南水北調東線穿黃河工程水力過渡過程模擬計算

李福超，郭學博，任澤儉，傅題善

(1.南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109；2.山東潤魯工程咨詢集團有限公司，山東 濟南 250100)

南水北調東線一期穿黃河工程灘地埋管、穿黃隧洞、穿引黃渠埋涵有壓輸水管道，當工作閘門開啟或關閉時，洞內水流流速發生變化，引起水體動量交換，導致沖量改變，對工作閘門產生一定沖擊力，在水體慣性和可壓縮性、洞壁彈性以及系統阻力作用下，會產生水擊現象，造成洞內水流壓力和密度不斷交替變化，壓強時大時小，嚴重時會對工程管道造成損傷甚至破壞。本文針對穿黃工程有壓輸水管道，采用數值模擬方法進行分析，并從工程安全運行的角度提出了建議。

1 工程概況

南水北調東線一期穿黃河工程主要由湖內引渠、南岸明渠、灘地埋管、穿黃隧洞、穿引黃渠埋涵和北岸明渠等構筑物組成，其中灘地埋管、穿黃隧洞和穿引黃渠埋涵為有壓輸水管道。灘地埋管全長3943m，內徑7.5m，為C25F100W8內圓外門洞型現澆鋼筋混凝土結構，灘地埋管設2個檢修井(1#、2#檢修井)，頂部高程分別為43m和43.5m(85高程，下同)；穿黃隧洞包括南岸豎井、過河平洞、北岸斜井及進、出口埋管，總長585.38m，內徑7.5m，采用鋼筋混凝土結構襯砌；隧洞出口設隧洞出口閘，閘前后設置檢修井(3#檢修井)和通氣孔，頂部高程均為41m；隧洞出口閘后接穿引黃渠埋涵，長度為360m，兩孔一聯，每孔5m×5m，為有壓鋼筋混凝土箱涵。南水北調東線一期穿黃河工程共設置四座節制閘，黃河南北岸各2座，從輸水中第1座及第4座閘出湖閘和穿引黃渠埋涵出口閘)主要參與運行調度，工程設計流量為100m3/s。

2 模型建立

2.1 初始條件

在輸水流量一定的情況下，渠埋涵出口閘上下游水位落差越大，開、關閘門時產生的水擊壓力越大。選取埋涵出口閘上游水位40.00m、下游水位31.00m(接近渠底高程)、流量為100m3/s，作為閘門運行的最不利條件，模擬結果可作為制定閘門啟閉運行規則的主要依據。

2.2 建立模型

2.2.1管道與節點

以有壓管道模擬穿黃河有壓輸水管路，以灘地埋管入口為管道為0點，穿引黃渠埋涵出口為管道終點，在有壓輸水管道上建立66個節點，將其劃分為65段，劃分管段最長108.19m，最短29.93m。起點管道中心線高程為32.63m，終點中心線高程為31.29m，隧洞平洞高程為-33.09m。

2.2.2閘門流量系數

以出湖閘和埋涵出口閘2013—2019年實測運行數據為基礎，根據淹沒孔流形式分別對閘門流量系數進行率定。已知流量、上下游水位差ΔH、閘孔凈寬b、開閘孔數n、開閘高度e，對流量系數μ和相對開度e/ΔH進行多項式擬合，分別得出出湖閘流量系數μ1和埋涵出口閘流量系數μ2的計算公式：

μ1=-7.995(e/ΔH)2+2.512(e/ΔH)+0.4963

(1)

μ2=0.431(e/ΔH)2-0.209(e/ΔH)+0.578

(2)

2.3 模型率定

選取東平湖出湖閘和穿引黃渠埋涵出口閘的部分實測數據，對水力過渡過程計算模型進行率定，調整模型中管道糙率等參數，使模型計算結果與實測結果之間的誤差處于合理范圍之內。率定結果兩者最大誤差分別為2.32%、-2.97%，均處于合理范圍之內，表明模型率定效果良好。擬合效果分別如圖1—2所示。

圖1 出湖閘流量系數擬合效果

圖2 埋涵出口閘流量系數擬合效果

3 水力過渡過程分析

3.1 穿引黃渠埋涵充水過程計算

在開啟穿引黃渠埋涵出口閘輸水之前，需要先開啟隧洞出口閘對穿引黃渠埋涵進行充水，使其滿足有壓輸水條件。分別采用隧洞出口閘線性完全開啟和固定開度小流量充水的方式對穿引黃渠埋涵充水過程進行模擬計算，以提出合適的充水方案。

