密云水庫調蓄工程總體設計方案研究

李啟升　石維新　楊進新　王雷

摘要：南水北調來水調入密云水庫調蓄工程因地制宜，結合既有工程，巧妙提出了南水北調來水通過京密引水渠反向加壓調入密云水庫的調蓄思路，優化了南水北調中線總體布局，實現了南北聯調、豐枯相濟，同時恢復密云水庫在供水任務中的重要地位，提高北京水資源戰略儲備。如此長距離利用現有渠道，既保留原有正向輸水規模，又實現大流量反向調水功能，在國內少有先例。通過前期的理論分析、論證比選，確定了沿京密引水渠反向輸水、分級加壓總體布局，推算出渠道雙向水面線成果，論證了渠道泵站、管道泵站和出入密云、懷柔兩水庫的關鍵節點布置，制定了滿足不同工況的調度運行技術方案。

關鍵詞：長距離渠系;正反雙向調水;節點布置;調度運行

中圖分類號：TV68

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.04.020

南水北調來水調入密云水庫調蓄工程在前期研究中進行了沿京密引水渠全管道加壓輸水、西線調水、東線調水等多方案比選，最終選定了京密引水渠反向輸水、分級加壓方案。該方案因地制宜，結合既有工程，在不改變現狀京密引水渠調度運行的情況下，巧妙通過京密引水渠反向加壓將南水北調來水調入密云水庫，實現了新、老工程最優結合，且節省工程投資、節省年運行費用、縮短建設周期，通過新建、加固、維修等多種工程措施既發揮了既有工程的功能、又延長了其使用年限。但如此長距離利用現有渠道反向調水可借鑒資料少，且輸水建筑物數量龐大、型式多樣、外部條件（供電條件、管理機構、周邊環境）復雜，調水流量變化大，渠（管）道正反雙向輸水時水庫調蓄與防洪存在矛盾，如何克服上述難題，統籌分析，制定合理的調度運行方案，確保調度運行安全，需要重點研究。

1 方案比選及總體布局

1.1 現有設施概況

京密引水渠全長112.7 km，1966年完工，期間分別于1997年、2002年對破損嚴重的部位進行了修整。懷柔水庫一團城湖段渠道長73 km，設計邊坡坡比1：1.5 -1：2.5，底寬8-12 m，渠深2.8-3.2 m，底坡坡降2.50xl0～ 5.89xl0，沿線布設泄洪閘、分水閘、倒虹吸、山洪橋等建筑物，正向輸水流量（由北向南）為40 m/S（局部段為60 m/s）;密云水庫一懷柔水庫段長25 km，底寬8m，渠深3.2 m，該段渠道落差大、縱坡陡，渠道正向輸水流量（由北向南）為70 m/s，沿線4級電站已廢棄。懷柔水庫擴建后水庫總庫容1.44億m，興利庫容0.655億m，防洪庫容1.045億m，水庫正常蓄水位62.0 m，死水位52.0 m，汛限水位58.0 m。

1.2 方案比選

（1）團城湖一懷柔水庫段。京密引水渠渠道縱坡緩，利用現狀京密引水渠反向輸水，僅需對現狀渠道及部分建筑物進行改造，并新建梯級加壓泵站，對各級泵站后段距離渠道擋墻加高，對渠道穩定影響較小，投資及拆遷占地面積較小。因此，采用京密引水渠反向輸水、分級加壓方案。

（2）密云水庫一懷柔水庫段。由于渠道水力坡降大，渠道破損嚴重，利用渠道反向輸水優勢不明顯，因此對該段渠道進行3種方案比選，包括全渠道反向輸水、全管道加壓輸水和明渠與管道結合輸水，具體見表1。利用京密引水渠反向輸水方案工期短，投資小，拆遷占地少，但10座泵站串聯運行，調度運行難度大，且渠道多為填方渠道，運行安全度不高;全管道加壓輸水方案投資大，工期長，施工難度大，拆遷占地面積大，優點是運行簡單可靠：明渠與管道結合輸水方案工程投資、拆遷占地適中，充分利用現有水利設施，運行簡單可靠。經比選，采用方案三作為該段的輸水方案。

