翟明杰，楊進(jìn)新，李啟升，王 雷，李萬智

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100048）

1 概 述

南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程前期方案比選階段進(jìn)行了沿京密引水渠全管道加壓輸水、西線調(diào)水、東線調(diào)水等多方案比選，最終選定了京密引水渠反向輸水、分級(jí)加壓方案［1-2］。該方案因地制宜，結(jié)合既有工程，在不改變現(xiàn)狀京密引水渠調(diào)度運(yùn)行的情況下，巧妙通過京密引水渠反向加壓將南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫，實(shí)現(xiàn)了新、老工程最優(yōu)結(jié)合，節(jié)省工程投資、年運(yùn)行費(fèi)用，縮短建設(shè)周期，新建、加固、維修多種工程措施增強(qiáng)了既有工程的功能及延長(zhǎng)了其使用年限。但如此長(zhǎng)距離利用現(xiàn)有渠道進(jìn)行反向調(diào)水的設(shè)計(jì)可借鑒的資料很少，且其輸水建筑物數(shù)量龐大、型式多樣、調(diào)水流量變化大、運(yùn)行工況復(fù)雜，渠道正反雙向輸水如何統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、把握關(guān)鍵、分析工況、制定合理的設(shè)計(jì)方案，確保工程安全，值得深入探討。

京密引水渠反向輸水、分級(jí)加壓方案如下：從團(tuán)城湖取水，通過京密引水渠反向輸水，經(jīng)6級(jí)泵站逐級(jí)加壓至懷柔水庫；在郭家塢新建泵站，從懷柔水庫取水經(jīng)郭家塢泵站揚(yáng)水，沿京密引水渠懷柔水庫—北臺(tái)上段渠道反向輸水至北臺(tái)上；在北臺(tái)上新建雁棲泵站，經(jīng)泵站加壓后沿新建北臺(tái)上—密云水庫管線輸水至密云水庫抽水蓄能電站調(diào)節(jié)池；在調(diào)節(jié)池旁新建溪翁莊泵站，從調(diào)節(jié)池取水經(jīng)溪翁莊泵站加壓輸水至密云水庫。線路穿越海淀、昌平、順義、懷柔、密云五區(qū)（縣），總長(zhǎng)約103 km，總揚(yáng)程132.85 m，其中利用京密引水渠輸水線路長(zhǎng)約87 km。

為保證南水北調(diào)來水調(diào)入密云水庫調(diào)蓄工程利用現(xiàn)有渠道進(jìn)行反向輸水的輸水能力及輸水安全，同時(shí)保證現(xiàn)有渠道正向輸水功能，需要對(duì)現(xiàn)有渠道及渠系建筑物進(jìn)行改造［3］。如何對(duì)既有正向輸水渠道及渠系建筑物進(jìn)行改造使其滿足正反雙向輸水功能要求，以及渠道改造設(shè)計(jì)中需要考慮哪些影響因素是設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

京密引水渠道現(xiàn)狀主要問題包括渠坡襯砌擋墻及部分山洪橋梁底高程不滿足反向輸水超高要求，沿線正向輸水清污機(jī)阻水，反向輸水倒虹吸前未設(shè)清污設(shè)施等。這些問題的解決方案和實(shí)施效果與渠道輸水水面線計(jì)算結(jié)果密切相關(guān)，會(huì)影響渠系工程的改造設(shè)計(jì)方案，甚至影響全線泵站的設(shè)置方案。因此，筆者對(duì)影響正反向輸水渠道水面線的主要因素進(jìn)行了討論，并與實(shí)際調(diào)度運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

2 京密引水渠正向輸水設(shè)計(jì)

京密引水渠全長(zhǎng)112.7 km，1966年完工，分別于1997年、2002年對(duì)破損嚴(yán)重的部位進(jìn)行了修整。懷柔水庫—團(tuán)城湖段渠道設(shè)計(jì)邊坡坡比為 1∶1.5～1 ∶2.5，底寬 8～12 m，渠深 2.8～3.2 m，底坡坡降為2.5×10-4～5.89×10-5，沿線布設(shè)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 m3／s（局部段為 60 m3／s）；密云水庫—懷柔水庫段長(zhǎng)25 km，底寬 8 m，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 m3／s。京密引水渠正向輸水設(shè)計(jì)斷面見圖1。

