深埋隧洞重力自流輸水快速關(guān)停策略研究

彭志遠(yuǎn) 桂紹波 田子勤

摘要：為提高深埋隧洞重力自流輸水系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力，以羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程為例，通過建立水力過渡過程數(shù)值計算仿真模型，對閘門或閥門的特性及布置等因素進行了分析，提出了一種可提高輸水隧洞水流截斷速度并保證系統(tǒng)運行安全性的有效閥門快速關(guān)停策略。研究成果對其他類似工程具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：水錘防護; 深埋隧洞; 數(shù)值計算; 關(guān)停策略

中圖法分類號：TV732.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.017

文章編號：1006 - 0081（2022）06 - 0092 - 07

0 引 言

為了解決大城市缺水問題，越來越多的深埋隧洞重力自流輸水工程開展建設(shè)。深埋隧洞重力流有壓輸水水流充滿整個隧洞，輸水量、水流慣性和隧洞低點受到的內(nèi)水壓力均較大，一旦在繁華城區(qū)發(fā)生爆管等突發(fā)事件，需要在短時間內(nèi)快速關(guān)閉以減小損失。為確保輸水系統(tǒng)安全，輸水系統(tǒng)出口閘門關(guān)閉往往需要較長時間。為此，工程界、學(xué)術(shù)界開展了大量研究，徐燕、梅青等研究了長距離有壓輸水管道關(guān)閥水錘，對防護設(shè)備的選型和布置做了總結(jié)[1-2];陳聃[3]結(jié)合管線布置特點，對有連續(xù)性駝峰有壓輸水管路的水錘特性進行了研究，提出了有針對性的防護措施和計算方法。朱洪兵等[4]對長距離有壓重力流輸水管材進行了比選分析。王龍眾、許從愿等對長距離有壓重力流輸水管道設(shè)計特點進行了歸納總結(jié)，并對水錘防護設(shè)計進行了探討[5-6]。

為提高深埋隧洞重力自流輸水系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)事件的快速響應(yīng)能力，本文以羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程為例，通過建立水力過渡過程數(shù)值計算仿真模型，對閘門或閥門特性及布置等因素進行分析。提出了一種可提高輸水隧洞水流截斷速度并保證系統(tǒng)運行安全性的有效閥門快速關(guān)停策略。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 水錘計算特征方程

任意管道中水流運動狀態(tài)的基本方程為

式中：H為測壓管水頭;Q為流量;D為管道直徑;A為管道面積;t為時間變量;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。

式（1）～（2）可簡化為標(biāo)準(zhǔn)的雙曲型偏微分方程，從而可利用特征線法將其轉(zhuǎn)化成同解的管道水錘計算特征相容方程。對于管道A-B（圖1），其兩端點A，B邊界在t時刻的瞬態(tài)水頭HA（t），HB（t）和瞬態(tài)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）

式中：CM為C+方程常數(shù);Cp為C-方程常數(shù);RM為C+方程流量系數(shù);Rp為C-方程流量系數(shù)。式（3）～（4）均只有兩個未知數(shù)，將其分別與A，B節(jié)點的邊界條件聯(lián)列計算，即可求得A，B節(jié)點的瞬態(tài)參數(shù)。

1.2 進、出水池邊界條件

假設(shè)進、出水池水位是常數(shù)，其邊界方程為

HP=Hres=常數(shù)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中：HP為t時刻的管道進口水頭;Hres為進水池水位。

1.3 閥門邊界條件

閥門的邊界條件方程同管道特征線方程，其連續(xù)性方程和能量守恒方程如下：

連續(xù)性方程為

Qp1=Qp2=Qp? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

能量守恒方程為

Hp1-ΔH=Hp2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中：Qp1為流入流量;Qp2為流出流量;Qp為閥門流量;Hp1為閥前水頭;Hp2為閥后水頭;[ΔH]為閥門過流水力損失，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：Q0為閥門全開時的流量;τ為閥門的無量綱開度。

2 工程實例

2.1 工程概況

羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞連通上游水庫和下游水庫。上游水庫水位59.70 m，下游水庫水位23.00 m，輸水隧洞總長度約34 km，隧洞內(nèi)徑5.2 m，輸水流量30.10 m3/s，上、下游水庫均設(shè)有閘門。在該輸水隧洞距離進水口約27 km位置有一檢修交通洞，后期擬將檢修交通洞改建為調(diào)壓室，調(diào)壓室水平截面積為350 m2，調(diào)壓室出口高程為62.00 m。

