珠江三角洲水資源配置工程鯉魚洲—高新沙段輸水系統水力過渡過程分析計算

陳小云,馮文濤,穆祥鵬

(1.廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635；2.長江勘測規劃設計研究院，湖北 武漢 430012；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038)

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程是為優化珠三角地區東、西部水資源配置，解決城市生活、生產缺水，提高供水保證率，同時為香港特別行政區以及番禺、順德等地區提供應急備用水源而興建的水資源配置工程。

珠江三角洲水資源配置工程取水口位于廣東省佛山市順德區杏壇鎮的西江干流河段及東海水道，輸水線路由西向東布置，全長為113.1 km，經隧洞、箱涵、管道輸水至深圳市公明水庫、東莞市松木山水庫和廣州市南沙區黃閣水廠。工程多年平均引水量為17.87億m3，供水量為17.08億m3，主要供水對象是廣州市南沙區、深圳市和東莞市的缺水地區，其中廣州市南沙區年供水量5.31億m3，深圳市8.47億m3，東莞市3.30億m3。

本工程由輸水干線工程(鯉魚洲取水口—羅田水庫)、深圳分干線(羅田水庫—公明水庫)、東莞分干線(羅田水庫—松木山水庫)和南沙支線(高新沙水庫—黃閣水廠)組成，主要建筑物有：泵站3座、高位水池2座、新建水庫1座、輸水隧洞5座、輸水管道1條、倒虹吸1座、進庫閘4座、進水閘2座、量水間8座和各類閥井35座[1]。工程概況示意見圖1。

圖1 工程總體布置示意

2 鯉魚洲—高新沙段輸水系統

鯉魚洲—高新沙段輸水系統為珠江三角洲水資源配置工程干線輸水系統的重要組成部分，由1座取水泵站、1座高位水池、一條雙線輸水隧道、1座在線調節水庫和14座進排氣閥井組成。該輸水線路在佛山市順德區境內的西江干流中央鯉魚洲島設置鯉魚洲取水泵站，經泵站取水提升至鯉魚洲高位水池后，通過輸水干線有壓自流至高新沙水庫，輸水線路全長為40.9 km，其中40.7 km為雙線DN4 800盾構隧洞，末端0.2 km為雙孔有壓箱涵。鯉魚洲取水泵站是珠江三角洲水資源配置工程的首級泵站，安裝8臺立式蝸殼離心泵(6用2備)，設計揚程為41.1m，單泵設計流量為15 m3/s，總抽水流量為80 m3/s，總裝機容量為8×9 000 kW。鯉魚洲高位水池既是鯉魚洲取水泵站的出水池，同時也兼做調壓井，具備調節輸水線路水錘壓力的功能。

由于鯉魚洲高位水池—高新沙水庫段輸水線路較長、輸水流量大，水流慣性較大，鯉魚洲高位水池在輸水管道低糙率、大流量運行時的事故停泵水力過渡過程中容易出現最低涌浪水位低于輸水隧洞洞頂的漏空現象。為避免鯉魚洲高位水池出現漏空現象，在鯉魚洲泵站前池設置了1條DN2 000的補水管連接至鯉魚洲高位水池底部，當鯉魚洲泵站發生事故停泵時，開啟補水管頭部的控制閥，從泵站前池向高位水池補水。鯉魚洲—高新沙段輸水系統布置見圖2～3。

圖2 鯉魚洲—高新沙段輸水系統平面示意

圖3 鯉魚洲—高新沙段輸水系統縱剖面示意

3 水力過渡過程分析計算

鯉魚洲—高新沙段輸水管線采用深埋盾構隧洞穿越順德市建成區，盾構隧洞埋深為30～60 m，靜水壓力最高達0.95 MPa，為長距離、大流量、高壓輸水系統，存在泵站流量變幅大、摩擦損失水頭占比大、泵站水位和管道糙率變化大等特點[2]；泵站運行工況復雜，泵組正常開啟、關閉及系統因事故停泵等情況下，輸水系統水力過渡復雜多變，水錘防護措施不當會危及系統的運行安全[3]。同時，由于盾構隧洞埋深大，一旦出現結構性破壞將難以修復，為此，針對系統中可能出現的水錘問題，需對鯉魚洲泵站事故停泵、正常開機、正常關機、蝶閥拒動等工況進行了水力過渡過程分析計算，確定各段盾構隧洞最大水錘壓力，提出泵站及輸水系統的水錘防護措施，為泵站及輸水系統設計及安全運行提供依據。