圖1 京密引水渠正向輸水設(shè)計(jì)斷面（單位：mm）

該工程需利用懷柔水庫—團(tuán)城湖段長(zhǎng)約73 km的渠道反向輸水，該段渠道過水?dāng)嗝娌捎脧?fù)式斷面，下部為梯形斷面，上部為矩形斷面。渠道過水?dāng)嗝嫦虏刻菪螖嗝娌捎矛F(xiàn)澆混凝土或預(yù)制混凝土襯砌。混凝土襯砌下設(shè)保溫板和防滲膜。保溫板采用聚苯板，陰坡板厚50～70 mm，陽坡板厚30～50 mm。防滲膜采用聚乙烯膜，厚0.3 mm。上部矩形斷面采用重力式漿砌石擋墻形式。根據(jù)運(yùn)行要求，冬季運(yùn)行水位應(yīng)在上部矩形斷面內(nèi)。為提高渠道冬季的抗凍脹能力，擋墻迎水面采用吸水率低的細(xì)?；◢弾r。渠道正向輸水渠坡?lián)鯄敾九c水面線平行，護(hù)砌頂超高為0.4 m。

受京密引水渠原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全條件的限制，冬季運(yùn)行要求閘前保持一定水位（冬季水位變動(dòng)區(qū)應(yīng)位于斜坡段上部漿砌石擋墻高度范圍內(nèi)），且采用冰蓋下輸水運(yùn)行方式，渠底未做防凍措施，冬季不應(yīng)干槽。經(jīng)研究及對(duì)京密引水渠正向輸水冬季輸水期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，京密引水渠正向輸水設(shè)計(jì)水位下輸水流量控制在 14 m3／s（設(shè)計(jì)流量的 35%），適度放大到 16.8 m3／s（設(shè)計(jì)流量的42%），并利用渠道沿線節(jié)制閘分段壅水，能夠保證冬季在穩(wěn)定冰蓋下的輸水安全。冬季輸水結(jié)冰期主要集中在12月—次年2月底，最大冰層厚度約43 cm，出現(xiàn)在團(tuán)城湖，一般段冰層厚度為10～30 cm。

京密引水渠正向輸水冬季輸水期間，為保證冰期運(yùn)行安全，主要采取了如下措施：①通過渠道上節(jié)制閘控制水位，主要包括興壽節(jié)制閘、東沙河節(jié)制閘、土城節(jié)制閘、前柳林節(jié)制閘、屯佃節(jié)制閘，及時(shí)調(diào)節(jié)各節(jié)制閘的開度，使渠道水位平穩(wěn)，最大水位變化幅度一般不超過20 cm，確保冬季輸水期間的冰蓋安全；②閘前、后設(shè)置攔冰索或攔冰浮筒，在各節(jié)制閘處安裝吹冰泵，防止閘門槽結(jié)冰，保證閘門啟閉自如；③保持節(jié)制閘前水面清潔，隨時(shí)打撈雜物，確保閘前水流暢通；④加強(qiáng)巡視檢查，制定應(yīng)急預(yù)案，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

經(jīng)渠道冰期運(yùn)行實(shí)踐檢驗(yàn)，以上措施的實(shí)施取得了良好的效果，基本保證了渠道冰期正向輸水安全。

3 利用既有渠道反向輸水改造設(shè)計(jì)若干問題

3.1 渠道水面線計(jì)算方法

利用渠道反向輸水時(shí)水流流態(tài)為恒定漸變流［4］。其微分方程為

式中：J、i分別為渠道的水力坡降和底坡坡降；s為渠道沿流動(dòng)方向的坐標(biāo)，m；Es為明槽過水?dāng)嗝娴臄嗝姹饶?，m。

小底坡渠道斷面比能表達(dá)式為

式中：Q 為流量，m3／s；g 為重力加速度，m3／s；α 為動(dòng)能修正系數(shù)；h為水深，m；v為流速，m／s；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2。

