調(diào)壓兼通風(fēng)豎井在長距離有壓隧洞引水工程水錘防護(hù)中的應(yīng)用

王連廣

(吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春 130021)

長距離輸水工程的輸水線路在調(diào)節(jié)流量，水泵開啟關(guān)閉時(shí)、啟閉閥門時(shí)，都會使輸水線路的流速、流量發(fā)生改變，從而導(dǎo)致管道的內(nèi)水壓力發(fā)生變化，甚至發(fā)生水錘。雖然這種變化過程持續(xù)的時(shí)間短暫，但在工程設(shè)計(jì)中，如果對水錘的計(jì)算不準(zhǔn)確，輸水線路設(shè)計(jì)不考慮相應(yīng)的防護(hù)措施，將會造成輸水線路和泵站機(jī)組損壞等工程事故。嚴(yán)重時(shí)，將影響輸水工程的正常運(yùn)行和輸水安全。因此進(jìn)行長距離引水工程的水錘計(jì)算防護(hù)研究，準(zhǔn)確合理地計(jì)算模擬水力過渡過程，選用合理、安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的水錘防護(hù)措施非常重要，對保障引水線路的供水安全運(yùn)行，節(jié)省工程投資意義重大。

本文結(jié)合吉林省某引水工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過對工程總干線輸水線路進(jìn)行水力過渡過程計(jì)算，模擬工程總干線運(yùn)行中可能出現(xiàn)的水力過渡過程，復(fù)核通風(fēng)兼調(diào)壓豎井的最高和最低涌浪水位，以消除或減弱水力過渡過程對輸水系統(tǒng)供水造成的影響。通過設(shè)置通風(fēng)兼調(diào)壓豎井的工程措施，確保供水工程的運(yùn)行安全，對類似長距離有壓隧洞引水工程的水錘防護(hù)有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 工程概況

工程線路分為1條總干線，長約110km，包括98km隧洞、10kmPCCP管道，2km現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力涵。總干線輸水流量38.0m3/s。總干線輸水方式為自流輸水，末端為馮家?guī)X分水樞紐調(diào)壓井，調(diào)壓井后接分水樞紐泵站。總干線經(jīng)過分水樞紐分水后，又分為3條輸水干線。

1.1 通風(fēng)兼調(diào)壓豎井的布置

工程總干線共布置了4座通風(fēng)兼調(diào)壓豎井及2座調(diào)壓井，通風(fēng)兼調(diào)壓豎井及調(diào)壓井參數(shù)見表1。

表1 通風(fēng)兼調(diào)壓豎井及調(diào)壓井參數(shù) 單位：m

注：加*數(shù)據(jù)為飲馬河調(diào)壓井及馮家?guī)X調(diào)壓井的溢流高程。

1.2 有關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)控制條件

在提出采用水錘防護(hù)裝置措施，實(shí)現(xiàn)在發(fā)生任何水錘過程中，保證管路上的最大壓力小于1.25倍管路工作壓力；總干線按60m控制；盡量使總干線隧洞段內(nèi)水壓力水頭控制在50～60m之內(nèi)，提出使輸水總干線內(nèi)水壓力升高值最小的工程布置方式，壓力數(shù)值以最后綜合分析計(jì)算確定。

2 水力過渡過程計(jì)算原理及數(shù)學(xué)模型

描述任意管道中的水流運(yùn)動狀態(tài)的基本方程為：

表2 總干線沿線各通風(fēng)豎井及調(diào)壓井的最高涌浪

(1)

(2)

式中，H—測壓管水頭，m；Q—流量，m3/s；D—管道直徑，m；A—管道面積，m2；t—時(shí)間變量，s；a—水錘波速，m/sg；—重力加速度，m/s2；x—沿管軸線的距離，m；f—摩阻系數(shù)；β—管軸線與水平面的夾角。

式(1)、(2)可簡化為標(biāo)準(zhǔn)的雙曲型偏微分方程，從而可利用特征線法將其轉(zhuǎn)化成同解的管道水錘計(jì)算特征相容方程。

對于長度L的管道A—B，其兩端點(diǎn)A、B邊界在t時(shí)刻的瞬態(tài)水頭HA(t)、HB(t)和瞬態(tài)流量QA(t)、QB(t)可建立如下特征相容方程：

C-：HA(t)=CM+RMQA(t)

(3)

C+：HB(t)=CP-RPQB(t)

(4)

其中，CM=HB(t-kΔt)-(a/gA)QB(t-kΔt)；RM=a/gA+R|QB(t-kΔt)|；CP=HA(t-kΔt)-(a/gA)QA(t-kΔt)；RP=a/gA+R|QA(t-kΔt)|；式中，Δt—計(jì)算時(shí)間步長；ΔL—特征線網(wǎng)格管段長度，ΔL=aΔt(庫朗條件)；k—特征線網(wǎng)格管段數(shù)，k=L/ΔL；R—水頭損失系數(shù)，R=Δh/Q2；其它符號意義同前。

水力過渡過程計(jì)算一般從初始穩(wěn)定動行狀態(tài)開始，即取此時(shí)t=0.0，因此當(dāng)式中(t-kΔt)<0時(shí)，則令(t-kΔt)=0，即取為初始值。

式(3)、(4)均只有兩個(gè)未知數(shù)，將其分別與A、B節(jié)點(diǎn)的邊界條件聯(lián)列計(jì)算，即可求得A、B節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)參數(shù)。