3.1 節點水位及計算工況

鯉魚洲取水口—高新沙水庫段輸水流量范圍為20～80 m3/s，當輸水流量20 m3/s時單管運行；輸水流量80 m3/s時雙管運行，管道糙率范圍為0.01～0.015，各節點水位見表1。

表1 各節點水位 m

本次分析計算水泵出口蝶閥采用兩階段線性關閉規律：前10 s由90°(全開)關至10°，后10 s由10°關至0°(全關)，計算工況見表2。

表2 計算工況

3.2 數學模型

3.2.1有壓管道非恒定流基本方程及解法

壓力管道中的水力瞬變由下述一對偏微分方程[4-5]描述(Wylie和Streeter，1978)：

(1)

(2)

式中H為從基準線算起的測壓管水頭,m；V為斷面平均流速,m/s；f為沿程阻力系數；D為管道直徑,m；a為水擊波速,m/s；g為重力加速度(取9.81 m/s2)；x、t分別為距離(m)和時間(s)。

方程(1)和(2)為雙曲型偏微分方程組，采用特征線方法，偏微分方程可以轉化為兩對常微分方程[6]。

(3)

(4)

圖4 有壓流特征線網格示意

沿特征線對上述常微分方程進行差分，可得如下的差分方程：

C+：HPi=CP-BPQPi

(5)

C-：HPi=CM+BMQPi

(6)

式中QPi為待求流量；HPi為待求水頭；系數CP、BP、CM和BM是上一時刻的已知量，具體表達式為：

CP=Hi-1+BQi-1，BP=B+R|Qi-1|，

CM=Hi+1-BQi+1，BM=B+R|Qi+1|。

聯立求解方程(5)和(6)得:

(7)

求出流量后，可以根據(5)或(6)得出測壓管水頭。

3.2.2有壓管道水擊波速的取值

設置鋼內襯的圓形隧洞的水擊波速可以按照下式計算[7]：

(8)

(9)

式中Ew為水的體積彈性模量，取2.0×106Pa；γ為水的容重，取9.8 kN/m3；r為隧洞半徑；K0為圍巖的單位抗力系數，取4.8×105kN/m；δ為鋼襯厚度；E為鋼襯彈性模量，取2.07×1011Pa。

計算可得帶鋼襯隧洞的水擊波速約為1 330 m/s。

3.3 控制指標

1)管線最小水錘壓力不小于2 m水頭[8]。

2)水泵最大倒轉轉速低于-1.2倍額定轉速，且持續時間不超過2 min[9]。

3)水泵低于40%額定轉速持續時間不超過 2 min[9]。

4)鯉魚洲高位水池頂部不溢流(頂部高程48.5 m)、最低涌浪水位與壓力管道頂部之間的安全高度不小于2 m[10]，即最低涌浪水位不低于-26.6 m。

3.4 計算結果及分析

3.4.1計算結果

各工況下水力過渡過程計算結果見表3。

3.4.2計算結果分析

1)水泵特性

由表3的計算結果可知，各事故停泵關閥工況下，水泵的機組均不會發生倒轉。

表3 水力過渡過程計算成果 m

2)泵組—鯉魚洲高位水池段

泵站出口閥—鯉魚洲高位水池段管道的最高壓力發生在4工況下，即6臺機組順次停機工況，最高壓力為83.64 m，位于泵出口閥前；最低壓力發生在14工況下，即5臺運行，1臺開啟，鯉魚洲高位水池進出流量最大時，6臺同時事故斷電的工況。該工況下，水泵60%額定轉速下變頻啟動，50 s線性開閥，在啟動后變頻至額定轉速后約10 s高位水池進出水量達到最大，此時6臺機同時事故斷電，管道最低壓力為-3.67 m，位于水泵出水管與鯉魚洲高位水池之間的流量計附近，通過適當加大出水鋼管壁厚以提高鋼管抗外壓失穩能力，且增設進排氣閥來緩解負壓來帶來的問題。除此之外其他工況下此段管道均未出現負壓的情況，均滿足系統安全要求。4號及14號工況下水泵出口閥后壓力波動如圖5～6所示。