2.2 方案擬定

該深埋隧洞重力自流供水工程采用調(diào)流閥進行緊急關(guān)閉。為了實現(xiàn)快速關(guān)閉，需對不同位置調(diào)流閥關(guān)閥所引起的壓力波動和流量變化進行分析。結(jié)合工程布置特點以及運行調(diào)度規(guī)則，初步擬定3種調(diào)流閥布置方案。其中，方案一在位于距離進水口10.5 km處、高程30 m位置的地面廠區(qū)布置2臺并聯(lián)的DN2000，PN1.6MPa調(diào)流閥;方案二在距離進水口12.0 km處、高程-20 m位置的地下閥室內(nèi)布置2臺并聯(lián)的DN2000，PN1.6MPa調(diào)流閥;方案三在出水口閘門旁，高程18 m位置布置1臺DN2000，PN1.6MPa調(diào)流閥，當(dāng)調(diào)流閥工作時，出口閘門關(guān)閉。調(diào)流閥的流量特性曲線如圖3所示。

3個方案調(diào)流閥布置位置以及穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果如圖4所示。

在穩(wěn)態(tài)條件下，方案一、方案二、方案三管線最大壓力均出現(xiàn)在距進水口16.5 km、高程-60 m位置，壓力水頭分別為94.9，92.9，118.6 m;輸水干線出口閘門前壓力水頭分別為17.2，15.2，40.7 m。方案一、方案二相較于方案三，更能有效降低活塞閥后輸水干線的壓力以及輸水干線出口閘門前的壓力。

從降低輸水干線壓力范圍來看，方案二的減壓范圍比方案一要小，方案三全線不減壓。

2.3 水力過渡過程計算及分析

上游水庫水位59.70 m，下游水庫水位23.00 m，調(diào)流閥均采用500 s一段式直線關(guān)閉規(guī)律。本文采用KYPIPE計算軟件SURGE模塊進行水力過渡過程仿真計算，方案一、方案二和方案三的計算結(jié)果如下。

2.3.1 方案一計算結(jié)果及分析

若無任何防護措施，方案一的瞬態(tài)計算結(jié)果見圖5～7。

當(dāng)方案一的兩個調(diào)流閥關(guān)閉，出口閘門前最大壓力水頭為17.30 m，滿足閘門設(shè)計強度要求。由于調(diào)流閥關(guān)閉，閥后壓力驟降，管線出現(xiàn)負(fù)壓，水中氣體析出并大量聚集在閥后，當(dāng)正壓波返回時，聚集的氣囊在閥后破滅，管線出現(xiàn)彌合性水錘，最大壓力水頭高達(dá)179.50 m，出現(xiàn)在距離進水口樁號16.5 km位置。調(diào)流閥的閥前最大壓力水頭為37.70 m，調(diào)流閥后最大負(fù)壓為-10.10 m。為消除負(fù)壓帶來的不利影響，需要在每臺調(diào)流閥后各設(shè)置1臺DN500的真空破壞閥。當(dāng)閥后壓力驟降，真空破壞閥從外界吸入大量氣體，破壞管線內(nèi)的真空，當(dāng)正壓波返回時，管道內(nèi)的氣體通過真空破壞閥及時排出，避免管線出現(xiàn)彌合性水錘。增加真空破壞閥后的瞬態(tài)計算結(jié)果見圖8～12。

設(shè)置真空破壞閥后，輸水干線出口閘前最大壓力水頭為17.30 m。調(diào)流閥閥前最大壓力水頭為37.10 m，閥后最大負(fù)壓為-0.3 m，管線負(fù)壓控制在-2.0 m以內(nèi)。管線最大壓力水頭為94.90 m，出現(xiàn)在距離進水口16.5 km位置;調(diào)壓室最高涌浪為-32.13+66.30=34.17 m，遠(yuǎn)低于調(diào)壓室的出口高程62.00 m。但是，真空破壞閥將大量進氣直至閥后管線內(nèi)的水位與下游水庫水位齊平，需在下次啟動充水時嚴(yán)格控制充水速度將氣體排出。方案一對真空破壞閥的可靠性要求較高，當(dāng)真空破壞閥失效后，仍然存在彌合性斷流風(fēng)險。

當(dāng)方案二的2臺調(diào)流閥同時緊急關(guān)閉時，出口閘門前最大壓力水頭為15.30 m。由于調(diào)流閥關(guān)閉，閥后壓力驟降，但是閥門安裝位置較低（-20.0 m），管線未出現(xiàn)負(fù)壓，水中無氣體析出。該方案布置條件下的調(diào)流閥前最大壓力水頭為88.40? m，閥后最小壓力水頭為35.20 m。輸水干線最大壓力水頭為96.00 m，出現(xiàn)在距離進水口16.5 km位置。調(diào)壓室最高涌浪為32.17 m，遠(yuǎn)低于調(diào)壓室出口高程62.00 m。輸水干線全線洞頂壓力水頭均在2.00 m正壓以上，沒有產(chǎn)生負(fù)壓。因此，在調(diào)流閥緊急關(guān)閉瞬態(tài)過程中，方案二較方案一更為安全。但從經(jīng)濟性上比較，方案二需在地下閥室內(nèi)設(shè)調(diào)流閥，將增加土建投資。

