牛欄江—滇池補水工程關鍵技術綜述

任恒欽 晏 欣

(1.云南省調水中心， 云南 昆明 650051；2.云南省牛欄江—滇池補水工程建設指揮部， 云南 昆明 650051)

牛欄江—滇池補水工程關鍵技術綜述

任恒欽1，2晏 欣1

(1.云南省調水中心， 云南 昆明 650051；2.云南省牛欄江—滇池補水工程建設指揮部， 云南 昆明 650051)

牛欄江-滇池補水工程是一項系統工程，規模大、戰線長、類型多、技術難度大，開展了一系列科學試驗及研究工作。對溢洪道階梯消能工、高地震烈度區高壩抗震措施、大直徑錐形消能閥、單級單吸高揚程大容量立軸離心泵、立軸大功率變頻同步電機、大容量變頻裝置、泵站廠房結構振動控制設計、大跨度U形預應力渡槽、輸水線路穿越小江活動性區域斷裂方案等內容開展了深入研究，為工程的順利建設奠定堅實基礎，確保工程順利建成，運行安全可靠。

牛欄江—滇池補水工程； 關鍵技術； 研究

1 工程概況

牛欄江—滇池補水工程是滇池流域水環境綜合治理六大工程措施的關鍵性工程, 在實施環湖截污、入湖河道整治等綜合治理措施的基礎上，實施該工程可有效增加滇池水資源總量和提高水環境容量，加快湖泊水體循環和交換，對于治理滇池水污染、改善滇池水環境具有十分重要的作用。工程主要任務為: 近期重點向滇池補水，改善滇池水環境和水資源條件，配合滇池水污染防治其他措施，達到規劃水質目標，并具備為昆明市應急供水的能力；遠期(2030年)主要任務向曲靖市供水，并與金沙江調水工程共同向滇池補水，同時作為昆明市的備用水源。

工程位于云南省曲靖市和昆明市境內，主要由德澤水庫樞紐、干河泵站提水工程和輸水線路工程組成，德澤水庫蓄水經提水泵站至出水池通過輸水線路自流至盤龍江進入滇池。工程多年平均設計引水量5.72億m3，年補水量5.66億m3。工程總投資為84.26億元，中央預算內投資定額補助33億元，由云南省包干使用、超支不補，其余投資由云南省負責籌集落實。

2 工程布置及規模

2.1 德澤水庫樞紐

德澤水庫位于曲靖市沾益縣境內的牛欄江干流上，距離昆明市173km，水庫正常蓄水位1790.00m，水庫設計洪水位為1791.49m，校核洪水位1793.91m，死水位1752.00m，相應死庫容1.89億m3，總庫容為4.48億m3。水庫樞紐由德澤大壩、溢洪道、導流泄洪隧洞、發電放空隧洞、壩后電站、干河泵站組成。溢洪道布置在左岸，泄洪隧洞布置在右岸，以龍抬頭和導流洞后段結合，發電放空隧洞布置于大壩左岸、溢洪道右側山體中。

大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程1796.30m，最大壩高142.4m，壩頂長386.9m、壩頂寬12m，上游壩坡1∶1.4、下游平均壩坡1∶1.55；發電放空隧洞進口底板高程1680.00m，全長898m，其中進口段長21m，洞身長740m，出口明管段長137m，直徑2.8m，末端設DN2800mm錐型放空閥；溢洪道為開敞式實用堰，堰頂高程1781.00m，堰寬13m，閘門控制尺寸13m×9.7m，總長696.2m，最大泄量Q=1148.0m3/s，底流消能；泄洪隧洞和導流洞以龍抬頭結合，全長659.0m，洞身長426.2m，進口底板高程1725.00m，5.6m×5.0m弧形工作閘門控制泄流量，最大泄量Q=872.0m3/s，底流消能。壩后電站總裝機2×10MW，多年平均發電量0.92億kW·h。

2.2 干河泵站

干河泵站位于曲靖市會澤縣田壩鄉和昆明市尋甸縣河口鄉交界處，布置在德澤水庫庫尾，距德澤水庫壩址17.7km，采取一級提水，安裝4臺泵組(三用一備)，水泵單機功率22.5MW，總裝機容量90MW，設計流量23m3/s，最大提水揚程233.30m，設計揚程221.20m。泵組采用單級單吸立式離心泵，型號PHLA1077—LJ—206，單泵設計流量7.67m3/s；立軸三相交流變頻同步電動機，型號TLBP22500—10，額定功率22.5MW；電壓源型變頻器，型號ACS6000，額定容量23MW、額定電壓≥3kV。

