廊涿干渠工程運行調度方式優化及其水錘分析計算

韓李明

（河北省水利水電勘測設計研究院集團有限公司，天津 300250）

1 項目概述

廊涿干渠工程從南水北調中線京石段三岔溝口門分水，輸水到擬建的廊坊市廣陽水庫，并向沿途的涿州、松林店、固安縣、固安電廠、永清縣及廊坊市區供水，線路總長83.979 km。在涿州市和固安縣境內走向大致為由西向東，在永清縣曹家務改為由東向東北，自永定河泛區王瑪村東開始基本為南北向。廊涿干渠采用2 排DN2400～DN1600 預應力鋼筒混凝土管（PCCP）輸水，管道工作壓力以樁號LZ26+000為界，上游為0.4 MPa，下游為0.6 MPa，最大引水流量11 m3/s。

廊涿干渠工程于2011年3月開工建設，主體工程于2013 年4 月完工。水壓試驗于2013 年8 月完成，2014 年12 月廊涿干渠通過了通水驗收，進入工程試運行階段。在工程試運行階段的2015 年11月，管道樁號LZ52+050 處出現爆管；在2018 年12月，固安、永清分界下游樁號LZ60+070 處右側管道出現爆管。根據對工程沿線PCCP預應力鋼絲的檢測情況，本工程管道存在斷絲的管節數量隨時間增加，斷絲管節內斷絲根數也隨時間增加的情況。根據對2 次爆管原因的分析和管節斷絲情況的檢測結果，為保證廊涿干渠能夠正常輸水，應對目前運行調度方式進行優化，并采取工程加固等措施。

2 運行調度方式優化

廊涿干渠工程原設計運用下調節方式，即管道自中線總干渠引水，水流無控制地自由流至各分水口調流閥，通過各調流閥的調節，控制設計取水流量。該運行方式的優點是調度管理相對簡單，各用水目標水壓充足，但是在目前管道輸水量尚未達到設計流量、小流量供水的情況下，下游管段承受較大的工作壓力，在進行流量調節時管道內產生的水壓波動較大。通過對廊涿干渠投入運行以來各用水戶的用水量及近年來用水量的增長情況分析，在廣陽水庫建設投入使用之前，廊涿干渠將長期處于小流量供水狀態。

為了保證廊涿干渠供水安全，發揮正常的工程效益，對斷絲數量較多的管節進行加固或更換，同時對廊涿干渠原運行調度方式進行優化。通過對廊涿干渠輸水管道系統的分析和多方案比較，提出了“中控制下調節”運行方式，即在干渠的中部設置調流調壓閥，根據下游的用水要求在中部調節控制下游所需的流量和壓力、在各分水口調節目標水廠流量和壓力的調節方式。

本方案的“中控制”需在管道中部設置一組調流調壓閥，工程運行調度管理相對復雜，但可以有效減小下游段小流量供水時的工作壓力。在廊涿干渠采用中控制下調節方式的情況下，為減小水壓波動，應同時在下游管道合適的位置上設置調壓塔，進一步有效降低因下游分水口調流調壓操作時產生的水壓波動。根據廊涿干渠工程實際情況，中控制下調節方案在固安支線分水口下游側增設調流調壓閥組、在永清分水口上游側設置調壓塔。

2.1 調流調壓閥組布置

布置調流調壓閥組位置處管道直徑為DN2 400 mm，現階段還不能生產該規格的調流調壓閥，因此將干管分為兩支管分別進行控制。在樁號LZ37+200 處設置分水三通，將DN2 400 mm 的管道分為2 根DN1 800 mm 管道；在DN1 800 mm 管道樁號LZ37+206 處設置檢修閥井；在樁號LZ37+212處設置調壓閥室，室內布設調流調壓閥4 臺；在樁號LZ37+224 處設置檢修閥井；在樁號LZ37+230處設置三通將4 根DN1 800 mm 管道合并為2 根DN2 400 mm管道。

2.2 調壓塔布置

調壓塔內徑2.2 m，頂高程以滿足向下游供水8.0 m3/s 時的水位確定為41.0 m。調壓塔溢流管設置近、遠期兩個高程，由泄水管匯流排出至滲水坑。上部溢流管高程以滿足向下游供水8.0 m3/s 時水位確定為37.0 m；下部溢流管高程以滿足向下游供水5.0 m3/s 時水位確定為27.0 m。調壓塔溢流水排至滲水坑內，滲水坑初定有效容積325 m3。

3 水錘計算原理

水錘壓力一般采用特征線法進行分析計算，該方法是管路系統水力過渡過程的分析與計算的主要方法。特征線法的主要思路是建立水錘偏微分基本方程組，將偏微分方程組轉化為在特征線方向上的常微分方程組（特征方程），然后沿特征線進行積分，得到有限差分方程式，最后根據給定的初始邊界條件，依靠計算機采用有限差分法進行數值計算。沿特征線方向水錘全微分方程組如式（1）。

式中：V為管道中的流速，向下游為正；H為壓力水頭；x為距離，以管道進口為原點，向下游為正；t為時間；a、g為水錘波速和重力加速度；D、α為管道直徑和縱坡；f為摩阻系數。

