡水利枢纽泵站自黄金峡水库提水，调水15 亿m3，多年平均在黄金峡水利枢纽的水库断面调水约9.6 亿m3，在三河口水利枢纽的水库断面调水约5.5 亿m3，共同满足调水15 亿m3的任务要求。当黄金峡泵站抽水流量小于受水区需水要求时，由三河口水利枢纽的水库通过连接洞补充供水至秦岭输水隧洞;当黄金峡泵站抽水流量大于受水区需水要求时，多余的水量通过连接洞由三河口泵站抽水入三河口水利枢纽的水库存蓄。三河口水利枢纽的水库内供水是通过其坝后电站“先发电、后供水”，发完电的尾水通过连接洞进入越岭隧洞段，供往陕西省关中受水区。

引汉济渭(一期)工程调水以远期多年平均调水量15 亿m3确定工程建设规模，其调水原则为“以供定需“。在充分发挥黄金峡水利枢纽的水库调蓄库容，调水区与受水区四水源联合进行水量调节，在满足工程任务情况下，调水15 亿m3方案泵站抽水流量为70 m3/s。根据调水15 亿m3方案的调节过程，水库调向关中受水区的流量为70 m3/s。

修建三河口水利枢纽后，工程所在的子午河除河道内生态用水外，干流无其他用水要求，根据多年平均流量的10%，确定三河口坝址下游河道需预留的生态基流为2.71 m3/s。

在黄金峡水利枢纽水库引水量富裕时，三河口水利枢纽需最大存入其水库的抽水设计流量18 m3/s。

因此，综合以上论证，三河口水利枢纽进水口设计流量按72.71 m3/s 进行设计。

2 进水口布置方案

2.1 布置条件

根据引汉济渭(一期)工程的任务和总体布局要求，三河口水利枢纽作为工程两个水源地之一，需要设置专门的引水系统，三河口水利枢纽选定的坝址位于陕西省汉中市佛坪县与安康市宁陕县交界的子午河中游峡谷段，坝址区坝址处河谷呈“V 形”，两岸地形基本对称，山体雄厚，自然边坡坡度35°～50°。坝区河床高程525.7 m～528.7 m，谷底宽79 m～87 m，设计坝顶高程处河谷宽约325 m。

坝址区局部有二级基座阶地的残留堆积，堆积层上部为厚1 m～2 m 壤土，下部为卵砾石层。坝区河床砂卵石覆盖层厚6.5 m～7.2 m，最大厚度11 m。坝基岩体主要为变质砂岩夹薄层结晶灰岩，岩体表面强风化带垂直厚度1 m～2 m。强风化岩体属Ⅴ类坝基岩体;弱风化岩体属Ⅲ类坝基岩体;微风化岩体属Ⅱ类坝基岩体。坝基分布有1 条断层f14，f14走向与坝轴线斜交，产状285°∠75°，断层破碎带宽度0.2 m，断面平直，充填糜棱岩及断层泥。坝基无软弱夹层，发育的断层f14与岩层产状没有形成不利于坝基抗滑稳定的组合，但断层破碎带和影响带岩体质量较差，属Ⅴ类坝基岩体。

在分析坝址地形、地质和水库的运行要求情况下，设计主要研究了两种进水口设计方案，一种为岸坡塔式进水口，另一种为与大坝结合的进水方式。

2.2 布置方案选择

岸坡塔式进水口设计方案即在右坝肩岸坡开挖引水隧洞，进口修建专门的放水塔，经初步布置发现，岸坡塔式的隧洞要在从大坝右坝肩的下部穿过，进口高程虽然与导流洞位置距离较远但在出口处与导流洞基本重合，且右坝肩下地质裂隙发育，断层较多，在施工电站压力管道时要与导流洞产生一定的矛盾，在隧洞开挖时与电站的施工也产生相互影响。

采用与大坝结合的设计方案，隧洞在穿过大坝后，压力管道管床布置在坝后消力塘的边坡上部，不用隧洞开挖，在开挖消力塘后可以直接施工压力管道，与大坝和消力塘施工没有矛盾，施工方便，对工期没有较大影响。与大坝结合方式进水口则是直接在坝身上修建放水塔，后接坝内埋管的型式。

