密云水库调蓄工程总体设计方案研究

李启升　石维新　杨进新　王雷

摘要：南水北调来水调入密云水库调蓄工程因地制宜，结合既有工程，巧妙提出了南水北调来水通过京密引水渠反向加压调入密云水库的调蓄思路，优化了南水北调中线总体布局，实现了南北联调、丰枯相济，同时恢复密云水库在供水任务中的重要地位，提高北京水资源戰略储备。如此长距离利用现有渠道，既保留原有正向输水规模，又实现大流量反向调水功能，在国内少有先例。通过前期的理论分析、论证比选，确定了沿京密引水渠反向输水、分级加压总体布局，推算出渠道双向水面线成果，论证了渠道泵站、管道泵站和出入密云、怀柔两水库的关键节点布置，制定了满足不同工况的调度运行技术方案。

关键词：长距离渠系;正反双向调水;节点布置;调度运行

中图分类号：TV68

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2019.04.020

南水北调来水调入密云水库调蓄工程在前期研究中进行了沿京密引水渠全管道加压输水、西线调水、东线调水等多方案比选，最终选定了京密引水渠反向输水、分级加压方案。该方案因地制宜，结合既有工程，在不改变现状京密引水渠调度运行的情况下，巧妙通过京密引水渠反向加压将南水北调来水调入密云水库，实现了新、老工程最优结合，且节省工程投资、节省年运行费用、缩短建设周期，通过新建、加固、维修等多种工程措施既发挥了既有工程的功能、又延长了其使用年限。但如此长距离利用现有渠道反向调水可借鉴资料少，且输水建筑物数量庞大、型式多样、外部条件（供电条件、管理机构、周边环境）复杂，调水流量变化大，渠（管）道正反双向输水时水库调蓄与防洪存在矛盾，如何克服上述难题，统筹分析，制定合理的调度运行方案，确保调度运行安全，需要重点研究。

1 方案比选及总体布局

1.1 现有设施概况

京密引水渠全长112.7 km，1966年完工，期间分别于1997年、2002年对破损严重的部位进行了修整。怀柔水库一团城湖段渠道长73 km，设计边坡坡比1：1.5 -1：2.5，底宽8-12 m，渠深2.8-3.2 m，底坡坡降2.50xl0～ 5.89xl0，沿线布设泄洪闸、分水闸、倒虹吸、山洪桥等建筑物，正向输水流量（由北向南）为40 m/S（局部段为60 m/s）;密云水库一怀柔水库段长25 km，底宽8m，渠深3.2 m，该段渠道落差大、纵坡陡，渠道正向输水流量（由北向南）为70 m/s，沿线4级电站已废弃。怀柔水库扩建后水库总库容1.44亿m，兴利库容0.655亿m，防洪库容1.045亿m，水库正常蓄水位62.0 m，死水位52.0 m，汛限水位58.0 m。

1.2 方案比选

（1）团城湖一怀柔水库段。京密引水渠渠道纵坡缓，利用现状京密引水渠反向输水，仅需对现状渠道及部分建筑物进行改造，并新建梯级加压泵站，对各级泵站后段距离渠道挡墙加高，对渠道稳定影响较小，投资及拆迁占地面积较小。因此，采用京密引水渠反向输水、分级加压方案。

（2）密云水库一怀柔水库段。由于渠道水力坡降大，渠道破损严重，利用渠道反向输水优势不明显，因此对该段渠道进行3种方案比选，包括全渠道反向输水、全管道加压输水和明渠与管道结合输水，具体见表1。利用京密引水渠反向输水方案工期短，投资小，拆迁占地少，但10座泵站串联运行，调度运行难度大，且渠道多为填方渠道，运行安全度不高;全管道加压输水方案投资大，工期长，施工难度大，拆迁占地面积大，优点是运行简单可靠：明渠与管道结合输水方案工程投资、拆迁占地适中，充分利用现有水利设施，运行简单可靠。经比选，采用方案三作为该段的输水方案。