由于本系統管徑不同，在計算過程中，采用帶插值的特征線法，可得近似簡化積分式如式（2）、式（3）。

解上述方程可得式（4）、式（5）。

參數B、R和綜合參數CP、CM可在可計算時段開始時先算出。式（4）、式（5）便是水錘分析中編入計算機程序的相容性方程。

管線末端采用的調流閥門，參照《工業管道中的水錘》［1］，選用活塞式閥門，過流特性曲線為直線，如式（5）。

管線首端取設計水頭，HP為相對于管道出口高程的水位。

4 計算工況

廊涿干渠運行調度方式由下調節改為中控制下調節之后，水錘分析按近期供水和遠期供水兩種工況分別進行計算。

4.1 近期小流量供水情況

近期小流量供水情況下，通過新增調流閥組，將下游最高水位控制在30 m。水錘計算分析細分為新增中部調流閥組和末端閥組同步聯動調節、新增調流閥組延后末端閥組1 min、3 min、5 min 等幾種工況。

4.2 遠期設計流量供水情況

設計流量供水情況下，通過新增調流閥組，將下游最高水位控制在35 m。水錘計算分析細分為新增中部調流閥組和末端閥組同時聯動調節、新增調流閥組延后末端閥組1 min、3 min、5 min 等幾種工況。

5 計算過程

5.1 近期小流量供水工況

5.1.1 中部、末端調流閥同步調節。管道最大水錘壓力水頭為30.5 m，調壓塔溢流水量為60.36 m3/s。

5.1.2 中部調流閥滯后1 min。管道最大水錘壓力水頭為30.5 m，調壓塔溢流水量為130.15 m3/s。

5.1.3 中部調流閥滯后3 min。管道最大水錘壓力水頭為30.5 m，調壓塔溢流水量為281.59 m3/s。

5.1.4 中部調流閥滯后5 min。管道最大水錘壓力水頭為30.5 m，調壓塔溢流水量為433.05 m3/s。

5.2 設計流量供水工況

5.2.1 中部、末端調流閥同步調節。管道最大水錘壓力水頭為38.0 m，調壓塔溢流水量為3.81 m3/s。水錘壓力分布圖如圖1所示。

5.2.2 中部調流閥滯后1 min。管道最大水錘壓力水頭為38.0 m，調壓塔溢流水量為76.91 m3/s。水錘壓力分布圖如圖1所示。

圖1 中部、末端調流閥同步調節水錘壓力分布圖

5.2.3 中部調流閥滯后3 min。管道最大水錘壓力水頭為38.0 m，調壓塔溢流水量為316.36 m3/s。水錘壓力分布圖如圖1所示。

5.2.4 中部調流閥滯后5 min。管道最大水錘壓力水頭為38.0 m，調壓塔溢流水量為588.48 m3/s。水錘壓力分布圖如圖1所示。

5.3 計算結果分析

5.3.1 近期小流量供水工況。計算結果見表1。

表1 近期小流量供水工況下水錘計算結果

通過分析計算，當進行水量、壓力調節時，調流閥的各種調節組合方式均能通過調壓塔的溢流水量來有效控制最大水錘水頭不超過31 m。考慮到操作時間的延遲性和溢流水量的大小，中部調流閥組的調節延遲時間應控制在3 min之內。溢流管管頂高程設為29 m，滲水坑容積不小于325 m3。

5.3.2 設計流量供水工況。計算結果見表2。通過分析計算，當進行水量、壓力調節時，調流閥的各種調節組合方式均能通過調壓塔的溢流水量來有效控制最大水錘水頭不超過40 m。考慮操作時間的延遲性和溢流水量的大小，中部調流閥組的調節延遲時間應控制在3 min之內。溢流管管頂高程設為37 m，滲水坑容積不小于325 m3。

表2 設計流量供水工況下水錘計算結果

6 結語

本研究通過對廊涿干渠2 次爆管原因的分析以及對管道沿線PCCP 斷絲情況檢測的結果，提出了“中控制下調節”運行調度優化方式，然后通過建立水力模型進行管道水錘理論計算，根據計算結果驗證了優化后的運行調度方式的有效性。在廊涿干渠之后的運行中，還應根據工程運行實際情況和實測數據，修正水錘水力模型，對運行調度方式進行進一步完善和修正。通過研究計算，得出以下結論。

①從本工程調流調壓閥多種操作組合的計算結果可以看出，中部控制和調壓塔有效地降低了下游管道的水錘壓力，有效地避免了在用水戶調節流量和壓力過程中壓力的升高和降低，確保了系統安全。

②運行調度優化方案采用了調壓塔溢流設計，從水錘壓力分布圖可以看出，不同調節方法的水錘壓力分布基本一致。由于將高于溢流水位的水泄放至管道系統外，使得水錘造成的管道升壓能夠控制在一定的范圍內，從而進一步保證了管道系統的安全。

③改為中調節后，廊涿干渠管理工作略有加大。根據下游用水需求調節調流調壓閥組，調節精度相對提高，且便于操作。

④由于增加了調流閥組，對管道原設計過流能力略有影響。原設計廣陽水庫水位23 m 充水時，管道流量8.0 m3/s。改為中控制下調節后，廣陽水庫水位23 m 充水時，管道流量7.95 m3/s，過流能力略有減小。