長距離輸配水工程充水方案研究

范建強

(遼寧省大伙房水庫輸水工程建設局，遼寧 沈陽 110166)

遼寧省大伙房水庫輸水(二期)工程的主要任務是將渾江調來的水經水庫調節(jié)后有效配置給遼寧中南部地區(qū)的撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營口、盤錦等6個缺水城市[1]，解決該區(qū)突出的水資源短缺問題，并為改善渾河、太子河流域生態(tài)環(huán)境和農業(yè)供水創(chuàng)造條件，是遼寧省經濟社會可持續(xù)發(fā)展、老工業(yè)基地產業(yè)結構調整和改造、沿海經濟帶開發(fā)的重要區(qū)域性水資源配置工程，如圖1所示。工程涉水人口千余萬，輸水距離長達400km、供水目標多達10個、輸水總量高達504萬t/d，全線采用了壓力密閉輸配水方式，中間無任何調蓄設施，系統(tǒng)布置突破常規(guī)，輸配水系統(tǒng)的組成和結構極為復雜。在有壓隧洞及管道首次運行充水和事故或檢修時進行的

再充水操作中，水力過渡過程復雜，工程實踐證明，充水過程控制不當，會產生水錘、斷流彌合水錘、管道氣阻、氣爆等嚴重危害[2]，因此對充水過程物理機理、充水段長、充水流量、排氣問題、水流流態(tài)等進行研究，制定安全可靠的充水調度方案，是保證輸配水系統(tǒng)正常運行的基礎[3]。

1 充水過程物理機理及模型

1.1 充水過程物理機理

管道充水時，管道內存有空氣，因此管道內的流動實際上是水氣兩相流。根據(jù)國內外對壓力輸水管道系統(tǒng)中有關氣體釋放[4]、氣液兩相瞬變流基本理論[5]、空氣進排氣閥的特性[6- 7]、截留氣團的動態(tài)特性和動力特性的研究成果[8]，表明在較平坦的供水管路中會呈現(xiàn)6種氣液兩相流狀態(tài)，即①層流狀(充水前期)，②波狀流(充水中期)，③段塞流(充水后期)，④氣團流(充水后期)，⑤泡沫流(瞬間出現(xiàn)并迅速轉化為氣團流)，⑥環(huán)狀流(瞬間出現(xiàn)并迅速轉化為波狀流或段塞流)。

圖1 大伙房輸水系統(tǒng)組成示意圖

另外，就管道系統(tǒng)的排、進氣來說，初次運行前的充水過程與泄水過程以及正常運行過程存在著顯著差異[5]。充水過程總體上是一個需要大量排氣的過程，但當充水為急流時，又會成為摻氣、挾氣(即進氣)過程。通常將管道分為水平段、上坡段和下坡段三種線型單元分析其水流條件。

(1)上坡段。上坡段在充水時流態(tài)相對簡單，除了因充水流速過大而發(fā)生水面波動和翻滾外，基本是緩慢均勻上升的。這種情況對排、進氣設計是有利的。

(2)水平段。水平段在充水時的流態(tài)比較復雜，起始端為涌流，其后形成b0型降水曲線。管徑較小時水面坡度比較陡，管徑較大時水面坡度將極為平緩。

(3)下坡段。下坡段充水時，其氣、水流態(tài)和過程比較復雜。根據(jù)管線坡度的不同，可能是緩流，但多數(shù)情況下是急流。在急流流態(tài)下充水，將不可避免地發(fā)生水體摻氣和挾氣。

以上三種特征單元通常稱為“三線”，同“三線”相連接的“三點”也有同其相關聯(lián)的特征，見表1。

表1 管道不同特征點的水流流態(tài)和氣水流向

1.2 充水過程物理模型

輸水管道充水過程屬于非恒定有壓流，涉及復雜的水氣兩相流運動，加上水流流態(tài)變化不定，難以建立統(tǒng)一的物理模型，而與此同時還必須考慮沿線空氣閥的排氣特性等等。根據(jù)小流量設計原則，針對輸配水系統(tǒng)結構和組成，建立下坡段水流下泄和下彎管段、水平段順序平漲充水相結合的物理模型。當水體從管線高點運動至管線低點后，水位以順序平漲的規(guī)律上升充水。“順序平漲”是指當下彎管段中的水位高于右高點時，水體向下游溢出，上游水位保持不變的同時，下游水位增高；當下彎管段中的水位高于左高點時，水體往上游涌高，此管段連同上游管段水位平行上漲。當最末端管段被水體完全充滿后，水體不斷上涌直至涌滿整個輸水管道，充水過程結束。水體隨著水位上漲，管道中氣體被水體隔斷，形成不同體積、不同密度、不同質量、各自獨立的氣囊，聚集于管道的隆起段。這些氣囊分別通過各自范圍內所設置的空氣閥排出氣體，力圖使管道內的氣體壓力維持在大氣壓左右，以確保按要求、按計劃順利完成管道充水任務。模型如圖2所示。管道充水過程按照1→2→3→4→……子過程依次執(zhí)行。

