某高水頭、長(zhǎng)距離引調(diào)水工程關(guān)鍵技術(shù)分析

周培勇

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335）

1 工程簡(jiǎn)況

1.1 工程簡(jiǎn)介

某城區(qū)引調(diào)水工程從已建的水庫(kù)向城區(qū)供水，給沿線規(guī)劃水廠供水，并作為城區(qū)兩個(gè)主要水廠的應(yīng)急備用水源，工程設(shè)計(jì)供水規(guī)模80萬(wàn)m3/d，校核工況下供水規(guī)模100萬(wàn)m3/d。工程建筑物主要由取水口、引水隧洞、調(diào)壓井、消能電站、引水管道等組成。引水線路總長(zhǎng)約76.79 km，其中隧洞全長(zhǎng)39 km，供水管路長(zhǎng)37.79 km。已建取水水庫(kù)最高蓄水位303.50 m，供水城區(qū)地坪高程約20 m，采用重力流輸水模式。由于管道末端水壓大，流量大，無(wú)法采用減壓閘消能，因此在整個(gè)輸水線路中間部位布置消能水電站以消除隧洞剩余水頭，消能電站額定水頭183.0 m，消能電站前線路長(zhǎng)34.83 m，主要為隧洞與管橋，消能電站后線路長(zhǎng)41.96 m，主要為淺埋管與倒虹吸，消能電站裝機(jī)容量2.0萬(wàn)kW。

1.2 地質(zhì)概況

本工程場(chǎng)區(qū)地勢(shì)特點(diǎn)西北多山，東南平坦，地勢(shì)從西北向東南傾斜，依次出現(xiàn)中山、低山、丘陵、臺(tái)地、平原。場(chǎng)區(qū)分布第四系覆蓋層為沖洪積層（Qal+pl）、殘積層(Qel)；基巖主要有三疊系上統(tǒng)大坑組（T3d）、侏羅系上統(tǒng)梨山組（J1l）以及兜嶺群上組（J3dl2）。場(chǎng)區(qū)侵入巖分布廣泛，主要為燕山構(gòu)造層早期第三次侵入黑云母花崗巖與燕山晚期第二次侵入花崗巖、石英斑巖。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g，相應(yīng)地震基本烈度Ⅶ度，地震分組為一組地區(qū)，其特征周期為0.40 s。場(chǎng)區(qū)地下水類型可分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩大類，松散巖類孔隙水主要賦存于引水管線沿線的江河及其支流的沖積平原、山間谷地、山間盆地及濱海平原，基巖裂隙水主要賦存于基巖中，含水層為基巖中的各種節(jié)理、裂隙段，主要為大氣降雨通過(guò)裂隙、洼地等入滲及上層滯水補(bǔ)給地下水。

本工程主要工程地質(zhì)問(wèn)題有軟土地基穩(wěn)定、暗挖段埋深小于30 m的淺埋暗挖洞室穩(wěn)定、隧洞穿越斷層破碎帶的圍巖穩(wěn)定、花崗巖風(fēng)化不均勻、隧洞（基坑）涌水與隧洞出入口的邊坡穩(wěn)定等問(wèn)題。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

本工程取水口與水廠之間高差大、距離遠(yuǎn)，為解決消除多余水頭與水流能自流到水廠這一矛盾，消能、水錘防護(hù)、水力學(xué)計(jì)算分析成為保證水流穩(wěn)定自流到水廠的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析，綜合考慮工程經(jīng)濟(jì)性與安全性、施工便利性、工期等因素后，確定線路布置方案，在中部設(shè)置消能電站解決消能問(wèn)題。消能電站前與消能電站后的輸水線路關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題各有特點(diǎn)，本文針對(duì)消能電站前、消能電站后的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分別進(jìn)行分析研究。

3 消能電站前關(guān)鍵技術(shù)

3.1 調(diào)壓室設(shè)置判別

消能電站前的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題主要為水錘與調(diào)節(jié)保證問(wèn)題。消能電站前為長(zhǎng)引水系統(tǒng)，是否應(yīng)該設(shè)置調(diào)壓井使有壓水道避免水錘壓力影響應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定，依據(jù)《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 35021-2014）[1]，基于水道特性進(jìn)行調(diào)壓井設(shè)置判別。上游調(diào)壓室的設(shè)置條件按下式判斷：

式中：Tw為壓力水道中水流慣性時(shí)間常數(shù)，s；Li為壓力水道及蝸殼尾水管 (無(wú)下游調(diào)壓室時(shí)應(yīng)包括壓力尾水道)各分段的長(zhǎng)度，m；Vi為各分段內(nèi)相應(yīng)的流速，m/s；g 為重力加速度，m/s2；Hp為設(shè)計(jì)水頭，m；[Tw]為 Tw的允許值，一般取 2 s～4 s。

水流慣性時(shí)間常數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 水流慣性時(shí)間常數(shù)計(jì)算成果表

