施工支洞改調(diào)壓井對(duì)輸水隧洞水錘影響分析

彭志遠(yuǎn) 桂紹波 田子勤 王豪

摘要：針對(duì)長(zhǎng)距離重力自流輸水管線末端控流設(shè)施關(guān)閉的情形，以羅田水庫(kù)-鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程為例，采用Surge-2000計(jì)算軟件建立水力過(guò)渡過(guò)程數(shù)值仿真計(jì)算模型，對(duì)施工支洞改建為調(diào)壓井和不設(shè)調(diào)壓井的兩種條件分別進(jìn)行計(jì)算分析，對(duì)比輸水系統(tǒng)在相同控制工況下，末端控流設(shè)施采用相同關(guān)閉規(guī)律下的壓力變化情況以及輸水系統(tǒng)全線壓力波動(dòng)情況。結(jié)果表明：① 將施工支洞改建為調(diào)壓井后，能夠有效遏制末端控流設(shè)施在快速關(guān)閉條件下的末端控流設(shè)施以及輸水管線系統(tǒng)全線的壓力振蕩，加速壓力收斂，有利于長(zhǎng)距離重力自流輸水管線在發(fā)生水力過(guò)渡過(guò)程的系統(tǒng)穩(wěn)定，使得系統(tǒng)更加安全；② 在相同允許壓力上升值的條件下，采用將施工支洞改建為調(diào)壓井后的重力自流管線系統(tǒng)，其末端的控流設(shè)施可加快動(dòng)作速率，提高系統(tǒng)的靈活性和快速響應(yīng)能力。研究成果已成功應(yīng)用于羅田水庫(kù)-鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程，使其更加安全、靈活、可靠。研究成果可為今后類(lèi)似工程項(xiàng)目提供參考。

關(guān) 鍵 詞：

輸水隧洞； 施工支洞； 調(diào)壓井； 長(zhǎng)距離重力自流； 末端控流； 水錘影響; 羅田水庫(kù)； 鐵崗水庫(kù)

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV672.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.045

0 引 言

針對(duì)長(zhǎng)距離重力自流輸水管線末端控流設(shè)施的關(guān)閉情形［1-3］，為遏制末端控流設(shè)施關(guān)閉過(guò)程中的壓力波動(dòng)，通常采用的技術(shù)手段有：① 延長(zhǎng)末端控流設(shè)施的關(guān)閉時(shí)間［4-6］；② 調(diào)整末端控流設(shè)施的流量特性曲線，使其開(kāi)度-流量曲線盡可能接近比例型閥門(mén)［7-8］；③ 在末端增設(shè)泄壓措施，當(dāng)壓力超過(guò)一定限值時(shí)進(jìn)行泄壓［9-10］。但是，延長(zhǎng)末端控流設(shè)施的關(guān)閉時(shí)間，將降低輸水系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度靈活性，特別是在應(yīng)對(duì)緊急突發(fā)事件時(shí)，不利于快速響應(yīng)；調(diào)整末端控流設(shè)施的流量特性曲線，開(kāi)發(fā)難度大，設(shè)計(jì)、制造周期長(zhǎng)；在末端增設(shè)泄壓措施，不得不考慮泄壓排水，對(duì)于一些深埋隧洞工程，泄壓排水難度大，且泄壓設(shè)施可能因長(zhǎng)期不動(dòng)作而發(fā)生銹蝕，運(yùn)行維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)較大。

本文依托羅田水庫(kù)-鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程，提出一種將已有施工支洞改建為調(diào)壓井的方法，通過(guò)數(shù)

值計(jì)算仿真模擬，分析論證施工支洞改調(diào)壓井對(duì)末端控流設(shè)施的水錘影響。

1 工程概況

1.1 工程布置及任務(wù)