1.3 工程總體布置

南水北調來水調入密云水庫調蓄工程由團城湖取水，通過京密引水渠反向輸水，分別在屯佃閘、柳林倒虹吸、埝頭倒虹吸、興壽倒虹吸、史山節制閘和西臺上跌水節制閘附近新建6級泵站提升輸水至懷柔水庫，輸水流量20 m/s，渠道總長73 km。經懷柔水庫調節，部分水量回補水源地，剩余來水（ 10 m/s）通過在懷柔水庫進水閘旁新建的郭家塢提升泵站提升，經8.0km渠道反向輸水至北臺上倒虹吸處，再經新建雁棲泵站加壓，沿新建22 km的輸水管道輸水至白河電站調節池，再由新建溪翁莊泵站加壓后通過白河發電洞將水送人密云水庫。輸水線路全長103 km，總揚程132.85 m[1]。工程總體布置見圖1。

2 關鍵節點布置

2.1 渠系建筑物

由于利用現狀京密引水渠反向輸水，部分渠段襯砌（或堤頂）不能滿足反向輸水時超高要求，因此為保證該渠道反向輸水能力和輸水安全，同時保證正向輸水功能，需對現狀渠道進行改造。

（1）渠道泵站級數確定。利用現狀渠道反向輸水時為逆坡，水流為恒定非均勻流。利用逐段求水深法計算出團城湖一懷柔水庫段各斷面渠道水深，結合各斷面襯砌高度，確定輸水時站后最高水位，在不滿足護砌超高要求處設置泵站。泵前水深確定考慮兩個因素：第一，略高于臨界水深以充分發揮現有渠深的反向輸水能力;第二，站前渠道應具有一定的有效容積，以保證機組發生故障停機至備用機組投入運行有充足的時間。最終確定各級泵站閘前渠道水深不小于1.2 m。根據現狀京密引水渠向城區正常輸水時，團城湖一懷柔水庫段渠道襯砌超高為0.40 m，確定反向調水正常運行時站后渠道襯砌超高0.40 m。依此類推，計算出整個渠道所需設置的泵站個數、位置、揚程，確定現狀渠道加高段。

（2）渠道整修加固。根據水面線計算結果得知，現狀渠道部分渠段存在超高不足、山洪橋凈空不夠問題，另外部分現狀渠道存在凍脹破壞嚴重等問題，需進行加固。①對現狀護砌或堤頂超高不滿足反向輸水超高要求的渠段現狀擋墻或堤頂進行加高，加高段長度為9.9 km;②對填方段及襯砌凍脹破壞段采取加大混凝土襯砌單塊質量、加強防滲能力、增大保溫層厚度、采用級配砂礫料換填等綜合措施消除安全隱患：③對不滿足超高要求的5座山洪橋涵洞進行拆除重建并沿行洪方向設置排水管道。通過對24.4 km長存在問題的渠道進行整修加固處理，滿足了正反向輸水要求[2]。

（3）新建及改建水閘。為滿足渠道反向及正向輸水要求，采取以下措施：新建6座節制閘以控制水位;改建3座既有節制閘以控制水位，部分閘滿足雙向擋水要求;新建或改建檢修閘以滿足檢修要求;對部分現狀病險泄洪閘、分水閘進行加固或拆除重建;對現狀平交人渠的雨水管增設浮箱拍門。

（4）渠道沿線清污機改造。京密引水現狀渠道渠底縱坡較緩，水流流速較慢，水面漂浮物比較多，沿線設置的清污設備主要為正向輸水服務。為了滿足正、反向輸水要求，結合新建9級泵站，對既有渠道清污設備進行了重新設置：①新建1級-9級泵站進水口均設置清污設備;②將前柳林倒虹吸、埝頭倒虹吸、興壽倒虹吸進口原有清污設備改造為活動式清污機，當反向輸水時清污機需要提出水面;③在前柳林倒虹吸、埝頭倒虹吸、興壽倒虹吸出口增設活動式清污機，正向輸水時出口清污機提出水面。

2.2 渠道提升泵站

現狀京密引水渠道設有多處節制閘，為充分利用現有設施，結合渠道水力計算結果，提出兩種布置方式，這兩種方式均能滿足現狀渠道原有輸水功能[3]。

（1）方式一，水閘與泵站垂直布置。利用現狀（改造）節制閘擋水，泵站位于節制閘下游側，垂直于渠道布置，反向來水經泵站加壓通過出水管送至節制閘上游。順水流依次布置進水池、主泵房、出水管及測流設施。水泵機組采用臥式軸流泵。出水管末端設拍門，在京密引水渠正向輸水及泵站檢修時，拍門自動關閉，防止水流進入泵站輸水管道內。