設(shè)渠道中控制斷面編號(hào)為 1，2，…，p，…，N，在相鄰兩個(gè)斷面之間的渠道上用差分格式將式（1）離散化，得

式中：Δsp為相鄰斷面的間距；hp、hp+1為斷面 p、p+1 的水深；Ap、Ap+1為斷面p、p+1的過水?dāng)嗝婷娣e。急流時(shí)該式等號(hào)右邊取“+”，緩流時(shí)取“-”，流態(tài)根據(jù)控制水深進(jìn)行判別。

其中渠段平均水力坡降表達(dá)式為

式中：Jp、Jp+1為斷面 p、p+1 的水力坡降；Rp、Rp+1為斷面p、p+1的水力半徑；n為渠道糙率。

利用逐段求水深法，得到求解hp+1的方程：

由已知控制水深h1，逐段求出所有斷面的水深。

3.2 水面線計(jì)算應(yīng)考慮的主要影響因素

京密引水渠原設(shè)計(jì)為正向輸水渠道，欲利用其反向輸水需要充分考慮渠道正反向輸水可能出現(xiàn)的多種工況，滿足其正反向輸水功能。

利用現(xiàn)狀渠道反向輸水時(shí)渠底為逆坡，水流為恒定非均勻流。利用逐段求水深法，計(jì)算出團(tuán)城湖—懷柔水庫段各斷面渠道水深，結(jié)合各斷面襯砌高度，確定輸水時(shí)站后最高水位，在不滿足護(hù)砌超高要求處設(shè)置泵站。確定泵前水深考慮兩個(gè)因素：一是略高于臨界水深以充分發(fā)揮現(xiàn)有渠道的反向輸水能力；二是站前渠道應(yīng)具有一定的有效容積，以保證機(jī)組發(fā)生故障停機(jī)至備用機(jī)組投入運(yùn)行有充足的時(shí)間。最終確定各級(jí)泵站閘前渠道水深不小于1.2 m。根據(jù)現(xiàn)狀京密引水渠向城區(qū)正常輸水時(shí)，團(tuán)城湖—懷柔水庫段渠道襯砌超高為0.40 m，確定反向調(diào)水正常運(yùn)行時(shí)站后渠道襯砌超高為0.40 m。從而推算出整個(gè)渠道所需設(shè)置泵站的個(gè)數(shù)、位置、揚(yáng)程及現(xiàn)狀渠道加高段。

泵站站后現(xiàn)狀渠道擋墻的加高設(shè)計(jì)首先要考慮泵站的運(yùn)行水位要求及渠道反向輸水水面線計(jì)算成果，滿足泵站前最小啟泵水深及泵站后最小淹沒水深的要求，并盡量保證泵站處于高效運(yùn)行區(qū)，節(jié)約能源。此外，渠道擋墻加高設(shè)計(jì)應(yīng)考慮擋墻的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性及現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)施性，因此擋墻的加高方式及可增加的高度受限，經(jīng)分析確定該工程擋墻的最大加高高度為0.5 m。

利用渠道反向輸水水面線計(jì)算及渠道改造設(shè)計(jì)中需要考慮的主要因素如下。

（1）應(yīng)充分考慮實(shí)際運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的各種設(shè)計(jì)流量工況。密云水庫調(diào)蓄工程從團(tuán)城湖取水，通過京密引水渠反向輸水，團(tuán)城湖—懷柔水庫段調(diào)水流量為20 m3／s；懷柔水庫—密云水庫段調(diào)水流量為10 m3／s。但實(shí)際運(yùn)行中很可能出現(xiàn)單泵運(yùn)行或雙泵小流量運(yùn)行等工況，在設(shè)計(jì)中不能忽視，原因是小流量工況可能成為確定泵站前后控制水位的關(guān)鍵工況。需要特別指出的是：水面線計(jì)算中泵站區(qū)間水頭損失并不是越大越安全，因?yàn)樾×髁吭O(shè)計(jì)工況下相同兩站之間較設(shè)計(jì)工況水頭損失小，水面線降低幅度小，所以在泵后水位不變的情況下可能造成需要加高的擋墻長(zhǎng)度增長(zhǎng)，相應(yīng)增大工程投資。