羅田水庫(kù)-鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“羅-鐵工程”）是珠江三角洲水資源配置工程在深圳市的配套項(xiàng)目之一，工程全線位于深圳市西部城區(qū)。輸水隧洞自寶安區(qū)松崗鎮(zhèn)東北部羅田水庫(kù)取水，總體由北往南，將西江水引入鐵崗水庫(kù)。工程主要任務(wù)是將西江來(lái)水在深圳市內(nèi)進(jìn)行合理分配，實(shí)現(xiàn)新增境外水的優(yōu)化配置，保障西部片區(qū)的供水安全，滿足遠(yuǎn)期寶安區(qū)、光明區(qū)、南山區(qū)（部分）的供水需求。

輸水系統(tǒng)建筑物主要包括：進(jìn)水口（含羅田水廠分水支線B取水口）、輸水干線、羅田閥室（靠近羅田水庫(kù)取水口，含羅田水廠分水支線A取水口和干線分段檢修閥室、深圳分干線供水口、1號(hào)施工支洞）、公明

檢修排水井（羅田水庫(kù)側(cè)輸水干線檢修排水泵房）、五指耙水廠分水井（含干線分段檢修閥室、五指耙分水口）、長(zhǎng)流陂閥室（長(zhǎng)流陂分水口以及鐵崗水庫(kù)側(cè)輸水干線檢修排水泵房，2號(hào)施工支洞）、3號(hào)施工支洞（兼做輸水干線調(diào)壓室）、鐵崗工作井（盾構(gòu)機(jī)井，后期回填）、鐵崗水庫(kù)出水口建筑物等。

輸水系統(tǒng)布置如圖1所示。

1.2 設(shè)計(jì)流量及規(guī)模

羅-鐵工程輸水干線分區(qū)間段以及各分水支線設(shè)計(jì)流量如表1所示。

1.3 特征水位

羅田水庫(kù)特征水位如下：

校核洪水位為35.89 m，

設(shè)計(jì)洪水位為35.11 m，

正常蓄水位為33.09 m，

死水位為19.00 m，

進(jìn)水口設(shè)計(jì)水位為28.09 m，

羅田水廠提升泵站進(jìn)水池設(shè)計(jì)運(yùn)行水位為32.26 m，

珠三角工程檢修期羅田水廠備用供水支線進(jìn)口設(shè)計(jì)水位為25.00 m。

鐵崗水位水庫(kù)特征水位如下：

校核洪水位為29.29 m，

設(shè)計(jì)洪水位為28.80 m，

正常蓄水位為28.70 m，

羅鐵隧洞出水口設(shè)計(jì)水位為25.00 m，

出水池最低水位為23.00 m，

反供五指耙水廠、長(zhǎng)流陂水廠的最低水位為25.90 m。

公明水庫(kù)特征水位如下：

公明水庫(kù)校核洪水位為60.97 m，

設(shè)計(jì)洪水位為60.68 m，

公明水庫(kù)正常蓄水位為59.70 m，

公明水庫(kù)死水位為26.50 m，

向鐵崗水庫(kù)進(jìn)行反向供水限制水位為40.00 m。

各水廠進(jìn)水池水位如下：

羅田水廠為36.50 m，

五指耙水廠為23.45 m，

長(zhǎng)流陂水廠為23.40 m。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 輸水系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖

羅-鐵工程輸水系統(tǒng)水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

2.2 水錘計(jì)算的特征方程

描述任意管道中的水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的基本方程［11］為

QAHx+Ht+a2gAQx-QAsinβ=0（1）

gHx+QA2Qx+1AQt+fQ|Q|2DA2=0（2）

式中：H為測(cè)壓管水頭；Q為流量；D為管道直徑；A為管道面積；t為時(shí)間變量；a為水錘波速；g為重力加速度；x為沿管軸線的距離；f為摩阻系數(shù)；β為管軸線與水平面的夾角。