3 總干線壅水計(jì)算及水位超降計(jì)算

3.1 總干線壅水計(jì)算

壅水工況主要目的是計(jì)算分析總干線中可能產(chǎn)生的最大壓力，以及沿線各通風(fēng)豎井及調(diào)壓井的水位波動情況，驗(yàn)證沿線的最大壓力是否滿足壓力控制標(biāo)準(zhǔn)的要求，并根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果對現(xiàn)有通風(fēng)豎井及調(diào)壓井的尺寸進(jìn)行復(fù)核優(yōu)化。

上游水庫水位將直接影響沿線通風(fēng)豎井和調(diào)壓井的涌浪水位和溢流量，以及沿線的最大壓力。考慮到引水水庫校核洪水位為267.7m，總干線沿線通風(fēng)豎井和調(diào)壓井的涌浪水位、溢流量以及沿線的最大壓力在該水位下較正常蓄水位工況將更危險(xiǎn)，因此計(jì)算校核工況選為引水水庫校核洪水位。

總干線各通風(fēng)豎井、飲馬河調(diào)壓井及馮家?guī)X調(diào)壓井的最高涌浪水位及壅水過程線見表2及如圖1～8所示。

圖1 總干線最大壓力包絡(luò)線(距離零點(diǎn)為引水水庫)

圖2 1#調(diào)壓兼通風(fēng)豎井(樁號15+510)水位變化過程線

圖3 2#調(diào)壓兼通風(fēng)豎井(樁號37+754)水位變化過程線

圖4 3#調(diào)壓兼通風(fēng)豎井(樁號55+895)水位變化過程線

圖5 飲馬河調(diào)壓豎井(樁號71+784)水位變化過程線

圖6 飲馬河調(diào)壓豎井(樁號71+784)溢流量變化過程線

圖7 4#調(diào)壓兼通風(fēng)豎井(樁號103+979)水位變化過程線

圖8 馮家?guī)X調(diào)壓井(樁號109+565.8)水位變化過程線

根據(jù)表2及圖1～8可以看出，在工況(引水水庫校核洪水位267.7m)下，總干線沿線通風(fēng)豎井及調(diào)壓井的溢流水位為263.5m。總干線沿線最大壓力受通風(fēng)豎井及調(diào)壓井的溢流水位控制，沿線的最大壓力為54.31m，沒有超過60m的壓力控制標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的安全余量。現(xiàn)有通風(fēng)豎井及調(diào)壓井的尺寸可以滿足總干線沿線最大壓力控制要求。

3.2 總干線水位超降計(jì)算

超降工況主要目的是計(jì)算分析總干線中可能產(chǎn)生的最小壓力，以及沿線各通風(fēng)豎井及調(diào)壓井的水位波動情況，驗(yàn)證沿線的最小壓力是否滿足壓力控制標(biāo)準(zhǔn)的要求，并根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果對現(xiàn)有通風(fēng)豎井及調(diào)壓井的尺寸進(jìn)行復(fù)核優(yōu)化。

選取引水水庫最低水位，即死水位242.0m作為該工況的上游計(jì)算水位。在該工況下，針對不同的水泵啟動方案，驗(yàn)證總干線的最小壓力和通風(fēng)兼調(diào)壓豎井的最低涌浪水位是否滿足設(shè)計(jì)要求。

總干線各通風(fēng)豎井、飲馬河調(diào)壓井及馮家?guī)X調(diào)壓井的最低涌浪水位及水位變化過程線見表3及如圖9所示。

圖9 總干線最小壓力包絡(luò)線(距離零點(diǎn)為引水水庫)

根據(jù)表3及圖9可以看出，總干線沿線最小壓力受通風(fēng)豎井及調(diào)壓井的溢流水位控制，總干線沿線的最小壓力為0.54m(以管中心線為基準(zhǔn))，出現(xiàn)在樁號81+169至81+606之間的管段，因此，為保證該管段管頂以上無負(fù)壓，需要增加該管段埋深2.5m。在管線局部增大埋深的情況下，現(xiàn)有通風(fēng)豎井及調(diào)壓井的尺寸基本滿足總干線沿線最小壓力控制要求。馮家?guī)X調(diào)壓井及飲馬河調(diào)壓井在啟泵過程中的最小水深分別滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

通過對工程總干線輸水系統(tǒng)水力過渡過程的計(jì)算分析，總干線沿線最大壓力受通風(fēng)豎井及調(diào)壓井最高涌浪控制，通過分析總干線沿線通風(fēng)豎井及調(diào)壓井的壅水工況，在確定總干線沿線通風(fēng)豎井及調(diào)壓井最高涌浪水位的同時(shí)，可獲取沿線最大壓力的相關(guān)數(shù)值。通過對相關(guān)控制工況的計(jì)算分析，在最不利工況下，總干線沿線的最大壓力為53.94m，沒有超過60.0m的最大壓力控制標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的安全余量。通風(fēng)豎井及調(diào)壓井的尺寸可以滿足總干線沿線最大壓力控制要求。

表3 總干線沿線各通風(fēng)豎井及調(diào)壓井的最低涌浪 單位：m

綜合以上計(jì)算及分析，在長距離有壓隧洞輸水工程中，在合理的位置選擇布置通風(fēng)豎井及調(diào)壓豎井，并經(jīng)過計(jì)算確定合適的豎井尺寸，可以有效的控制長距離輸水系統(tǒng)水錘造成的危害，大大降低了工程運(yùn)行時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，可以保證工程的安全可靠運(yùn)行。