從以上計(jì)算可以看出，Tw＞[Tw]，由于引水隧洞較長(zhǎng)，為保證機(jī)組的調(diào)速性能，改善機(jī)組的運(yùn)行條件，需設(shè)置上游調(diào)壓室。

3.2 調(diào)壓室水力計(jì)算

阻抗式調(diào)壓室穩(wěn)定性好，所需調(diào)壓室體積較小，本工程調(diào)壓井型式選用阻抗式。調(diào)壓井的水力計(jì)算主要包含以下三個(gè)方面的內(nèi)容：

（1）研究“引水道-調(diào)壓室”系統(tǒng)波動(dòng)穩(wěn)定問(wèn)題，確定所求調(diào)壓室的最小托馬斷面。

（2）求最高涌波水位，確定引水隧洞設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力上限值，用于引水隧洞結(jié)構(gòu)計(jì)算與隧洞進(jìn)出口布置。

（3）求最低涌波水位，確定上水庫(kù)至調(diào)壓井的水力坡降線下限值，進(jìn)而確定引水隧洞布置高程。

電站最大引用流量為Q=12.731 m3/s，上下游最小水位差為197.50 m，四臺(tái)機(jī)組共用一個(gè)上游調(diào)壓室，調(diào)壓室穩(wěn)定面積采用托馬準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算[1]。

式中：F為上游調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積，m2；L為壓力引水道長(zhǎng)度，m；f為壓力引水道斷面面積，m2；H0為發(fā)電最小毛水頭，即對(duì)應(yīng)上下游最小水位差，機(jī)組發(fā)出最大輸出功率時(shí)的毛水頭，m；α為自水庫(kù)至調(diào)壓室水頭損失系數(shù)，α＝hw0/v，m；v為壓力引水道流速，m/s；hw0為壓力引水道水頭損失，m；hwm為調(diào)壓井下游壓力管道總水頭損失，m；K為系數(shù)，一般可采用1.0～1.1。

通過(guò)計(jì)算得出調(diào)壓室波動(dòng)最小穩(wěn)定斷面積為9.364 m2，據(jù)此調(diào)壓室內(nèi)徑采用D=10 m，滿足小波動(dòng)穩(wěn)定要求。阻抗孔內(nèi)徑D=2.0 m，壓力引水道內(nèi)徑D=3.0 m，阻抗孔面積為壓力引水道面積的44%。

最高涌浪水位與最低涌浪水位計(jì)算[1～2]。

①計(jì)算工況

（a）最高涌浪水位計(jì)算工況

按上游正常蓄水位303.50 m時(shí)，全部機(jī)組滿載運(yùn)行時(shí)瞬時(shí)丟棄全負(fù)荷作為設(shè)計(jì)工況，按上游校核洪水位306.66 m相應(yīng)工況進(jìn)行校核。

（b）最低涌浪水位計(jì)算工況

按上游死水位275.0 m時(shí)，全部4臺(tái)機(jī)組由0負(fù)荷增至滿載。

②調(diào)壓室涌浪計(jì)算

（a）阻抗式調(diào)壓室丟棄全負(fù)荷時(shí)最高涌浪計(jì)算：

當(dāng) λ'hc0＜1 時(shí)：

引用流量 Q0=12.7 m3/s，hc0=3.193 m，hw0=27.773 m，計(jì)算得 λ'=0.057，因 λ'hc0=0.182＜1，采用式（4）用解析法求得設(shè)計(jì)工況、校核工況調(diào)壓室最高涌浪水位分別為319.861 m、323.021 m。

（b）阻抗式調(diào)壓室最低涌浪計(jì)算：

式中：ε為無(wú)因次系數(shù)，表示壓力水道—調(diào)壓室系統(tǒng)的特性；Q為增加負(fù)荷前的流量，m3/s；Q0為增加負(fù)荷后的流量，m3/s；其余式中符號(hào)含義同式（3）。

采用解析法求得調(diào)壓室最低涌浪水位為226.30 m。

綜上所述，調(diào)壓室最高涌浪水位為上游校核洪水位工況計(jì)算所得，其值為323.021 m；最低涌浪水位為死水位全部機(jī)組增荷至滿載計(jì)算所得，其值為226.30 m。調(diào)壓井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見(jiàn)圖1。

圖1 調(diào)壓井結(jié)構(gòu)剖面圖

4 消能電站后關(guān)鍵技術(shù)

4.1 自流分析

管道水頭損失主要考慮沿程水頭損失和局部水頭損失。水頭損失計(jì)算參照《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB J50013-2006）[3]確定。混凝土管及采用水泥砂漿內(nèi)襯的金屬管道，采用下式計(jì)算：

式中：hf為沿程水頭損失，m；l為計(jì)算管段長(zhǎng)度，m；R為水力半徑，m；V為管道斷面水流平均流速，m/s；C為謝才系數(shù)；n為糙率系數(shù)，本工程中球墨鑄鐵管糙率系數(shù)取0.013。