2.3 雙向調(diào)壓井的數(shù)學(xué)模型

雙向調(diào)壓井?dāng)?shù)學(xué)模型［11］為

HD，t=Zt+αQD，tQD，t（3）

Zt=Zt-Δt+QD，t+QD，t-ΔtΔt/2F（4）

式中：HD，t和QD，t為D點(diǎn)t時(shí)刻的水頭和流量；

Zt為t時(shí)刻的調(diào)壓室水位；F為調(diào)壓室面積；

α為阻抗孔損失系數(shù)；Δt為時(shí)間步長(zhǎng)。

2.4 施工支洞的近似模擬

考慮施工支洞有條件改建為調(diào)壓井［12］，且調(diào)壓井離出口閘門(mén)越近，抑制水錘壓力效果越顯著［13］，羅-鐵工程中的一處施工支洞在輸水干線樁號(hào)16+227.65 位置接入輸水干線，具備改建為調(diào)壓井的有利條件，初步考慮將該施工支洞改建為調(diào)壓井。

該施工支洞的截面為城門(mén)洞形，截面積約46.62 m2，按9.1%坡度由輸水干管向外延伸，如圖3和圖4所示。

考慮調(diào)壓井中的水位波動(dòng)是重力波，因此把該施工支洞改為調(diào)壓井后，調(diào)壓井的斷面應(yīng)按施工支洞截面的水平投影面積來(lái)取，約715 m2。

2.5 輸水干線及分水支線閥（閘）門(mén)特性

各閥門(mén)、閘門(mén)布置詳見(jiàn)圖1，閥門(mén)、閘門(mén)配置參數(shù)如表2所列。

本工程所采用的各口徑調(diào)流閥的流量特性曲線如圖5所示。

2.6 計(jì)算程序說(shuō)明

本文采用PIPE2010：Surge開(kāi)展水錘防護(hù)計(jì)算分析［14］，該計(jì)算軟件是由美國(guó)Kentucky大學(xué)研發(fā)的水錘分析軟件，可以輸出每個(gè)水力元件、管道節(jié)點(diǎn)每個(gè)時(shí)刻的壓力變化歷時(shí)曲線、水泵轉(zhuǎn)速（流量）變化歷時(shí)曲線、空氣閥內(nèi)空氣體積變化歷時(shí)曲線、管道內(nèi)穩(wěn)態(tài)流速、管道瞬態(tài)流量變化歷時(shí)曲線、穩(wěn)態(tài)水力坡度線和各種瞬態(tài)流的水擊包絡(luò)線等，并輸出各個(gè)節(jié)點(diǎn)最大值、最小值和穩(wěn)態(tài)值及其相應(yīng)的發(fā)生時(shí)間等。軟件輸出結(jié)果可為優(yōu)化水泵啟泵開(kāi)閥、停泵關(guān)閥及掌握重力流末端流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)閥、關(guān)閥規(guī)律等提供依據(jù)，并借此提出一套技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理而且管理方便的綜合水錘防護(hù)方案，防止輸水系統(tǒng)發(fā)生破壞性的水錘危害。

3 施工支洞改調(diào)壓井方案對(duì)比分析

3.1 控制工況

閘門(mén)最大壓力的控制工況為：羅田水庫(kù)最高水位33.09 m，鐵崗水庫(kù)最低運(yùn)行水位23.00 m，調(diào)流閥A1、A2、B1、B2、C1、C2、E、F1、F2關(guān)閉，僅閘門(mén)D正常開(kāi)啟，流入鐵崗水庫(kù)流量為設(shè)計(jì)流量，閘門(mén)D初始開(kāi)度為18.5%，然后按1 200 s一段式直線關(guān)閉規(guī)律（由全開(kāi)度關(guān)至0）突然關(guān)閉。

3.2 對(duì)比分析

在控制工況下，出口閘門(mén)仍采用1 200 s一段直線關(guān)閉規(guī)律，分別在設(shè)置調(diào)壓井和不設(shè)置調(diào)壓井兩種條件下進(jìn)行水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6～8所示。