圖2 充水過程物理模型示意圖

2 分段充水方案

2.1 充水控制原則

大伙房水庫輸水(二期)工程屬于長距離、多目標、大流量的密閉系統(tǒng)，綜合考慮充水時安全性、事故發(fā)生機率、事故危害程度、事故影響范圍及時間、事故的可控性等因素，結合系統(tǒng)布置情況，確定充水控制原則。

(1)分段小流量充水。采用較小的流量對即將投入運行的管道充水是一項重要原則和主要手段，它不僅可以避免管路水錘，也是減小排、進氣設施規(guī)模的重要條件之一。文獻指出[9]：“如果管道以等于0.3倍的正常流量或更小的速度充水，將不會發(fā)生由水錘造成的管道破壞”，并強調“為了盡量減少管內剩余空氣和避免發(fā)生水錘，任何情況下充水流速不應超過0.6m/s”。進、排氣設計時，應當盡可能地將充水時的滿管平均流速規(guī)定為0.3m/s，最大不超過0.6m/s。

(2)充水過程中管道內的壓力等級限制。結合專家意見和實際工程經驗[10]，選取管道充水過程中的絕對氣壓不超過0.06MPa，選擇合適的空氣閥進行控制。

2.2 分段充水方案

(1)分6段充水方案

充分利用干線設置的調流閥調流、調壓特性，分6段充水，即取水頭部到撫順配水站(GA1)、撫順配水站至沈陽2配水站(GA2)、沈陽2配水站至鞍山加壓站(GA3)、鞍山加壓站至營盤配水站(GA4)、營盤配水站至營口(GA5)、營盤配水站至盤錦(GA6)。隧洞出口至鞍山加壓站為雙管布置，此區(qū)段兩條管道分別充水。充水特征參數(shù)詳見表2。

表2 分6段充水方案特征參數(shù)

注：()內數(shù)值為管線參數(shù)。

(2)分11段充水方案

充水段分為11段[11]，即隧洞段到撫順配水站(GA1)[12]、撫順干線配水站到隧洞出口(GA2)、隧洞出口到沈陽1配水站段(GA3)、沈陽1配水站到沈陽2配水站段(GA4)、沈陽2配水站到4#穩(wěn)壓塔段(GA5)、4#穩(wěn)壓塔到5#穩(wěn)壓塔段(GA6)、5#穩(wěn)壓塔到遼陽配水站段(GA7)、遼陽配水站到鞍山加壓站段(GA8)、鞍山加壓站到營盤配水站段(GA9)、營盤配水站到營口段(GA10)、營盤配水站到盤錦段(GA11)。充水特征參數(shù)詳見表3。

2.3 分段充水計算結果分析

分別針對輸水系統(tǒng)分為6段和11段的兩個充水方案進行計算分析，這里選擇沈陽2配水站前管段的計算結果進行說明，頭部充水流量為8.449m3/s。

表3 分11段充水方案特征參數(shù)

圖3 隧洞段及管線段分析節(jié)點圖

圖3為隧洞段及管線段分析節(jié)點圖，利用管線特征位置點point1(管道進口)和point2(局部高點)的管道內氣團壓力和管線的局部最低點point3和point4的水深變化來反映充放水過程的主要特征。

(1)各方案充水過程管道內氣團壓力變化

在兩個不同充水方案下，管道內特征位置處(point2)氣團壓力的變化過程線如圖4所示。

由圖4可以看出，兩種情況下point2位置處的氣團壓力變化趨勢基本相似。以分11段情況下的壓力變化為例進行分析，當?shù)谌蔚谌龁卧艿纼人辉?6.75～67.40m之間上升時，水體持續(xù)流入管道內，管內氣體不斷被壓縮，所以point2氣體壓力先迅速增大，在管內水位超過67.40m后，第三單元和第二單元內水位同時上升，此時第三單元只有頂部收縮段尚未充滿，橫截面積小，水體大部分流入第二單元，第三單元流入的水體體積比空氣閥向外界排出的空氣體積少，故point2氣體壓力又快速下降。