1.3 工程总体布置

南水北调来水调入密云水库调蓄工程由团城湖取水，通过京密引水渠反向输水，分别在屯佃闸、柳林倒虹吸、埝头倒虹吸、兴寿倒虹吸、史山节制闸和西台上跌水节制闸附近新建6级泵站提升输水至怀柔水库，输水流量20 m/s，渠道总长73 km。经怀柔水库调节，部分水量回补水源地，剩余来水（ 10 m/s）通过在怀柔水库进水闸旁新建的郭家坞提升泵站提升，经8.0km渠道反向输水至北台上倒虹吸处，再经新建雁栖泵站加压，沿新建22 km的输水管道输水至白河电站调节池，再由新建溪翁庄泵站加压后通过白河发电洞将水送人密云水库。输水线路全长103 km，总扬程132.85 m[1]。工程总体布置见图1。

2 关键节点布置

2.1 渠系建筑物

由于利用现状京密引水渠反向输水，部分渠段衬砌（或堤顶）不能满足反向输水时超高要求，因此为保证该渠道反向输水能力和输水安全，同时保证正向输水功能，需对现状渠道进行改造。

（1）渠道泵站级数确定。利用现状渠道反向输水时为逆坡，水流为恒定非均匀流。利用逐段求水深法计算出团城湖一怀柔水库段各断面渠道水深，结合各断面衬砌高度，确定输水时站后最高水位，在不满足护砌超高要求处设置泵站。泵前水深确定考虑两个因素：第一，略高于临界水深以充分发挥现有渠深的反向输水能力;第二，站前渠道应具有一定的有效容积，以保证机组发生故障停机至备用机组投入运行有充足的时间。最终确定各级泵站闸前渠道水深不小于1.2 m。根据现状京密引水渠向城区正常输水时，团城湖一怀柔水库段渠道衬砌超高为0.40 m，确定反向调水正常运行时站后渠道衬砌超高0.40 m。依此类推，计算出整个渠道所需设置的泵站个数、位置、扬程，确定现状渠道加高段。

（2）渠道整修加固。根据水面线计算结果得知，现状渠道部分渠段存在超高不足、山洪桥净空不够问题，另外部分现状渠道存在冻胀破坏严重等问题，需进行加固。①对现状护砌或堤顶超高不满足反向输水超高要求的渠段现状挡墙或堤顶进行加高，加高段长度为9.9 km;②对填方段及衬砌冻胀破坏段采取加大混凝土衬砌单块质量、加强防渗能力、增大保温层厚度、采用级配砂砾料换填等综合措施消除安全隐患：③对不满足超高要求的5座山洪桥涵洞进行拆除重建并沿行洪方向设置排水管道。通过对24.4 km长存在问题的渠道进行整修加固处理，满足了正反向输水要求[2]。

（3）新建及改建水闸。为满足渠道反向及正向输水要求，采取以下措施：新建6座节制闸以控制水位;改建3座既有节制闸以控制水位，部分闸满足双向挡水要求;新建或改建检修闸以满足检修要求;对部分现状病险泄洪闸、分水闸进行加固或拆除重建;對现状平交人渠的雨水管增设浮箱拍门。

（4）渠道沿线清污机改造。京密引水现状渠道渠底纵坡较缓，水流流速较慢，水面漂浮物比较多，沿线设置的清污设备主要为正向输水服务。为了满足正、反向输水要求，结合新建9级泵站，对既有渠道清污设备进行了重新设置：①新建1级-9级泵站进水口均设置清污设备;②将前柳林倒虹吸、埝头倒虹吸、兴寿倒虹吸进口原有清污设备改造为活动式清污机，当反向输水时清污机需要提出水面;③在前柳林倒虹吸、埝头倒虹吸、兴寿倒虹吸出口增设活动式清污机，正向输水时出口清污机提出水面。

2.2 渠道提升泵站

现状京密引水渠道设有多处节制闸，为充分利用现有设施，结合渠道水力计算结果，提出两种布置方式，这两种方式均能满足现状渠道原有输水功能[3]。

（1）方式一，水闸与泵站垂直布置。利用现状（改造）节制闸挡水，泵站位于节制闸下游侧，垂直于渠道布置，反向来水经泵站加压通过出水管送至节制闸上游。顺水流依次布置进水池、主泵房、出水管及测流设施。水泵机组采用卧式轴流泵。出水管末端设拍门，在京密引水渠正向输水及泵站检修时，拍门自动关闭，防止水流进入泵站输水管道内。