2.3 輸水線路

輸水線路位于牛欄江左岸，起點為干河隧洞進口，末端為盤龍江3km處的瀑布公園。輸水線路設計流量為23m3/s，底坡i=1/2000，總長度115km，主要由隧洞、箱涵、倒虹吸、渡槽等組成，其中隧洞長104.282km，占線路總長的90.67%；渠道有6條，長8.234km；倒虹吸有2座，長1.426km；渡槽有1座，長1.065km。線路首端干河隧洞進口底板高程1973.18m，輸水線路落點位于北京路橋涵西側出口130m(直線距離)，落點高程1911.30m。

3 工程技術研究

工程是跨區域、跨流域、多層面的水資源系統配置工程，工程特點大規模、長戰線、多種建筑物類型、技術難度大，在可行性研究和初步設計階段，依托設計技術力量同時，與國內知名院校、科研單位合作，開展工程技術重點及難點問題攻關。

3.1 溢洪道泄槽階梯消能工

階梯式消能工是一種新型消能技術，它改變了將水流能量輸送至下游集中消除的傳統消能方式，在溢流泄槽上專門設置系列階梯，當水流流過階梯時，階梯角和水流之間形成一個橫軸漩渦，漩滾消能，達到簡化下游消能設施、節省工程投資目的，具有良好的經濟效益。

對于溢洪道泄槽表面設置系列階梯的型式，國內外已在水利水電工程中使用，但其水力參數比較小，消能水頭多為30～40m，下泄流量也多在100m3/s以下；超過80m以上水頭，且流量較大的工程較為罕見。德澤水庫溢洪道最大下泄水頭134.41m，最大下泄流量1148m3/s，最大下泄單寬流量88.31m3/(m·s)，最大泄洪功率1500MW。如果采用常規的消力池消能，由于下泄動能較大，且工程所處地質條件較差，為粉砂巖、泥巖頁巖互層，允許沖刷流速較小，消力池工程量及投資巨大。

通過設計論證、水工模型驗證，采用溢洪道泄槽表面設置階梯的型式，泄洪過程中，可消除部分或大部分動能，降低抗沖耐磨難度，縮短消力池長度，達到節約投資的目的。通過大量的系統模型試驗和理論分析，并輔以數值模擬，獲得不同體型參數，如：坡度、摻氣設施型式、階梯數、階梯高度與水力要素之間的關系以及變化規律，提出摻氣效果良好、抗空蝕性能優越的優化布置型式。通過原型觀測，各項水力學指標均符合一般規律，溢洪道運行正常。

3.2 高地震烈度區高壩抗震措施

德澤水庫面板堆石壩最大壩高142.2m，抗震設防類別為甲類，100年超越概率2%的地表地震動峰值加速度為0.417g，大壩地震設計烈度為9度。根據大壩三維非線性動力反應分析成果，為提高壩體抗震能力，結合國內工程經驗，適當增加壩頂寬度；采用上部緩、下部陡的壩體斷面；采用較高的壓實標準，特別是減小次堆石區的孔隙率，以提高堆石體密度，主、次堆石孔隙率均按小于20%控制；垂直縫間設置復合橡膠板，以吸收地震力；在1796.30～1766.30m高程間、距壩頂30m范圍內的下游壩坡護坡采用0.5m厚M7.5漿砌石襯砌；在離壩頂23.2m范圍內的壩體中鋪設土工格柵等工程抗震措施。在遭遇設計地震時，德澤水庫混凝土面板堆石壩不會發生嚴重破壞引發次生災害，在強震時有局部損壞，可修復使用。大壩震害會減輕，不會影響大壩的整體安全。

3.3 大直徑錐形消能閥

德澤水庫樞紐工程是整個工程的龍頭，發電放空隧洞放空錐形閥水頭高(超過160m)、直徑大(超過2.5m)，在中國屬超高水頭設備，設備運行中的振動、氣蝕、沖刷、止水、支承等問題對以后工程實際運行的安全影響很大。從工程泄水放空設備選型入手，對比了弧形閘門和錐形閥的可靠性與經濟性，得出錐形閥更適用于該工程；通過模型試驗、CFD數值模擬、現場原型試驗的方式，深入研究了DN2800錐形閥在運行中的氣蝕、止水、振動、操控等問題，取得了以下研究成果：

a.錐形閥現場運行時，當閥門開度增至60%時，過閥流量已達到工程設計所要求的泄水流量130m3/s，流速接近22m/s，完全滿足工程補水排放要求。

b.錐形閥在大開度下的排放系數較高，排放性能較好；且閥門在大開度下運行時，閥體內部壓力流場較均勻，不易發生空蝕，閥體振動較小。因此應盡量控制閥門在大開度下運行，提高閥門運行穩定性。