（2）應(yīng)考慮初期充水運(yùn)行工況。該工程充水主要分為3段，即團(tuán)城湖—懷柔水庫段渠道充水、懷柔水庫—雁棲泵站段渠道充水和雁棲泵站—密云水庫段PCCP管道充水。渠道充水運(yùn)行工藝流程見圖2。

圖2 渠道充水運(yùn)行工藝流程

團(tuán)城湖—懷柔水庫段采用自上而下和自下而上兩 種輸水方式均可。利用懷柔水庫作為充水水源開啟峰山口輸水閘，渠道沿線節(jié)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的情況下，按順序從下至上依次關(guān)閉各泵站節(jié)制閘。利用南水北調(diào)水作為充水水源首先開啟屯佃節(jié)制閘，向屯佃節(jié)制閘上游渠道反向充水，當(dāng)團(tuán)城湖水位為49.00 m時(shí)，可回水至樁號(hào)59+500附近；然后關(guān)閉屯佃節(jié)制閘，啟動(dòng)屯佃泵站；接下來關(guān)閉前柳林泵站節(jié)制閘，啟動(dòng)前柳林泵站；依此類推，按從下至上的順序關(guān)閉沿線各級(jí)泵站節(jié)制閘，并啟動(dòng)相應(yīng)的泵站；最后關(guān)閉西臺(tái)上泵站節(jié)制閘，啟動(dòng)西臺(tái)上泵站。泵站啟動(dòng)按單泵運(yùn)行考慮，充水流量小于單機(jī)設(shè)計(jì)流量 6.67 m3／s。

懷柔水庫—密云水庫段利用密云水庫作為充水水源。充水前，關(guān)閉懷柔水庫進(jìn)水閘、北臺(tái)上倒虹吸出口節(jié)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(nèi)充水，當(dāng)郭家塢泵站站后水位滿足水泵要求時(shí)充水完成。當(dāng)各段渠道及PCCP管道充水完成以后，各泵站的啟泵順序應(yīng)以渠道水位作為控制條件，自西臺(tái)上從上到下依次開啟。

工程實(shí)際運(yùn)行情況表明，以上初期充水運(yùn)行方案是合理的。根據(jù)工程的調(diào)度運(yùn)行方案，各段渠道水位達(dá)到要求后方可啟泵運(yùn)行，若渠道無水或水位較低，需從密云水庫和懷柔水庫向渠道充水。充水工況下兩站之間渠道水位齊平，無水頭損失，設(shè)計(jì)中需注意核實(shí)這種工況下的擋墻加高范圍。

（3）應(yīng)考慮渠道糙率及過建筑物水頭損失的合理取值。泵站區(qū)間糙率取值越大，沿程水頭損失及過建筑物水頭損失就越大，則區(qū)間水面線降低幅度越大。如果水面線計(jì)算中糙率及過建筑物水頭損失取值偏小，則實(shí)際運(yùn)行中區(qū)間水面線降低幅度大于計(jì)算值，可能會(huì)導(dǎo)致反向輸水時(shí)后一級(jí)泵站前無法達(dá)到最小啟泵水深，從而無法啟泵。反之，如果糙率及過建筑物水頭損失取值偏大，則實(shí)際運(yùn)行中區(qū)間水面線降低幅度小于計(jì)算值，可能出現(xiàn)泵站后擋墻加高范圍及超高不足，甚至出現(xiàn)渠道內(nèi)水漫溢的情況，影響工程輸水安全。