局部水頭損失按沿程水頭損失的10%考慮，總水頭損失為沿程水頭損失與局部水頭損失的總和。本工程設(shè)計(jì)供水規(guī)模80萬(wàn)m3/d，校核供水規(guī)模100萬(wàn)m3/d，城鎮(zhèn)的事故用水量為設(shè)計(jì)水量的70%，則事故用水量為56萬(wàn)m3/d。消能電站后有兩條輸水干管，依據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50013-2006）[3]：輸水干管任何一段發(fā)生故障時(shí)要仍能通過(guò)事故用水量。考慮消能電站后一條輸水干管發(fā)生故障，僅一條輸水干管引用事故用水量56萬(wàn)m3/d為事故工況。計(jì)算分析各工況下消能電站后輸水管道是否出現(xiàn)負(fù)壓，各工況下，消能電站后輸水管線水頭損失匯總表見(jiàn)表2。

表2 供水線路水頭損失計(jì)算成果

本工程輸水模式采用重力流輸水，各管線末端需有一定壓力水頭，保證輸水管線中水流能自流到各水廠。調(diào)節(jié)水池最低水位78.00 m，設(shè)計(jì)水位80.00 m，由表2可知：經(jīng)計(jì)算調(diào)節(jié)池最低運(yùn)行水位下，校核工況輸水規(guī)模為100萬(wàn)m3/d時(shí)消能電站后原水管水頭損失最大。各水廠壓力水頭值見(jiàn)表3，由表3可知：在最不利校核工況下，可保證水流在有壓作用下能自流到各水廠，水廠的最小水頭富裕值為6.21 m，且沿線不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，滿足運(yùn)行需要。

表3 供水管道各水廠壓力水頭對(duì)比

4.2 水錘防護(hù)

消能電站前設(shè)置調(diào)壓井有效避免了消能電站前水錘壓力的影響，消能電站后的水錘需通過(guò)水錘防護(hù)措施進(jìn)行控制，本工程消能電站后的水錘通過(guò)以下三級(jí)防護(hù)措施進(jìn)行預(yù)防控制。

（1）一級(jí)防護(hù)：防水錘空氣閥自適應(yīng)控制（防水錘空氣閥、復(fù)合空氣閥）；

（2）二級(jí)防護(hù)：安全超壓閥自動(dòng)化控制（安全泄壓閥）；

（3）三級(jí)防護(hù)：爆管緊急切斷閥應(yīng)急控制（緊急切斷閥）。

防水錘空氣閥充水過(guò)程中浮球和滑動(dòng)體不會(huì)發(fā)生吹堵，避免產(chǎn)生空氣閥關(guān)閥水錘；水柱彌合時(shí)，限制排氣速度，在空氣閥附近截留空氣形成氣囊，能吸納和緩和水柱彌合能量，減小彌合水錘升壓值。安全超壓閥在管線超壓時(shí)及時(shí)打開(kāi)泄壓、低壓或真空時(shí)及時(shí)打開(kāi)吸氣。應(yīng)急工況當(dāng)爆管發(fā)生時(shí)，爆管緊急切斷閥自動(dòng)關(guān)閉，減小因爆管產(chǎn)生的水損失以及可能發(fā)生的次生災(zāi)害。

三級(jí)水錘防護(hù)閥與原水管道其它附屬設(shè)施綜合考慮進(jìn)行合理布置，才能保證原水管道在運(yùn)行期的安全穩(wěn)定運(yùn)行，各類閥門(mén)布置匯總表見(jiàn)表4，典型布置圖見(jiàn)圖2。

表4 各類閥門(mén)布置匯總表

圖2 各類閥門(mén)典型布置圖

5 結(jié)論

（1）消除多余水頭、水錘防護(hù)、水力學(xué)計(jì)算分析是高水頭、長(zhǎng)距離引調(diào)水工程的關(guān)鍵技術(shù)。

（2）本工程通過(guò)在中間部位設(shè)置消能電站消除多余水頭，在消能電站前設(shè)置調(diào)壓井使引水隧洞基本避免了水錘壓力的影響，消能電站后通過(guò)布置三級(jí)水錘防護(hù)閥門(mén)有效避免了水錘壓力對(duì)供水管道的影響。

（3）調(diào)壓室最小托馬斷面為9.364 m2，最高涌波水位323.021 m，最低涌波水位226.30 m；消能電站后引水管道在校核工況的水頭損失最大，最大值為48.733 m。

（4）上水庫(kù)死水位275.0 m與調(diào)壓井最低涌浪水位226.30 m連線為消能電站前壓力水頭下限值，校核工況下的管道水力坡降線為消能電站后壓力水頭下限值，依據(jù)水庫(kù)至水廠的壓力水頭下限值，保證洞頂與管頂?shù)陀趬毫λ^下限值2.0 m確定隧洞與管道高程后，水流能自流到各水廠，水廠的最小水頭富裕值為6.21 m。