（2）方式二，水闸与泵站平行布置。利用现状（改造）节制闸挡水，平行现状渠道另建泵站及进、出水引渠，反向来水经泵站提升通过出水渠送至节制闸上游。顺水流方向依次布置进水池、主泵房、出水池及出水水位调节设施。水泵机组选用立式轴流泵，出水水位调节设施选用平板式钢闸门，液压启闭。泵站机组启动前，钢闸门处于完全开启状态，利用排水管将闸门与泵站出水口之间的渠道蓄水至出水池所需最低运行水位，以满足泵站单、双及三台机组运行时闸前水位要求。当泵站需要减少运行机组时，根据实际运行水位情况调整钢闸门门顶高程，确保出水池水位满足泵站运行水位要求。

2.3 管道加压泵站

密云水库调蓄工程共设两座管道加压泵站，分别是雁栖泵站和溪翁庄泵站。泵站采取常规布置，包括引水暗涵（或连通渠）、前池、进水池（间）、进水管、主厂房（副厂房）、出水管、测流站等建筑物。泵站采用单管单泵式供水，进水管为DN1800钢管，出水管道由“三泵一管”形式汇成1条DN2600主管。为满足密云水库向城区供水要求，在泵站内设旁通管，前接泵站前池，后接泵站出水主管。为控制水流及保证管道输水安全，在旁通管末端设调流设施。

2.4 来水进、出怀柔水库节点布置

怀柔水库作为密云水库调蓄工程的中间调节库，既要保证现有水库防洪功能不受影响，又要满足调蓄供水水位要求。南水北调来水进、出怀柔水库的方式及调蓄水位等必须与水库原有运行方式相协调。

（1）来水反向进库布置。拆除原渠道左岸发电站，改建为西台上泵站，其具备反向提升功能;改造西台上跌水节制闸，其具备正向输水时过流、调蓄输水时挡水功能;加高、改建该段渠道，满足正反向输水要求。以上布置合理利用原有渠道，避免了新建入库输水隧洞带来的工期及投资问题。

（2）来水反向出库。在水库原进水渠道右岸新建郭家坞泵站，其具备反向加压功能：相应改造怀柔水库进水闸，其具备正向输水时过流、调蓄输水时挡水的功能;加高、改建该段渠道护砌，满足正反向输水要求。

南水北调来水进、出怀柔水库示意见图2。

（3）防洪与调蓄。原则为先防洪、后调蓄。怀柔水库汛限水位为58.0 m.为充分利用怀柔水库库容，同时防止水位变幅大，影响水泵运行效率，综合考虑后确定怀柔水库调蓄输水水位为57.0 - 60.0 m.汛期调蓄水位为57.0～58.0 m.不高于汛限水位58.0 m。

2.5 来水入密云水库布置

南水北调来水人密云水库有利用现状隧洞入库和新建输水隧洞入库两种方案。现状白河发电隧洞主洞兼顾密云水库泄洪、发电功能，白河泄水支洞主要作为白河主洞的检修通道。两方案均能满足将水提升至密云水库且不影响水库主洞的泄洪、发电功能。通过对两方案的工程造价、施工工期、技术难度及管理运行等进行比较，现状隧洞经加固改造已能完全具备工程输水及检修的功能，工期短、造价低，且保留了原白河发电隧洞的检修通道，日常运行管理较为简单，因此将其作为来水人密云水库的设计方案。在综合考虑密云水库管理需要、调（输）水流量及泵站总体设计后，隧洞加固采用在泄水支洞内穿2根DN1800钢管，支洞出口设潜孔式弧形钢闸门挡水。来水人密云水库平面示意见图3。

3 调度运行技术方案

3.1 调度原则确定

京密引水渠正向输水基本维持原有调度原则不变。京密引水渠、怀柔水库及密云水库汛期应优先服从防洪调度要求。冬季渠道结冰期不得进行反向输水，反向输水需确保渠道内无浮冰。水泵尽量避免在低效区运行，防止机组振动、噪音加大。1-8级泵站无变频，在一定流量范围内，可通过调节水泵叶片角度调节单机流量;溪翁庄泵站可通过变频调节单机流量。管道禁止明满流交替运行。多孔节制闸和退水闸应按对称原则开启。渠系建筑物、泵站建筑物应统一调度、协调一致。