考慮方案二地下閥室內(nèi)的1臺調(diào)流閥失效不減壓的工況作為校核工況，計算結(jié)果見圖17～20。

當(dāng)方案二的1臺調(diào)流閥突然失效不減壓，閘前最大壓力水頭為27.3 m，滿足閘門強度設(shè)計要求。調(diào)流閥前最大壓力水頭為78.80 m，調(diào)流閥后壓力水頭由初始53.30 m增至65.50 m。輸水干線最大壓力水頭為106.20 m，出現(xiàn)在距離進水口16.5 km位置。全線沒有出現(xiàn)負(fù)壓。調(diào)壓室最高涌浪為44.67 m，遠(yuǎn)低于調(diào)壓室出口高程62.00 m。因此，當(dāng)一臺調(diào)流閥突然失效不減壓，輸水干線全線及沿線閥門和閘門較為安全。

2.3.3 方案三計算結(jié)果及分析

方案三調(diào)流閥布置在隧洞出口，當(dāng)調(diào)流閥緊急關(guān)閉時，方案三的瞬態(tài)計算結(jié)果見圖21～23。

當(dāng)方案三的調(diào)流閥緊急關(guān)閉，閥前最大壓力水頭為50.40 m，調(diào)壓室最高涌浪為65.87 m，超出調(diào)壓室出口高程62.00 m，需要加高調(diào)壓室的出口高程。管線最大壓力水頭為123.60 m，出現(xiàn)在距離進水口16.5 km位置。由于調(diào)流閥布置在隧洞出口，閥前的隧洞長度比方案一、方案二長，具有更大的水流慣性，在相同關(guān)閉規(guī)律下，與方案一的管線最大壓力水頭94.90 m和方案二的管線最大壓力水頭106.20 m相比，方案三管線最大壓力水頭更大。

2.4 方案比選分析

結(jié)合上述方案一、方案二、方案三的計算結(jié)果分析，對3個方案進行如下比選。

（1） 從降低輸水干線壓力效果來看，方案一、方案二均能夠有效消減上游水庫高水頭引起的高內(nèi)水壓力，而方案三全線不減壓，管線以及閥門、閘門將承受上游水庫高水頭引起的高內(nèi)水壓力。對于輸水干線負(fù)壓控制，方案一需在調(diào)流閥后設(shè)置DN500真空破壞閥，可將管線負(fù)壓控制在-0.3 m以內(nèi);但當(dāng)真空破壞閥失效，仍然存在彌合性斷流風(fēng)險。方案二的管線全線沒有產(chǎn)生負(fù)壓，在調(diào)流閥緊急關(guān)斷過程中，輸水干線最大壓力值在規(guī)范規(guī)定的合理范圍內(nèi)，較方案一更為安全。

（2） 從調(diào)壓室涌浪對比來看，方案一和方案二瞬態(tài)過程中調(diào)壓室最高涌浪均低于調(diào)壓室的出口高程，而方案三瞬態(tài)過程中調(diào)壓室最高涌浪高于調(diào)壓室的出口高程，需加高檢修交通洞出口高程。

（3） 從輸水干線調(diào)節(jié)效果的靈活性來看，方案一緊急關(guān)閉調(diào)流閥后，真空破壞閥吸入大量氣體，管線在下次啟動充水時需及時排氣，運行靈活性較差。

（4） 從工程投資比較來看，由于方案二調(diào)流閥布置在地下閥室內(nèi)，將使地下閥室長度增加，總體投資較大。綜上所述，在技術(shù)上，方案二更優(yōu);在經(jīng)濟上，方案一更優(yōu)。經(jīng)綜合考慮，該工程推薦采用方案二，將調(diào)流閥布置在地下閥室內(nèi)，實現(xiàn)輸水線路快速關(guān)停。

3 結(jié) 語

本文以羅田水庫-鐵崗水庫深埋隧洞重力自流供水工程為例，采用KYPIPE計算軟件建立水力過渡過程數(shù)值計算仿真模型，通過對調(diào)流閥布置方案進行比選，分析比較管線沿線正壓、負(fù)壓，以及相應(yīng)的防護措施，提出了一種可提高輸水隧洞水流截斷速度并保證系統(tǒng)運行安全性的有效閥門快速關(guān)停策略，對其他類似工程具有一定的參考意義。

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Study on quick shut down strategy for gravity water delivery

of deep-buried tunnel

PENG Zhiyuan，GUI Shaobo，TIAN Ziqin

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research， Co.， Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：To improve the rapid response of the gravity water delivery system of deep-buried tunnel to emergencies， such as pipe burst occurs in the downtown area， the water diversion tunnel project from Luotian Reservoir to Tiegang Reservoir was taken as an example， and the numerical simulation model of the hydraulic transient process was established to analyze the characteristics and position of the gate or valve. An effective strategy of quick shut down was put forward， which can speed up the shut down process and ensure the safety of the pipe line. It has reference value for similar projects.

Key words： water hammer protection; deep-buried tunnel; shut down strategy; numerical simulation