在水面線計(jì)算時(shí)必須考慮渠道系統(tǒng)都有運(yùn)行約束條件，比如：維持水位在設(shè)定的上下界限之間，以防渠堤或控制閘漫溢；限制閘門的啟閉速度和變幅在一定范圍之內(nèi)，避免超調(diào)；優(yōu)化泵站機(jī)組的啟停次數(shù)和能量消耗，以減少能耗和維護(hù)費(fèi)用；適應(yīng)渠系維護(hù)計(jì)劃等。

3.3 水面線計(jì)算結(jié)果與實(shí)際調(diào)度運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比

以前柳林—埝頭泵站區(qū)間為例，該段試運(yùn)行流量為11.5 m3／s。水面線計(jì)算結(jié)果：前一級(jí)前柳林泵站站后水位為50.52 m，泵后水深為2.92 m，后一級(jí)埝頭泵站站前水位為49.90 m，泵前水深為1.48 m。實(shí)際運(yùn)行中埝頭泵站站前水位為49.90 m，與水面線計(jì)算數(shù)值相同，前柳林泵站站后水位為50.50 m。

將實(shí)際調(diào)度運(yùn)行水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與水面線計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)如下問題。

（1）兩泵站區(qū)間有3座倒虹吸，是造成局部水頭損失的主要部位。倒虹吸處局部水頭損失理論計(jì)算值為0.025 m，水面線計(jì)算中取0.050 m。在實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，幾座倒虹吸處水頭損失不等，較小的為2～3 cm，與理論計(jì)算結(jié)果接近，而有的倒虹吸水頭損失達(dá)30 cm。分析產(chǎn)生差異的主要原因是倒虹吸處進(jìn)口清污機(jī)未能及時(shí)清理，受到水草淤堵，且洞身存在淤積問題，增大了過倒虹吸的局部水頭損失。

（2）區(qū)間沿程水頭損失受渠道內(nèi)水草生長(zhǎng)情況影響較大。京密引水渠團(tuán)城湖—懷柔水庫段流速較慢，水流相對(duì)比較平緩，容易淤積和滋生水草［5］。水面線計(jì)算中未單獨(dú)考慮水草的影響，實(shí)際調(diào)度運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，流速越慢的區(qū)間水草生長(zhǎng)越快，相應(yīng)的區(qū)間水頭損失越大，甚至超過水面線計(jì)算得出的區(qū)間水頭損失。

為保證渠道的設(shè)計(jì)輸水能力，提出如下建議。

（1）在倒虹吸出口前增設(shè)清污機(jī)，同時(shí)改造倒虹吸進(jìn)口前清污機(jī)。京密引水現(xiàn)狀渠道渠底縱坡較緩，水流流速較慢，夏季渠道內(nèi)容易滋生水草，兩岸樹木繁多，秋季水面落葉等漂浮物比較多，對(duì)于此類渠道必須設(shè)置清污設(shè)施。目前沿線設(shè)置的清污設(shè)備主要為正向輸水服務(wù)，為了滿足正反雙向輸水要求，結(jié)合新建9級(jí)泵站和沿線建筑物構(gòu)造對(duì)清污設(shè)備進(jìn)行了重新設(shè)置。

清污機(jī)改造及設(shè)置原則如下：不能取消原有清污機(jī)的功能，如果現(xiàn)狀倒虹吸進(jìn)口清污機(jī)不拆除，則需要改造為可提升式；如果現(xiàn)狀倒虹吸進(jìn)口清污機(jī)拆除，則需要在距離原清污機(jī)較近處結(jié)合泵站節(jié)制閘設(shè)置清污機(jī)，保持其原有的清污功能。同時(shí)，可結(jié)合倒虹吸在某出口增設(shè)可提升式清污機(jī)，具體設(shè)置方案如下：①新建1～9級(jí)泵站進(jìn)水口均設(shè)置清污設(shè)備；②將前柳林倒虹吸、埝頭倒虹吸、興壽倒虹吸進(jìn)口原有清污設(shè)備改造為活動(dòng)式清污機(jī)，當(dāng)反向輸水時(shí)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(shè)活動(dòng)式清污機(jī)，正向輸水時(shí)出口清污機(jī)提出水面。渠道正向及反向輸水時(shí)清污機(jī)使用原則如下：倒虹吸進(jìn)口清污機(jī)主要為正向輸水服務(wù)，反向輸水時(shí)將倒虹吸進(jìn)口清污機(jī)提起；倒虹吸出口清污機(jī)主要為反向輸水服務(wù)，正向輸水時(shí)將倒虹吸出口清污機(jī)提出水面。沿線節(jié)制閘前清污機(jī)主要為正向輸水服務(wù)，反向輸水時(shí)需要提出水面。