3.2 充水方案

该工程充水主要分为3段，即团城湖一怀柔水库段渠道充水、怀柔水库一雁栖泵站段渠道充水和雁栖泵站一密云水库段PCCP管道充水。

（1）团城湖一怀柔水库段。可采用自上而下和自下而上两种充水方式。

自上而下充水方式利用怀柔水库的水作为充水水源，开启峰山口输水闸，渠道沿线节制闸全部打开，向该段渠道充水。在满足各渠段充水水位要求情况下，按顺序从下至上依次关闭各泵站节制闸，见图4。

自下而上充水方式利用南水北调的水作为充水水源。首先开启屯佃节制闸，向屯佃节制闸上游渠道反向充水，当团城湖水位为49.00 m时，可回水至桩号59+500附近;然后关闭屯佃节制闸，启动屯佃泵站;接下来关闭前柳林泵站节制闸，启动前柳林泵站：依此类推，按从下至上的顺序关闭沿线各级泵站节制闸，并启动相应的泵站：最后关闭西台上泵站节制闸，启动西台上泵站。渠道充水期间，各级泵站启动按单泵运行考虑。

（2）怀柔水库一密云水库段。利用密云水库的水作为充水水源。充水前，关闭怀柔水库进水闸、北台上倒虹吸出口节制闸，通过溪翁庄泵站旁通管、PCCP管道雁栖泵站旁通管向管道（渠道）内充水，当郭家坞泵站站后水位达到要求时，充水完成。

3.3 调度运行

3.3.1 南水北调向密云水库调水（团城湖一密云水库）

向密云水库调蓄供水时主要分为两段：①团城湖至怀柔水库段，该段正常运行流量区间为5.5 -7.5 m/s（1台机组）、11 - 15 m/s（2台机组）、16.5 -20.0 m/s（3台机组）;②怀柔水库至密云水库段，该段正常运行流量为10 m/s（2台机组）。

工程正常运行时应密切关注各泵站站前及站后运行水位：确保与泵站配套的节制闸处于关闭状态，原渠道节制闸处于开启状态;渠道上各分水闸、泄洪闸按指令运行;倒虹吸出口清污机就位，进口清污機升起。

3.3.2 京密引水渠正向输水（密云水库一团城湖）

当密云水库向城区供水时，密云水库、怀柔水库及京密引水渠按原管理规定运行。密云水库调蓄工程1-9级泵站停机;沿线节制闸开启（包括与泵站配套的节制闸）;各分水闸、泄洪闸按指令运行;倒虹吸进口清污机就位，出口清污机升起。当冬季小流量或密云水库至怀柔水库段渠道正向输水出现事故时，可通过PCCP管道小流量（≤11 m/s）输水至雁栖泵站前池。

3.4 特殊工况调度

当单台机组断电时应立即启用备用机组。单站断电会造成站前水位壅高、站后水位降低，各级泵站应陆续停泵，并做好准备，配合总体调度进行渠道分水。水位高于最高运行水位时，停泵、加大后级泵站运行机组数量，或调整本站叶片角度，或准备渠道分段退水。水位低于最低运行水位时，增加前级泵站运行机组数量，或调整本站叶片角度。

4 结语

密云水库调蓄工程在不改变原有渠道正向输水功能的条件下，通过新建梯级泵站及配套渠系建筑物、改造现状渠道等实现了长距离、跨流域输水。在通过大量的工程实地调研、多方案论证比选后，最终总结出一套集约型设计方案。经过两年多的运行，根据运行状况又对其进行了提升改造，使其功能更加完善，调度运行更加优化和安全。截至目前，该工程已实现向密云水库方向输水5亿m，密云水库蓄水量已突破21亿m.通过回补水源地使地下水位在原有基础上回升近1 m，极大地缓解了北京市水资源紧张的局面，取得了明显的社会效益。

参考文献：

[1] 北京市水利规划设计研究院，南水北调来水调入密云水库调蓄工程初步设计报告[R].北京：北京市水利规划设计研究院，2013：11-26.

[2] 翟明杰，杨进新，王雷，南水北调来水调入密云水库调蓄工程京密引水渠渠道改造设计要点分析[J].北京水务，2014（6）：21-25.

[3] 戚兰英，石建杰，耿宏斌，等，南水北调来水调入密云水库工程梯级泵站机组选型设计与研究[J].水利水电技术，2015，46（9）：69-74.

【责任编辑张华岩】