（2）方式二，水閘與泵站平行布置。利用現狀（改造）節制閘擋水，平行現狀渠道另建泵站及進、出水引渠，反向來水經泵站提升通過出水渠送至節制閘上游。順水流方向依次布置進水池、主泵房、出水池及出水水位調節設施。水泵機組選用立式軸流泵，出水水位調節設施選用平板式鋼閘門，液壓啟閉。泵站機組啟動前，鋼閘門處于完全開啟狀態，利用排水管將閘門與泵站出水口之間的渠道蓄水至出水池所需最低運行水位，以滿足泵站單、雙及三臺機組運行時閘前水位要求。當泵站需要減少運行機組時，根據實際運行水位情況調整鋼閘門門頂高程，確保出水池水位滿足泵站運行水位要求。

2.3 管道加壓泵站

密云水庫調蓄工程共設兩座管道加壓泵站，分別是雁棲泵站和溪翁莊泵站。泵站采取常規布置，包括引水暗涵（或連通渠）、前池、進水池（間）、進水管、主廠房（副廠房）、出水管、測流站等建筑物。泵站采用單管單泵式供水，進水管為DN1800鋼管，出水管道由“三泵一管”形式匯成1條DN2600主管。為滿足密云水庫向城區供水要求，在泵站內設旁通管，前接泵站前池，后接泵站出水主管。為控制水流及保證管道輸水安全，在旁通管末端設調流設施。

2.4 來水進、出懷柔水庫節點布置

懷柔水庫作為密云水庫調蓄工程的中間調節庫，既要保證現有水庫防洪功能不受影響，又要滿足調蓄供水水位要求。南水北調來水進、出懷柔水庫的方式及調蓄水位等必須與水庫原有運行方式相協調。

（1）來水反向進庫布置。拆除原渠道左岸發電站，改建為西臺上泵站，其具備反向提升功能;改造西臺上跌水節制閘，其具備正向輸水時過流、調蓄輸水時擋水功能;加高、改建該段渠道，滿足正反向輸水要求。以上布置合理利用原有渠道，避免了新建入庫輸水隧洞帶來的工期及投資問題。

（2）來水反向出庫。在水庫原進水渠道右岸新建郭家塢泵站，其具備反向加壓功能：相應改造懷柔水庫進水閘，其具備正向輸水時過流、調蓄輸水時擋水的功能;加高、改建該段渠道護砌，滿足正反向輸水要求。

南水北調來水進、出懷柔水庫示意見圖2。

（3）防洪與調蓄。原則為先防洪、后調蓄。懷柔水庫汛限水位為58.0 m.為充分利用懷柔水庫庫容，同時防止水位變幅大，影響水泵運行效率，綜合考慮后確定懷柔水庫調蓄輸水水位為57.0 - 60.0 m.汛期調蓄水位為57.0～58.0 m.不高于汛限水位58.0 m。

2.5 來水入密云水庫布置

南水北調來水人密云水庫有利用現狀隧洞入庫和新建輸水隧洞入庫兩種方案。現狀白河發電隧洞主洞兼顧密云水庫泄洪、發電功能，白河泄水支洞主要作為白河主洞的檢修通道。兩方案均能滿足將水提升至密云水庫且不影響水庫主洞的泄洪、發電功能。通過對兩方案的工程造價、施工工期、技術難度及管理運行等進行比較，現狀隧洞經加固改造已能完全具備工程輸水及檢修的功能，工期短、造價低，且保留了原白河發電隧洞的檢修通道，日常運行管理較為簡單，因此將其作為來水人密云水庫的設計方案。在綜合考慮密云水庫管理需要、調（輸）水流量及泵站總體設計后，隧洞加固采用在泄水支洞內穿2根DN1800鋼管，支洞出口設潛孔式弧形鋼閘門擋水。來水人密云水庫平面示意見圖3。

3 調度運行技術方案

3.1 調度原則確定

京密引水渠正向輸水基本維持原有調度原則不變。京密引水渠、懷柔水庫及密云水庫汛期應優先服從防洪調度要求。冬季渠道結冰期不得進行反向輸水，反向輸水需確保渠道內無浮冰。水泵盡量避免在低效區運行，防止機組振動、噪音加大。1-8級泵站無變頻，在一定流量范圍內，可通過調節水泵葉片角度調節單機流量;溪翁莊泵站可通過變頻調節單機流量。管道禁止明滿流交替運行。多孔節制閘和退水閘應按對稱原則開啟。渠系建筑物、泵站建筑物應統一調度、協調一致。