c.模型試驗中，配備導流罩的錐形閥排放性能明顯優于配直管段錐形閥。從現場運行來看，為錐形閥配置導流罩，可提高消能效果，減小對下游的沖刷，有助于錐形閥的運行穩定。

d.現場測試工況下，補氣與否對錐形閥排放系數的影響不大，但補氣能減小錐形閥運行時的閥體振動，表明補氣抑制了氣蝕的產生與破壞，更有利于錐形閥的運行安全。

3.4 單級單吸高揚程大容量立軸離心泵

干河泵站最高揚程233.31m、設計引用流量23m3/s，單泵電機容量22.5MW，采用單級單吸立式離心泵。目前中國尚無類似規模的大型泵組制造和運行業績，國外同類水泵業績也較少，水泵的選型設計、設備制造、運行維護在國內外均是難點。通過與日本日立公司、荏原公司及德國安德里茨公司、哈爾濱電機廠等知名企業技術交流，掌握各生產廠家的設計、研發、制造能力及工程投運情況，以萬家寨引黃工程水泵的工程經驗為依托，通過中國水科所、哈電研究所針對該工程所做的CFD模擬分析、轉輪實驗模型、水泵泥沙磨損試驗及預估分析等技術咨詢討論分析，綜合各方面因素后最終研究選定單級單吸離心泵。

通過選型設計、水力優化設計、模型試驗研究等研發環節，設計了不同轉速的多個試驗模型水泵，制作了8個模型水泵作為研發優化研究對象，經多輪CFD優化設計和模型試驗分析比較、修型研究以及全流道匹配優化設計，最終設計出滿足泵站技術要求、具有最佳水力性能的優秀水泵模型。經模型水泵驗收試驗和水力機械實驗室FP3中立試驗臺復核試驗后，開發設計出定型型號為PHLA1077—LJ—206的高揚程單吸單級立式離心泵，原型水泵最高效率達93.27%，各項參數指標達到國際領先水平，填補了中國大型離心泵自主研發的技術空白，實現了自主研發及技術創新，顯著提升了中國大型離心泵的研發制造水平，推動中國水泵行業的技術進步。

3.5 立軸大功率變頻同步電機

工程采用自主研發的中國最大功率的立軸變頻調速同步電機。通過改變電機的通風方式、磁極繞組加散熱匝、風葉形式特殊設計等措施，有效解決電機散熱問題。為了消除變頻電源運行中產生的諧波對系統穩定運行的影響，對電機定子結構、電氣及機械性能進行了動力優化設計，提出了新的定子整數槽繞組的結構形式，解決了分數槽繞組磁動勢分數次諧波和主極磁場相互干擾的關鍵技術問題。匹配了電機定子與機座結構的固有頻率，降低了電機的風阻，改善了電機的通風條件，有效控制了電機產生的機械、電磁振動對系統的影響。

該電機解決了大功率變頻電動機散熱、絕緣、電磁設計、高效率、結構設計等關鍵技術難題，填補了中國泵用立軸大功率變頻調速同步電機技術的空白。

3.6 大容量變頻裝置

根據水泵運行工況的要求，水泵采用變頻調速運行，電機單機容量達22.5MW，目前超過20MW的大容量變頻器及驅動電動機在提水泵站中的應用中國尚屬首次，國外亦不多見，主要集中在冶金行業和軍工企業內。大容量中高壓變頻器價格昂貴，在工程投資中占有不小比重，且結構復雜，包含輸入變壓器、濾波器、功率柜、可控硅等，制造技術和工藝要求高。目前中國制造并已投運的變頻裝置容量最大僅達10MW，20MW以上大容量變頻器中國尚處于研制階段，無成熟的運用經驗

通過與國外多家知名企業多次技術交流，掌握主要廠家的設備性能、特點及結構型式，借鑒萬家寨引黃工程水泵變頻運行經驗，以及國內冶金、化工和軍工企業20MW以上大功率變頻調速運行經驗，邀請國內專家進行技術咨詢，最終通過招標選定瑞士某公司生產的ACS6000電壓源型變頻器。

3.7 泵站廠房結構振動控制設計

干河泵站屬于大型泵站，從水力系統到廠房結構動力設計均尚無國家規程、規范或標準可依，參照中國已投入運行的抽水蓄能電站的運行情況，其機組或廠房結構在機組工況變遷的過程中，均不同程度存在振動問題。泵站泵組轉速高、軸系長、運行水頭變幅大、運行工況復雜，為預測和評價水泵在不同運行工況對廠房結構可能帶來的安全隱患和不穩定因素，避免廠房結構在工況變遷過程中發生超常規振動，創新性地提出了復雜廠房結構的“錯頻減振”控制技術，即通過結構動力優化設計，錯開結構主要自振優勢頻率與機組暫態過程的脈動優勢頻率，從而達到削減或控制結構振動峰值的目的。