圖5 工況4水泵出口閥后壓力過程示意

圖6 工況14水泵出口閥后壓力波動示意

3)鯉魚洲高位水池—高新沙水庫段

鯉魚洲高位水池—高新沙水庫段輸水隧洞的最高壓力發生在16工況下，即6臺運行，其中3臺依次關閉，待水位穩定后其中1條管末端閘門慢慢關閉，變成單管運行，后變頻至20 m3/s的工況，位于管道最低高程-55.75 m處，其最高壓力是由停水管道末端閘門的關閉速度決定的，當停水管道末端閘門關閉時間取300 s時，最高壓力為114.13 m，當末端閘門關閉時間延長至360 m時，最高壓力降為102.42 m，滿足隧洞安全要求。

輸水隧洞最小水錘壓力發生在7工況，即輸水隧洞最小糙率0.01、水泵最小揚程、6臺運行機組同時事故斷電、水泵后控制閥關閉的工況，出現在輸水隧洞首端，此時鯉魚洲高位水池出現露底。

16號和7號工況下，鯉魚洲—高新沙水庫段輸水管道壓力包絡線見圖7～8所示。

圖7 工況16管道系統壓力包絡線示意

圖8 工況7管道系統壓力包絡線示意

4)鯉魚洲高位水池

鯉魚洲高位水池最高涌浪水位發生在4工況，即輸水隧洞最大糙率0.015、水泵設計揚程、6臺機組順次停機的工況，此時高位水池最高涌浪水位為42.37 m，低于高位水池頂部結構高程，不會發生溢流。

由于在工況7條件下鯉魚洲高位水池出現了露底，同時在工況11條件下輸水隧洞首端最小壓力水頭不滿足2 m的要求，因此，在上述兩個工況的水力過渡過程中，開啟補水管頭部的控制閥，從鯉魚洲泵站前池向鯉魚洲高位水池補水。補水后高位水池的最低涌浪水位高于-26.6 m的限制要求，且有較大余幅，同時管線壓力極值也均滿足安全要求。補水后的計算結果見表4所示。

表4 鯉魚洲高位水池補水工況下計算成果 m

4 結語

本文采用水力過渡過程數值仿真計算軟件對鯉魚洲泵站事故停泵、正常開機、正常關機、蝶閥拒動等工況進行了水力過渡過程分析計算。

1)鯉魚洲泵站水泵出口蝶閥采用兩階段關閉規律：前10 s從全開關至10°，后10 s全關，能夠滿足事故停泵或正常停泵的水錘防護要求。

2)補水管對高位水池補水，水池內最低涌浪水位滿足要求。

3)各事故停泵關閥工況下，水泵的機組均不會發生倒轉。

4)水泵按照60%額定轉速啟動，蝶閥50 s線性開啟，水泵機組順次間隔90 s啟動，再變頻至額定轉速的方式，可保證輸水管線的壓力最大值及高位水池的水力波動滿足設計要求。

5)正常停機時，各臺機組順次停機的時間間隔不低于30 s，可保證輸水管線的壓力最大值及高位水池的水力波動滿足設計要求。

6)管道檢修時，3臺水泵機組間隔30 s正常停機，約1 200 s后系統水力波動趨于穩定，此時利用360 s緩慢線性關閉管道末端閘門，閘門關閉后1 200 s將3臺運行水泵順次降頻，3臺機組的降頻間隔為20 min，可以保證系統水力瞬變過程平穩、安全。