3.2 充水方案

該工程充水主要分為3段，即團城湖一懷柔水庫段渠道充水、懷柔水庫一雁棲泵站段渠道充水和雁棲泵站一密云水庫段PCCP管道充水。

（1）團城湖一懷柔水庫段?？刹捎米陨隙潞妥韵露蟽煞N充水方式。

自上而下充水方式利用懷柔水庫的水作為充水水源，開啟峰山口輸水閘，渠道沿線節制閘全部打開，向該段渠道充水。在滿足各渠段充水水位要求情況下，按順序從下至上依次關閉各泵站節制閘，見圖4。

自下而上充水方式利用南水北調的水作為充水水源。首先開啟屯佃節制閘，向屯佃節制閘上游渠道反向充水，當團城湖水位為49.00 m時，可回水至樁號59+500附近;然后關閉屯佃節制閘，啟動屯佃泵站;接下來關閉前柳林泵站節制閘，啟動前柳林泵站：依此類推，按從下至上的順序關閉沿線各級泵站節制閘，并啟動相應的泵站：最后關閉西臺上泵站節制閘，啟動西臺上泵站。渠道充水期間，各級泵站啟動按單泵運行考慮。

（2）懷柔水庫一密云水庫段。利用密云水庫的水作為充水水源。充水前，關閉懷柔水庫進水閘、北臺上倒虹吸出口節制閘，通過溪翁莊泵站旁通管、PCCP管道雁棲泵站旁通管向管道（渠道）內充水，當郭家塢泵站站后水位達到要求時，充水完成。

3.3 調度運行

3.3.1 南水北調向密云水庫調水（團城湖一密云水庫）

向密云水庫調蓄供水時主要分為兩段：①團城湖至懷柔水庫段，該段正常運行流量區間為5.5 -7.5 m/s（1臺機組）、11 - 15 m/s（2臺機組）、16.5 -20.0 m/s（3臺機組）;②懷柔水庫至密云水庫段，該段正常運行流量為10 m/s（2臺機組）。

工程正常運行時應密切關注各泵站站前及站后運行水位：確保與泵站配套的節制閘處于關閉狀態，原渠道節制閘處于開啟狀態;渠道上各分水閘、泄洪閘按指令運行;倒虹吸出口清污機就位，進口清污機升起。

3.3.2 京密引水渠正向輸水（密云水庫一團城湖）

當密云水庫向城區供水時，密云水庫、懷柔水庫及京密引水渠按原管理規定運行。密云水庫調蓄工程1-9級泵站停機;沿線節制閘開啟（包括與泵站配套的節制閘）;各分水閘、泄洪閘按指令運行;倒虹吸進口清污機就位，出口清污機升起。當冬季小流量或密云水庫至懷柔水庫段渠道正向輸水出現事故時，可通過PCCP管道小流量（≤11 m/s）輸水至雁棲泵站前池。

3.4 特殊工況調度

當單臺機組斷電時應立即啟用備用機組。單站斷電會造成站前水位壅高、站后水位降低，各級泵站應陸續停泵，并做好準備，配合總體調度進行渠道分水。水位高于最高運行水位時，停泵、加大后級泵站運行機組數量，或調整本站葉片角度，或準備渠道分段退水。水位低于最低運行水位時，增加前級泵站運行機組數量，或調整本站葉片角度。

4 結語

密云水庫調蓄工程在不改變原有渠道正向輸水功能的條件下，通過新建梯級泵站及配套渠系建筑物、改造現狀渠道等實現了長距離、跨流域輸水。在通過大量的工程實地調研、多方案論證比選后，最終總結出一套集約型設計方案。經過兩年多的運行，根據運行狀況又對其進行了提升改造，使其功能更加完善，調度運行更加優化和安全。截至目前，該工程已實現向密云水庫方向輸水5億m，密云水庫蓄水量已突破21億m.通過回補水源地使地下水位在原有基礎上回升近1 m，極大地緩解了北京市水資源緊張的局面，取得了明顯的社會效益。

參考文獻：

[1] 北京市水利規劃設計研究院，南水北調來水調入密云水庫調蓄工程初步設計報告[R].北京：北京市水利規劃設計研究院，2013：11-26.

[2] 翟明杰，楊進新，王雷，南水北調來水調入密云水庫調蓄工程京密引水渠渠道改造設計要點分析[J].北京水務，2014（6）：21-25.

[3] 戚蘭英，石建杰，耿宏斌，等，南水北調來水調入密云水庫工程梯級泵站機組選型設計與研究[J].水利水電技術，2015，46（9）：69-74.

【責任編輯張華巖】