（2）為保證反向調(diào)水設(shè)計(jì)輸水能力，工程建成后需要加強(qiáng)渠道管理，對(duì)京密引水渠水草防治設(shè)立專項(xiàng)進(jìn)行研究，定期清淤和打撈水草，秋季注意及時(shí)打撈落葉樹枝等，減輕沿線清污機(jī)的運(yùn)行壓力。

（3）通過設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，盡可能增加泵站進(jìn)出口允許水位變幅，方便調(diào)度運(yùn)行。理論研究及實(shí)踐均表明，泵站進(jìn)水口允許的水位變幅越大，調(diào)度越靈活，管理運(yùn)行越方便。水面線計(jì)算結(jié)果受到很多參數(shù)取值的影響，與實(shí)際運(yùn)行情況存在一定的偏差。為了減小水面線計(jì)算偏差引起泵站進(jìn)出口水位與理論計(jì)算值不符，從而影響泵站調(diào)度運(yùn)行的問題，如果條件允許，應(yīng)盡可能降低前一級(jí)泵站泵后出口頂高程，從而增加淹沒深度，增大泵后允許水位變幅。

為增加泵站進(jìn)出口的允許水位變幅，該工程設(shè)計(jì)中通過在泵站出口增設(shè)保水堰作為水位調(diào)節(jié)設(shè)施來滿足泵站出口淹沒水深的要求，則堰后渠道加高不受泵后最小淹沒水深限制，從而避免渠道長(zhǎng)期處于高水位運(yùn)行狀態(tài)，降低渠道輸水壓力。堰后水深只需滿足下一級(jí)泵站站前啟泵水深對(duì)應(yīng)的要求即可。該措施還可以減小站后渠道擋墻需加高的范圍，優(yōu)化渠系改造工程設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié) 語

密云水庫調(diào)蓄工程在不改變?cè)星勒蜉斔δ艿幕A(chǔ)上通過增加梯級(jí)泵站實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離反向輸水，這在國(guó)內(nèi)不多見。結(jié)合正反向輸水設(shè)計(jì)中的若干關(guān)鍵問題，分析了渠道改造設(shè)計(jì)方案的主要影響因素，通過對(duì)渠道水面線進(jìn)行理論計(jì)算并與實(shí)際調(diào)度運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，倒虹吸是局部水頭損失的主要組成部分，區(qū)間沿程水頭損失受渠道內(nèi)水草生長(zhǎng)情況影響較大。由此提出建議：在倒虹吸出口前增設(shè)清污機(jī)，同時(shí)改造倒虹吸進(jìn)口前清污機(jī)；工程建成后需加強(qiáng)對(duì)渠道水草的防治管理工作；通過設(shè)計(jì)方案優(yōu)化，盡可能增加泵站進(jìn)出口允許水位變幅，方便調(diào)度運(yùn)行。分析結(jié)果對(duì)該工程的設(shè)計(jì)方案影響較大，并為類似工程的設(shè)計(jì)提供借鑒。截至目前，該工程已實(shí)現(xiàn)向密云水庫方向輸水超過5億m3，密云水庫蓄水量已突破25億m3，創(chuàng)2000年以來蓄水新高，潮白河水源地地下水水位平均回升13.4 m，極大地緩解了北京市水資源緊張的局面，社會(huì)效益顯著。