長距離有壓隧洞引調(diào)水工程過渡過程研究

陳 嵐，朱 梅，李 琦，李 碩，李 烽

（1.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院,湖北 武漢 430072；2.湖北省水利水電科學(xué)研究院,湖北 武漢 430072）

1 工程概況

引江補漢輸水沿線補水工程從三峽庫區(qū)長江干流北岸大壩上游 6.6 km 太平溪取水,先向東經(jīng)宜昌市夷陵區(qū)、遠(yuǎn)安縣、當(dāng)陽市,至荊門市東寶區(qū)后折向北,再經(jīng)襄陽市宜城市、南漳縣,自流止于三道河水庫溢洪道壩下0.8 km 處,線路全長185.166 km,由輸水干線、2 條分干線和4 條支線組成。輸水干線采用有壓（前63 km）和無壓（63 km 之后）相結(jié)合方式自流輸水,斷面凈寬6.2 m~2.8 m。輸水干線：總長185.166 km,渠首設(shè)計流量35 m3/s,進口設(shè)計水位143.3 m（吳淞145 m）,出口水位103.2 m,水頭40.1 m,項目總投資160 余億元。

2 基本方案布置

引江補漢輸水沿線補水工程輸水干線主要建筑物有：進水口1 座,長0.17 km；隧洞23 座,長164.99 km,占總長的89.1%；管橋1 座,長0.87 km,占總長的0.47%；倒虹吸6 座,長14.97 km,占總長的8.08%；暗涵17 座,長3.98 km,占總長的2.15%；出水口長0.186 km。隧洞干線進口設(shè)節(jié)制閘,孔口尺寸7.0 m×7.0 m,進水口底板高程130.30 m,設(shè)計水位143.30 m,最高水位173.30 m,設(shè)計流量55 m3/s。出口布置控制閘,閘底檻高程 93.45 m,單孔,孔口尺寸7.0 m×7.0 m。隧洞主線出口水位為103.20 m,高于閘孔頂部高程86.13 m。

3 水錘壓力控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程 》（CECS 193-2005）要求“輸水管道最大水錘壓力不超過1.3~1.5倍最大工作壓力”[1]。由于最大水錘壓力控制標(biāo)準(zhǔn)對隧洞襯砌的配筋量和設(shè)置鋼襯段長度影響較大,從而對投資影響較大。因此,本工程有壓隧洞采用規(guī)范中較嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)“不大于1.3 倍最大工作壓力”來控制水力過渡過程的最大水錘壓力。隧洞沿線最小壓力按不低于洞頂以上2 m 控制[2]。

4 干線工程水力過渡過程研究

4.1 計算條件

干線入口水位173.30 m,沿線分水口不分水,隧洞糙率0.014；有壓段出口水位133.40 m；管線局部損失按沿程損失的10%計；干線初始流量為設(shè)計流量35 m3/s。

4.2 不設(shè)調(diào)壓井方案過渡過程計算

假定不同的閥門線性關(guān)閉速率[3],其關(guān)閥水錘計算結(jié)果見表1。

表1 末端閥門不同關(guān)閉規(guī)律下的水錘計算結(jié)果

從表1 可以看出：閥門關(guān)閉速度越慢,主洞的最大水錘壓力越小；但閥門全行程關(guān)閉時間從600 s 延長到1800 s 時,干線有壓段末端點最大水錘壓力仍達到最大靜壓的1.7 倍,不滿足水錘防護標(biāo)準(zhǔn)。

若干線有壓段末端閥的全行程最大允許關(guān)閉時間不大于15 min,則必須在干線有壓段上設(shè)置必要的調(diào)壓設(shè)施,以降低干線有壓段末端閥的關(guān)閥水錘壓力。

4.3 設(shè)置調(diào)壓設(shè)施方案過渡過程計算

因調(diào)壓井越靠近出口效果越好,結(jié)合實際地形地質(zhì)條件,擬在樁號62+730 處設(shè)置溢流式調(diào)壓井。以下對不同內(nèi)徑調(diào)壓井的防護效果進行比較。

計算條件：（1）閥門關(guān)閉速率為全行程900 s 線性關(guān)閉；（2）調(diào)壓井阻抗孔直徑2.8 m。調(diào)壓井的溢流堰高程175.00 m,溢流堰寬度為調(diào)壓井截面周長的25%。上述條件下的干線有壓段末端閥關(guān)閥水錘計算結(jié)果見表2。

表2 干線有壓段末端閥關(guān)閥水錘計算結(jié)果（調(diào)壓井直徑比較）

從表2 可見：調(diào)壓井內(nèi)徑越大,調(diào)壓井內(nèi)的最高水位越低,管線中的最大水錘壓力越小,即水錘防護效果越好。但調(diào)壓井直徑與隧洞直徑相同（5 m）時,水錘壓力極值即可滿足水錘防護的要求。

根據(jù)表2 的計算結(jié)果,結(jié)合入口設(shè)計水位143.36 m 時的計算結(jié)果,擬定調(diào)壓井直徑為15 m。

4.3.1 調(diào)壓井阻抗孔直徑比較

根據(jù)《水利水電工程調(diào)壓室設(shè)計規(guī)范》（SL 655-2014）,阻抗孔面積宜為引水道面積的25%~45%[4]。本工程調(diào)壓井所在位置的主洞直徑為5.0 m,則阻抗孔直徑宜為2.5 m~3.35 m。

以下對在樁號62+730 處設(shè)置不同阻抗孔的溢流式調(diào)壓井的防護效果進行比較。計算條件：（1）閥門關(guān)閉速率為全行程900 s 線性關(guān)閉；（2）調(diào)壓井內(nèi)徑15 m。調(diào)壓井的溢流堰高程175.00 m、溢流堰寬度為調(diào)壓井截面周長的25%。上述條件下的干線有壓段末端閥關(guān)閥水錘計算結(jié)果見表3。