由圖6可知，在控制工況下，當(dāng)輸水干管出口閘門(mén)采用1 200 s一段直線關(guān)閉規(guī)律時(shí)，若不設(shè)置調(diào)壓井，閘前最大壓力水頭為28.10 m；若設(shè)置調(diào)壓井，閘前最大壓力水頭為21.90 m，小于不設(shè)置調(diào)壓井時(shí)的閘前最大壓力水頭。

由圖7和圖8對(duì)比分析可知，在控制工況下，若不設(shè)置調(diào)壓井，輸水干線沿線壓力波動(dòng)范圍更大；設(shè)置調(diào)壓井后，輸水干線沿線壓力波動(dòng)范圍變窄，輸水干線全線壓力更易收斂，輸水系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

因此，施工支洞改調(diào)壓井方案對(duì)閘門(mén)關(guān)閉過(guò)程中水錘的波動(dòng)幅度有一定抑制作用，且有利于輸水干線系統(tǒng)的穩(wěn)定。

4 閘門(mén)關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化設(shè)計(jì)

由第3節(jié)計(jì)算分析可知，將施工支洞改為調(diào)壓井后，閘門(mén)在關(guān)閉過(guò)程中閥前壓力水頭上升和下降極值得到明顯改善，且輸水干線全線壓力水頭波動(dòng)更易收斂。考慮閘門(mén)關(guān)閉時(shí)間越短，閘前壓力水頭上升幅度越大［15-17］，施工支洞改為調(diào)壓井后的閘門(mén)關(guān)閉時(shí)間存在一定的優(yōu)化空間。

對(duì)閘門(mén)的關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行敏感性分析，分別計(jì)算900，600，300，200，180，150，120，100，60 s一段直線關(guān)閉規(guī)律下閘前壓力，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，設(shè)調(diào)壓井方案下，在200～900 s閘門(mén)關(guān)閉時(shí)間范圍內(nèi)，隨著關(guān)閘時(shí)間逐步減小，閘前最大壓力沒(méi)有太大變化，主要是因?yàn)殚l門(mén)在200 s以上的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉，閘前最大壓力受調(diào)壓井涌浪遏制，所以變化很小；在60～200 s區(qū)間，隨著關(guān)閘時(shí)間逐步減少，閘前的壓力上升速度逐漸超過(guò)涌浪上升速度，閘前最大壓力變化顯著。

綜上，施工支洞改建為調(diào)壓井后，末端閘門(mén)的關(guān)閉時(shí)間可相應(yīng)優(yōu)化至200 s，有助于提高輸水隧洞運(yùn)行調(diào)度的靈活性，提高羅-鐵工程的緊急避險(xiǎn)、快速響應(yīng)能力。

5 結(jié) 論

本文依托羅-鐵工程，針對(duì)長(zhǎng)距離重力自流輸水管線末端控流設(shè)施關(guān)閉情形，提出將施工支洞改建為調(diào)壓井的水錘防護(hù)措施，通過(guò)分析對(duì)比，可得到以下結(jié)論。

（1） 施工支洞改建為調(diào)壓井后，其獲得的調(diào)壓井面積遠(yuǎn)大于交通洞的斷面面積。

（2） 施工支洞改建為調(diào)壓井，能夠有效遏制末端控流設(shè)施在快速關(guān)閉條件下的末端控流設(shè)施以及輸水管線系統(tǒng)全線的壓力振蕩，加速壓力收斂，有利于長(zhǎng)距離重力自流輸水管線在水力過(guò)渡過(guò)程中的系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)更加安全。

（3） 在相同允許壓力上升值的條件下，采用將施工支洞改建為調(diào)壓井的重力自流管線系統(tǒng)，其末端控流設(shè)施的動(dòng)作速率更快，系統(tǒng)的靈活性和快速響應(yīng)能力得到提升。

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（編輯：郭甜甜）