分11段時的最大壓力比分6段要小，這是因為分6段時水深是從40.10m處開始上漲，而分11段時是從56.75m處開始上漲，顯然前者到達水深70.60m處所用時間要長，時間越長，積累在管內氣體越多，因此壓力也越大。可見分段越多就可以相對減小管道內氣體壓力。

圖4 不同分段充水方案下氣團壓力變化曲線(point2位置處)

(2)各方案充水過程管道內水深的變化

在兩個不同充水方案下，管道內特征位置處(point3)水深的變化過程線如圖5所示。

圖5 不同分段充水方案下水深變化曲線(point3位置處)

由圖5可見，point3處水深先上升2.14m(水位69.18m)后水體流至下游，水深保持不變，直至下游水位上升至69.18m，水位又重新上升，直至充滿。分十一段時下游水位到達69.18m所用時間要短的多，因為它是從56.75m處開始上漲。

(3)管道內水深變化與氣團體積的關系

在兩個不同充水方案下，管道內特征位置處(point4)水深和氣體體積的變化過程線分別如圖6、7所示。

圖6 不同分段充水方案下水深變化曲線(point4位置處)

圖7 分段不同情況下第四單元氣體體積變化曲線

由圖6、7可見，第四單元水深與氣體體積呈反比變化，不同情況下氣體體積變化曲線的變化趨勢相同，都是隨著充水時間的增加，水深在不斷增加，氣體體積不斷減小，因為氣體不斷排出，最后氣體體積減為0，即表明該單元管道充滿。

3 結論

通過對充水過程物理機理及模型、水流流態(tài)、充水段長、充水過程管道特征點氣團壓力變化、管道水深變化、管道水深變化與氣團體積關系等分析，大伙房水庫輸水(二期)工程制定了11個水力控制段小流量充水方案，通過對每個充水段的設備和設施的監(jiān)視、監(jiān)測，系統(tǒng)運行正常，為工程初期安全運行奠定了基礎。結論如下：

(1)充水時間與充水流量密切相關，隨著充水流量的增大，整體充水時間在減少，但是流量過大將使管道內氣體壓力過大。

(2)充水分段短可以相對減小管道內氣體壓力、防止斷流彌合水錘發(fā)生。

(3)綜合考慮充水和運行工況，選擇相應性能的空氣閥十分重要。

[1] 馬宇, 王淑偉. 遼寧省水資源現(xiàn)狀分析及保護措施研究[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2005(11).

[2] 趙向軍. 長距離輸水工程水錘危害及防護措施[J]. 水利技術監(jiān)督, 2008(03).[3]鄭源,索麗生,屈波,等.有壓輸水管道系

統(tǒng)含氣水錘研究[J]. 河海大學學報(自然科學版), 2005(03).

[4] 郭永鑫, 楊開林, 郭新蕾, 等. 長輸水管道充水的氣液兩相流數(shù)值模擬[J]. 水利水電技術, 2006(09).

[5] 鄭源, 劉德有, 張健, 等. 有壓輸水管道系統(tǒng)氣液兩相瞬變流研究綜述[J]. 河海大學學報(自然科學版), 2002(06).

[6] AWWA. Concrete Pressure Pipe[M]. USA: AWWA, 1995.[7]張健,朱雪強,曲興輝,等.長距離供水工

程空氣閥設置理論分析[J]. 水利學報, 2011(09).

[8] 鄭源, 索麗生, 張健, 等. 輸水管道系統(tǒng)氣體特性與水流沖擊截留氣團研究[J]. 水科學進展, 2005(06).

[9] AWWA C512- 07. Air-Release, Air/Vacuum & Combination Air Valves[S].

[10] 遼寧省大伙房水庫輸水工程建設局. 遼寧省大伙房水庫輸水(二期)工程泵站及全系統(tǒng)水力過渡過程分析報告[R]. 遼寧省大伙房水庫輸水工程建設局, 2006.

[11] 曲興輝, 周林虎. 大伙房水庫輸水(二期)工程全線調度規(guī)程[R]. 遼寧省大伙房水庫輸水工程建設局, 2011.

[12] 姜潤文. 輸水隧洞充水試驗過程及效果淺析[J]. 水利技術監(jiān)督, 2014(06).