3.1.1隧洞出口閘線性開啟

對隧洞出口閘采用線性完全開啟的方式進行埋涵充水，閘門高度為4m，啟閉速度為1.8m/min，完全開啟需要133.3s。隨著閘門開度的增大，充水流量逐漸增大，閘前管道壓力由于水流的泄放開始降低，最低處為1.39m H2O。在123s后埋涵充滿，管線壓力開始上升，最高處達71.9m H2O，檢修井和通氣孔開始產生溢流，產生溢流總量檢修井溢流量為4820.31m3，通氣孔溢流量為4739.71m3。由于通氣孔設置在穿引黃渠埋涵進口端，采用大流量充水容易發生排氣不暢現象。因此，不推薦采用此方式進行充水。

3.1.2固定開度小流量充水

采用5m3/s的固定流量對穿引黃渠埋涵進行充水，待閘后通氣口水面基本穩定后完全開啟隧洞出口閘。采用小流量充水方案，歷時2655s充水完畢，充水過程中整條管線壓力較為平穩，且檢修井和通氣孔無溢流產生。

3.2 開閘水力過渡過程分析

因穿黃河工程線路長度短、結構復雜，根據以往運行經驗，穿引黃渠埋涵出口閘與東平湖出湖閘采用同步聯動控制的模式。分別模擬同步連續開閘、分級開閘2種方式，計算有壓管路的最大、最小壓力分布、閘門處的瞬時壓力變化以及管道上檢修井和通氣孔的水位變化情況。

3.2.1同步連續開閘方式

在穿引黃渠埋涵出口閘上下游最大落差水位、輸水流量為100m3/s最不利工況下，埋涵出口閘的開度為1.53m。穿引黃渠埋涵出口閘啟閉速度為1.85m/min，采用線性連續開閘方式，閘門開啟時間為49.69s。出湖閘采用聯動控制的模式同步開啟。計算可知，線性連續開閘方式下整條管路最大壓力為69.202m H2O，最小壓力為-0.343m H2O。由于開閘速度過快，導致檢修井及通氣孔吸入空氣，造成了穿引黃渠埋涵短時間內的無壓輸水，因此不建議采用同步連續開閘方式。

3.2.2分級開閘方式

在穿引黃渠埋涵出口閘上下游最大落差水位、輸水流量為100m3/s最不利工況下，閘門開度為1.53m，采用分級開閘方式，出湖閘采用同步聯動模式分級開閘。首先，以5m3/s為分級流量，時間間隔為1min，閘門總開啟時間分別為1189.70s，經模擬計算得出，開閘過程中最大壓力為70.321m H2O，最小壓力為4.635m H2O，管道全線無負壓產生。

分級流量保持不變，再將時間間隔分別增至3、10min進行模擬，開閘所形成的最大、最小壓力包絡線基本一致。可以看出，以5m3/s為分級流量，保持一定的時間間隔，可以有效緩解埋涵出口閘出水流量增長過快導致通氣孔進氣而產生穿引黃渠埋涵無壓輸水的現象，不同的時間間隔對水力過渡過程影響不明顯。

以此類推，當分級流量設為10m3/s時，時間間隔分別取1、3、10min進行模擬，隧洞出口閘檢修井和通氣孔處將產生少量溢流，因此建議將分級流量設為5m3/s。

不同分級開閘方案下的水力過渡過程計算結果見表1。

表1 不同分級開閘方案水力過渡過程計算結果

3.3 關閘水力過渡過程分析

同理分別模擬穿引黃渠埋涵出口閘與東平湖出湖閘在同步連續關閘、分級關閘2種不同方式下的有壓管路最大、最小壓力分布、閘門處的瞬時壓力變化，以及管道上檢修井和通氣孔的水位變化情況。