表3 干線有壓段末端閥關(guān)閥水錘計算結(jié)果（阻抗孔直徑比較）

從表3 可見：調(diào)壓井內(nèi)的最高水位和溢流量隨著阻抗孔直徑的增大而提高；干線有壓段末端點的最大水錘壓力和管線中的最大水錘壓力隨調(diào)壓井直徑的增大而減小[5]。但不同阻抗孔直徑的計算結(jié)果差別不大。根據(jù)表3 的計算結(jié)果,本階段考慮不設(shè)阻抗孔。

4.3.2 入口水位143.36 m 時的調(diào)壓井直徑比較

根據(jù)表3 計算結(jié)果,調(diào)壓井直徑從5 m 變化到15 m 時,水錘壓力的極值差別很小,且均滿足水錘防護的要求。考慮到入口水位143.36 m 工況下,由于調(diào)壓井的溢流水位為175.00 m,高出隧洞進口水位143.36 m 較多。因此,在反向流動過程中的反向流速和降壓波幅度較大,可能出現(xiàn)調(diào)壓井露底和管線中的最小水錘壓力較低的情況。入口水位143.30 m、干線初始以設(shè)計流量35 m3/s 單獨供水工況下,不同調(diào)壓井直徑時的關(guān)閥水錘計算結(jié)果見表4。

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根據(jù)表4 的計算結(jié)果,本階段推薦調(diào)壓井的直徑為15 m。4.3.3 不同初始工況下的關(guān)閥水錘計算結(jié)果復(fù)核（帶防護措施）

根據(jù)前述計算結(jié)果,擬定防護措施如下：

（1）干線有壓段末端閥的關(guān)閥速率為全行程900 s 線性關(guān)閉。

（2）在樁號62+730處設(shè)置溢流式調(diào)壓井。調(diào)壓井尺寸為：內(nèi)徑15 m,不設(shè)阻抗孔,溢流堰頂高程175.00 m。

初始工況1：入口水位173.30 m,干線有壓段末端閥下游水位133.40 m；沿線東風(fēng)渠支洞不分水；干線有壓段末端閥門部分開啟,控制輸水流量35 m3/s。

初始工況2：入口水位143.36 m,干線有壓段末端閥下游水位133.40 m；沿線東風(fēng)渠支洞不分水；干線有壓段末端閥門全部開啟,輸水流量35 m3/s。

不同初始工況下的計算結(jié)果見表5。

表5 干線有壓段末端閥關(guān)閥水錘計算結(jié)果（設(shè)調(diào)壓井，干線單獨工作，初始流量35 m3/s）

從表5 可見：在擬定的水錘防護措施下,2 種初始工況下的關(guān)閥水錘壓力均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)。初始工況1（入口水位173.30 m、干線有壓段末端閥下游水位133.40 m、沿線各分水支洞均不分水、干線有壓段末端閥門控泄流量35 m3/s）、干線有壓段出口末端閥門關(guān)閉速率為全行程900 s 線性關(guān)閉的關(guān)閥過渡過程計算結(jié)果見圖1~圖4。其中：圖1 為末端閥門開度的變化過程；圖2 為沿線壓力包絡(luò)線；圖3 為干線有壓段末端閥前點壓力的變化過程；圖4 為調(diào)壓井水位和溢流量變化過程。

圖1 干線有壓段末端閥門開度變化過程

圖2 干線壓力包絡(luò)線

圖3 末端閘前點壓力變化過程

圖4 干線末端閥門關(guān)閥過渡過程計算結(jié)果

從圖1 中可以看出：末端閥門初始開度為18.97%,關(guān)閉速率為全行程900 s 線性關(guān)閉,實際關(guān)閥時間為170.73 s。從圖2 中可以看出：關(guān)閥過渡過程中,干線有壓段末端閥前點的洞底最大水錘壓力為58.81 m,滿足水錘壓力控制標(biāo)準(zhǔn)（71.49 m）；全管線最小水錘壓力為44.42 m,滿足最小水錘壓力控制標(biāo)準(zhǔn)。從圖3 中可以看出：關(guān)閥過渡過程中,干線有壓段末端閥前點洞底的最大水錘壓力為58.81 m,之后隨著水錘波的傳遞,壓力波動逐漸衰減。從圖4 中可以看出：關(guān)閥過渡過程中,調(diào)壓井內(nèi)最高水位為176.16 m,最大溢流量為30.21 m3/s。

4.3.4 擬定的防護措施

根據(jù)前面計算及復(fù)核結(jié)果,本次擬定的水錘防護措施為：

（1）干線有壓段末端閥的關(guān)閥速率為全行程900 s 線性關(guān)閉。

（2）在樁號62+730 處設(shè)置溢流式調(diào)壓井。調(diào)壓井尺寸為：內(nèi)徑15 m,不設(shè)阻抗孔,溢流堰頂高程175.00 m。

5 結(jié)語

本文針對引江補漢輸水沿線補水工程輸水流量大、隧洞超長的工程特點可能造成的水錘破壞,對干線的水力過渡過程進行了分析、研究,分析了線路設(shè)置調(diào)壓室的必要性以及需要設(shè)置的位置、數(shù)量,對閘（閥）運行方式（啟閉方式和規(guī)律）提出合理化建議,擬定了水錘防護措施。當(dāng)前正處于國家水網(wǎng)建設(shè)高峰期,長距離有壓隧洞引調(diào)水工程眾多,本工程可為國內(nèi)其它類似工程提供參考經(jīng)驗。