经过分析和比较，对主要建筑物之间的碰撞分析，施工工期的影响，在供水量相同的情况下，岸坡塔式方案因在山体里开挖岩石隧洞且右坝肩地质条件较差，成洞条件不好，与主要建筑物相互矛盾，影响工期;再对经济方案初步进行了比较，岸坡式投资较大，在隧洞施工时对电站施工影响较大，使电站工期加长，经过综合比较，推荐选择进水口与坝体结合的进水方式。

3 进水口设计优化

3.1 结构设计优化

根据整个三河口水利枢纽建筑物的布置的特点，引水系统进水口布置于坝身右岸侧坝体中，进水口为竖井式，由直立式拦污栅、喇叭口、闸室等组成，进口高程543.00 m，设计引水流量72.71 m3/s。闸室后接坝内埋管，出坝体后接压力主管道，主管道直径4.5 m，长度142.4 m，先后分别接电站岔管和减压阀岔管。为了引水水质和保护下游生物，有利于鱼类和其他生物生长，在综合分析后采用分层取水的方式。

进水口金属结构部分由拦污栅与进水闸两部分组成。为了保证电站的安全和下游引水的质量，在进水口设置一道拦污栅和一套机械清污设备。拦污栅整体高度为102.5 m，因进水口要兼顾出水口，在水流通过拦污栅时的流速小于1 m/s，分层取水口可有效避免产生涡流的发生。在拦污栅后接分层取水闸门，分层取水闸门分上下两部分，下部取水闸门由5 节9.8 m×7.5 m(高×宽)的叠梁门组成，控制高程543.0 m～582.5 m的水层;其后部为上层取水口，5 扇叠梁门， 控制高程586.0 m～635.0 m 的水层。取水闸门后部接连通竖井，竖井底部通过渐变段与进水闸相通，闸室宽4.5 m，设一孔口尺寸为4.5 m×7.5 m(宽×高)的事故检修门。

事故检修门后采用椭圆圆弧曲线，空口高由8.1 m 渐变为4.5 m，后接4.5 m×4.5 m 的方形压力洞，后与供水系统厂房压力管道相连。

供水系统进水口从充分利用水库效益和保护下游生态生物等多方面考虑，对三河口电站进水口工作闸门运行状况进行了模拟运行试验，运行方式为，由高到低，逐级减少。在保证72.71 m3/s 的引水流量，最少每一闸门上水深要达到3.2 m，在库水位达到638.2 m 时必须打开最上面一级的叠梁工作闸门。

3.2 设计技术特点

三河口水利枢纽进水口上、下分层取水设计充分考虑了工程在建成后水库的水温呈现垂直分布的特点，合理控制下泄水温对下游生态的影响，有利于对环境和生物的保护。以三河口高坝高水头的情况采用上、下双层取水闸门在全国水利水电工程同类工程设计中属首次，在运行时，因为采用双层门槽设计，有方便运行管理，并方便叠梁门库和放水塔的布置。

设计采用上、下双层闸门分层取水，有利于闸门安全运行和检修，减小了进水口安全风险。上、下双层闸门在上部闸门出现故障时，能及时打开下部闸门，保证工程供水和电站安全运行。事故检修门的轴线，斜向深入库区方向84°，有效的减少上部检修平台的长度，避免坝体向上游外悬过多，减少了进水口工程量和投资，有利于结构抗震安全。

图1 进水口剖面设计图

4 结语

三河口水利枢纽进水口适应双向水流和大变幅水头的情况，水库与坝体之间设置拦污栅、上层隔水(工作)闸门、闸门隔离墩、上层隔水(工作)闸门和检修闸门。该进水口结构不仅适用于大变幅水头，而且适用于双向水流，同时占用空间小，施工和管理运行难度低，工程造价低，便于投入实际使用，管理运行方便，同时，该设计技术也申请了国家实用新型专利(专利号:ZL202021932046.4“一种适应双向水流和大变幅水头的进水口结构”)。三河口水利枢纽适应双向水流和大变幅水头的进水口结构可为类似工程设计提供专利技术支持和技术参考。