3.3.1同步連續關閘方式

在穿引黃渠埋涵出口閘上下游最大落差水位、目標輸水流量為100m3/s最不利運行工況下，穿引黃渠埋涵出口閘閘門開度為1.53m，啟閉速度為1.85m/min，采用線性連續關閘方式，閘門關閉時間為49.69s。出湖閘采用聯動控制的模式同步關閉。經計算，管道產生最大壓力為71.506mH2O，最小壓力為5.414mH2O。閘門關閉過程中，隧洞出口閘和穿引黃渠埋涵出口閘以及管道內的壓力都呈逐漸增加趨勢，至閘門完全關閉時，壓力達到最大，分別為10.852mH2O和14.803mH2O，穿引黃渠埋涵出口閘處的流量減小至零，閘前壓力開始振蕩并遞減，隧洞出口閘由于水擊波的振蕩而導致前后檢修井和通氣孔持續溢流。檢修井和通氣孔的總溢流量分別為3288.64m3和3472.85m3。因此不建議采取同步連續關閘方式。

3.3.2分級關閘方式

在穿引黃渠埋涵出口閘上下游最大落差水位運行工況、目標輸水流量為100m3/s最不利工況下，閘門開度為1.53m，采用分級關閘方式，出湖閘采用聯動控制的模式同步分級關閉。首先，以5m3/s為分級流量，時間間隔為1min，閘門總關閉時間分別為1189.70s。經計算，輸水管道壓力包絡線最大壓力為70.349mH2O，最小壓力為4.328mH2O，檢修井和通氣孔溢流量分別為142.36m3和46.72m3。

分級流量保持不變，再將時間間隔分別增至3、10min進行模擬，關閘所形成的最大、最小壓力包絡線基本一致，檢修井和通氣孔溢流量變化不大?？梢钥闯?，以5m3/s為分級流量，保持一定的時間間隔，可以有效緩解埋涵出口閘出水流量降低過快導致輸水管道內壓力增長過快造成的檢修井和通氣孔溢流現象，分級關閘方式對于減小溢流作用十分明顯，但不同時間間隔對水力過渡過程影響不明顯。

以此類推，當分級流量設為10m3/s時，時間間隔分別取1、3、10min進行模擬，關閘所形成的最大、最小壓力包絡線基本一致，但檢修井和通氣孔處溢流量明顯增大，因此建議將分級流量設為5m3/s。不同分級關閘方案下水力過渡過程計算結果，見表2。

表2 不同關閘方案水力過渡過程計算結果

4 工程運行建議

通過以上水力過渡過程模擬計算結果，從工程安全的角度提出以下3條建議。

4.1 充水過程

開啟隧洞處水閘對穿引黃渠埋涵進行充水時，應采用固定小流量充水方案，待通氣孔水位與上游水位相平并且穩定之后，再完全開啟隧洞出口閘。建議充水流量為5m3/s，一方面，超過此充水流量會產生一定的水擊波，造成檢修井和通氣孔的少量溢流；另一方面，由于通氣孔設置在穿引黃渠埋涵進口端，采用大流量充水容易發生排氣不暢現象。

4.2 開閘過程

開啟穿引黃渠埋涵出口閘時，應采取分級開閘方式，以免檢修井和通氣孔產生吸入大量空氣使穿引黃渠埋涵形成長時間的無壓流或明滿流交替狀態；每次增加的流量應控制在5m3/s之內，防止管道內壓力產生較大波動，造成檢修井和通氣孔產生溢流；對于分級開閘，分級間隔時間長短對于壓力以及水位的變化幅度及趨勢影響很小，建議時間1min以上，可根據上級調度運行指令進行確定。

4.3 關閘過程

關閉穿引黃渠埋涵出口閘時，應采取分級關閘方案，以免產生較大水擊壓力，使得檢修井和通氣孔產生大量溢流；每次減小的流量應控制在5m3/s之內，防止管道內壓力產生較大波動，同時避免下游渠道水位降落過快；對于分級開閘，分級間隔時間長短對于壓力以及水位的變化幅度及趨勢影響較小，建議時間1min以上，可根據上級調度運行指令進行確定。

5 結語

通過模擬穿黃工程水力過渡過程，分析出了造成有壓管道水擊的主要因素，采用分級調節、控制分級流量和間隔時間的方式，能夠有效降低水擊發生的概率，減少工程溢流。據此，提出了穿黃工程調度運行方案建議，為保障工程安全平穩運行提供了有力的理論指導和技術支撐，對類似工程具有重要借鑒意義。由于長距離輸水管道水力過渡過程比較復雜，涉及的理論和問題較多，在模型計算精確度和效率方面還需要進一步提升。