調壓兼通風豎井在長距離有壓隧洞引水工程水錘防護中的應用

王連廣

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021)

長距離輸水工程的輸水線路在調節流量，水泵開啟關閉時、啟閉閥門時，都會使輸水線路的流速、流量發生改變，從而導致管道的內水壓力發生變化，甚至發生水錘。雖然這種變化過程持續的時間短暫，但在工程設計中，如果對水錘的計算不準確，輸水線路設計不考慮相應的防護措施，將會造成輸水線路和泵站機組損壞等工程事故。嚴重時，將影響輸水工程的正常運行和輸水安全。因此進行長距離引水工程的水錘計算防護研究，準確合理地計算模擬水力過渡過程，選用合理、安全、可靠、經濟的水錘防護措施非常重要，對保障引水線路的供水安全運行，節省工程投資意義重大。

本文結合吉林省某引水工程項目設計工作的實踐經驗，通過對工程總干線輸水線路進行水力過渡過程計算，模擬工程總干線運行中可能出現的水力過渡過程，復核通風兼調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供水造成的影響。通過設置通風兼調壓豎井的工程措施，確保供水工程的運行安全，對類似長距離有壓隧洞引水工程的水錘防護有重要的現實指導意義。

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現澆預應力涵。總干線輸水流量38.0m3/s。總干線輸水方式為自流輸水，末端為馮家嶺分水樞紐調壓井，調壓井后接分水樞紐泵站。總干線經過分水樞紐分水后，又分為3條輸水干線。

1.1 通風兼調壓豎井的布置

工程總干線共布置了4座通風兼調壓豎井及2座調壓井，通風兼調壓豎井及調壓井參數見表1。

表1 通風兼調壓豎井及調壓井參數 單位：m

注：加*數據為飲馬河調壓井及馮家嶺調壓井的溢流高程。

1.2 有關參數的設計控制條件

在提出采用水錘防護裝置措施，實現在發生任何水錘過程中，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水壓力水頭控制在50～60m之內，提出使輸水總干線內水壓力升高值最小的工程布置方式，壓力數值以最后綜合分析計算確定。

2 水力過渡過程計算原理及數學模型

描述任意管道中的水流運動狀態的基本方程為：

表2 總干線沿線各通風豎井及調壓井的最高涌浪

(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；β—管軸線與水平面的夾角。

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

對于長度L的管道A—B，其兩端點A、B邊界在t時刻的瞬態水頭HA(t)、HB(t)和瞬態流量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—計算時間步長；ΔL—特征線網格管段長度，ΔL=aΔt(庫朗條件)；k—特征線網格管段數，k=L/ΔL；R—水頭損失系數，R=Δh/Q2；其它符號意義同前。

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

式(3)、(4)均只有兩個未知數，將其分別與A、B節點的邊界條件聯列計算，即可求得A、B節點的瞬態參數。

3 總干線壅水計算及水位超降計算

3.1 總干線壅水計算

壅水工況主要目的是計算分析總干線中可能產生的最大壓力，以及沿線各通風豎井及調壓井的水位波動情況，驗證沿線的最大壓力是否滿足壓力控制標準的要求，并根據計算分析結果對現有通風豎井及調壓井的尺寸進行復核優化。

上游水庫水位將直接影響沿線通風豎井和調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，總干線沿線通風豎井和調壓井的涌浪水位、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，因此計算校核工況選為引水水庫校核洪水位。

總干線各通風豎井、飲馬河調壓井及馮家嶺調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線(距離零點為引水水庫)

圖2 1#調壓兼通風豎井(樁號15+510)水位變化過程線

圖3 2#調壓兼通風豎井(樁號37+754)水位變化過程線

圖4 3#調壓兼通風豎井(樁號55+895)水位變化過程線

圖5 飲馬河調壓豎井(樁號71+784)水位變化過程線

圖6 飲馬河調壓豎井(樁號71+784)溢流量變化過程線

圖7 4#調壓兼通風豎井(樁號103+979)水位變化過程線

圖8 馮家嶺調壓井(樁號109+565.8)水位變化過程線

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

3.2 總干線水位超降計算

超降工況主要目的是計算分析總干線中可能產生的最小壓力，以及沿線各通風豎井及調壓井的水位波動情況，驗證沿線的最小壓力是否滿足壓力控制標準的要求，并根據計算分析結果對現有通風豎井及調壓井的尺寸進行復核優化。

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算水位。在該工況下，針對不同的水泵啟動方案，驗證總干線的最小壓力和通風兼調壓豎井的最低涌浪水位是否滿足設計要求。

總干線各通風豎井、飲馬河調壓井及馮家嶺調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線(距離零點為引水水庫)

根據表3及圖9可以看出，總干線沿線最小壓力受通風豎井及調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)，出現在樁號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，現有通風豎井及調壓井的尺寸基本滿足總干線沿線最小壓力控制要求。馮家嶺調壓井及飲馬河調壓井在啟泵過程中的最小水深分別滿足規范要求。

4 結語

通過對工程總干線輸水系統水力過渡過程的計算分析，總干線沿線最大壓力受通風豎井及調壓井最高涌浪控制，通過分析總干線沿線通風豎井及調壓井的壅水工況，在確定總干線沿線通風豎井及調壓井最高涌浪水位的同時，可獲取沿線最大壓力的相關數值。通過對相關控制工況的計算分析，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的最大壓力控制標準，具有一定的安全余量。通風豎井及調壓井的尺寸可以滿足總干線沿線最大壓力控制要求。

表3 總干線沿線各通風豎井及調壓井的最低涌浪 單位：m

綜合以上計算及分析，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豎井及調壓豎井，并經過計算確定合適的豎井尺寸，可以有效的控制長距離輸水系統水錘造成的危害，大大降低了工程運行時的風險，可以保證工程的安全可靠運行。