3.8 高地震烈度區軟土地基大型渡槽結構方案

普沙渡槽位于昆明市嵩明縣主城規劃區內，因而要求渡槽跨度能盡量大且槽身結構型式盡量輕盈美觀，從而符合城市景觀的要求；同時，橫跨普沙河古河道內，地基較為軟弱，且該區域處于高地震烈度區，其場地地震設計加速度為0.338g。普沙渡槽采用跨度為25m，槽壁厚為30cm，槽身為“U”形預應力結構，減少了混凝土結構尺寸，單位長度自重很輕，大幅度提高了渡槽跨度，滿足城市景觀、跨越普沙河段跨度以及普沙河邊現狀道路和規劃公路等要求，結構受力條件和抗震性能較好，施工方便。

3.9 輸水線路穿越小江活動性區域斷裂方案

工程穿越小江活動斷裂帶中段的東支和西支，兩斷裂均為全新世活動斷裂,構造變形量大、地震烈度高。區域活動性斷裂帶具有規模大、蠕滑變形、突發地震變形等特點，變形量較大，帶來結構較高的變形適應性要求。為適應區域活動性斷裂帶變形隧洞采用錨桿+掛網噴混凝土+鋼拱架的全斷面二次襯砌支護方式，倒虹吸跨越主斷裂帶不設置鎮墩，雙向聚氟乙烯雙向滑動支座，固定支座及適應能力較強復式萬向型波紋管伸縮節(每個可適應變形100mm)配套協調布置。

4 結 語

開工建設后，針對工程建設過程中遇到技術重點及難點，參建單位也開展了一系列科學試驗與研究。如：大壩混凝土面板施工、水庫帷幕灌漿試驗、壩料碾壓復核試驗、深斜井混凝土運輸方式。為提高重大技術問題決策能力，聘請國內、省內從事水利水電工程建設的各相關專業資深技術專家，組建專家委員會，并委托專業咨詢中心進行專項技術咨詢，組織開展了溢洪道高邊坡支護方案、泵站地下主廠房帷幕灌漿、引水隧洞通過暗河涌水帶、輸水線路不良地質洞段(淺埋、涌水、突泥等)處理方案、新增支洞方案等重大技術問題攻關。這些關鍵技術問題的解決，有效控制了工程質量、進度及投資，提供強有力的技術支撐，確保工程順利建成，運行安全可靠。工程于2013年12月28日正式投產運行，截至2016年9月底，已累計補水滇池15.1億m3，工程運行良好，通過向滇池補充穩定優質水源，配合昆明市已經實施的環湖截污、入湖河道整治等綜合治理措施，滇池水體污染指數明顯下降，水質得到顯著改善，生態補水效益明顯。同時，牛欄江水通過盤龍江河道匯入滇池，清澈的上游來水極大程度地凈化了盤龍江，對昆明市的市容建設與生態環境改善都產生了積極作用，社會反映良好。

[1] 劉加喜.實施牛欄江—滇池補水工程讓高原明珠重現光彩[J].人民長江,2013,44(12):1-4.

[2] 梅偉,鄭銘.德澤水庫溢洪道階梯式消能設計[J].人民長江,2013,44(12):14-16.

[3] 李云,何偉,朱國金.輸水線路關鍵技術問題初探[J].人民長江,2013,44(12):31-36.

[4] 李云,何偉,朱國金.牛欄江—滇池補水工程技術管理探悉[J].人民長江,2013,44(12):95-98.

Overview of key technology in Niulanjiang-Dianchi Water Compensation Project

REN Hengqin1，2, YAN Xin1

(1.YunnanWaterTransferCenter,Kunming650051,China; 2.YunnanNiulanjiangDianchiWaterCompensationProjectConstructionHeadquarters,Kunming650051,China)

Niulanjiang-Dianchi Water Compensation Project is a systematic project, which is characterized by large scale, long frontline, diversified categories and high technical difficulty.A series of scientific experiments and research are implemented.Spillway ladder energy dissipation work, high dam seismic measures in high earthquake intensity area, large diameter cone-shaped energy dissipation valve, single-stage single-suction high-lift large-capacity vertical shaft centrifugal pump, vertical-shaped high power frequency conversion synchronous motors, large capacity frequency converter, pump station workshop structure vibration control design, large-span U-shaped prestressed aqueduct, fracture plan of water diversion routes crossing through small river active region are studied deeply, thereby laying solid foundation for the smooth construction, and ensuring the successful completion of the project with safe and reliable operation.

Niulanjiang-Dianchi Water Compensation Project; key technology; research

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2017.05.007

TV213.4

A

1005-4774(2017)05-0024-04