長距離有壓隧洞引調水工程過渡過程研究

陳 嵐，朱 梅，李 琦，李 碩，李 烽

（1.湖北省水利水電規劃勘測設計院,湖北 武漢 430072；2.湖北省水利水電科學研究院,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長江干流北岸大壩上游 6.6 km 太平溪取水,先向東經宜昌市夷陵區、遠安縣、當陽市,至荊門市東寶區后折向北,再經襄陽市宜城市、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,渠首設計流量35 m3/s,進口設計水位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。隧洞干線進口設節制閘,孔口尺寸7.0 m×7.0 m,進水口底板高程130.30 m,設計水位143.30 m,最高水位173.30 m,設計流量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 水錘壓力控制標準

根據《城鎮供水長距離輸水管（渠）道工程技術規程 》（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準對隧洞襯砌的配筋量和設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范中較嚴格的標準“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；干線初始流量為設計流量35 m3/s。

4.2 不設調壓井方案過渡過程計算

假定不同的閥門線性關閉速率[3],其關閥水錘計算結果見表1。

表1 末端閥門不同關閉規律下的水錘計算結果

從表1 可以看出：閥門關閉速度越慢,主洞的最大水錘壓力越小；但閥門全行程關閉時間從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,不滿足水錘防護標準。

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

4.3 設置調壓設施方案過渡過程計算

因調壓井越靠近出口效果越好,結合實際地形地質條件,擬在樁號62+730 處設置溢流式調壓井。以下對不同內徑調壓井的防護效果進行比較。

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

表2 干線有壓段末端閥關閥水錘計算結果（調壓井直徑比較）

從表2 可見：調壓井內徑越大,調壓井內的最高水位越低,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。

根據表2 的計算結果,結合入口設計水位143.36 m 時的計算結果,擬定調壓井直徑為15 m。

4.3.1 調壓井阻抗孔直徑比較

根據《水利水電工程調壓室設計規范》（SL 655-2014）,阻抗孔面積宜為引水道面積的25%~45%[4]。本工程調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 處設置不同阻抗孔的溢流式調壓井的防護效果進行比較。計算條件：（1）閥門關閉速率為全行程900 s 線性關閉；（2）調壓井內徑15 m。調壓井的溢流堰高程175.00 m、溢流堰寬度為調壓井截面周長的25%。上述條件下的干線有壓段末端閥關閥水錘計算結果見表3。

表3 干線有壓段末端閥關閥水錘計算結果（阻抗孔直徑比較）

從表3 可見：調壓井內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壓井直徑的增大而減小[5]。但不同阻抗孔直徑的計算結果差別不大。根據表3 的計算結果,本階段考慮不設阻抗孔。

4.3.2 入口水位143.36 m 時的調壓井直徑比較

根據表3 計算結果,調壓井直徑從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,可能出現調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、干線初始以設計流量35 m3/s 單獨供水工況下,不同調壓井直徑時的關閥水錘計算結果見表4。

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根據表4 的計算結果,本階段推薦調壓井的直徑為15 m。4.3.3 不同初始工況下的關閥水錘計算結果復核（帶防護措施）

根據前述計算結果,擬定防護措施如下：

（1）干線有壓段末端閥的關閥速率為全行程900 s 線性關閉。

（2）在樁號62+730處設置溢流式調壓井。調壓井尺寸為：內徑15 m,不設阻抗孔,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果見表5。

表5 干線有壓段末端閥關閥水錘計算結果（設調壓井，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 種初始工況下的關閥水錘壓力均滿足控制標準。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閉速率為全行程900 s 線性關閉的關閥過渡過程計算結果見圖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 干線壓力包絡線

圖3 末端閘前點壓力變化過程

圖4 干線末端閥門關閥過渡過程計算結果

從圖1 中可以看出：末端閥門初始開度為18.97%,關閉速率為全行程900 s 線性關閉,實際關閥時間為170.73 s。從圖2 中可以看出：關閥過渡過程中,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準（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準。從圖3 中可以看出：關閥過渡過程中,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：關閥過渡過程中,調壓井內最高水位為176.16 m,最大溢流量為30.21 m3/s。

4.3.4 擬定的防護措施

根據前面計算及復核結果,本次擬定的水錘防護措施為：

（1）干線有壓段末端閥的關閥速率為全行程900 s 線性關閉。

（2）在樁號62+730 處設置溢流式調壓井。調壓井尺寸為：內徑15 m,不設阻抗孔,溢流堰頂高程175.00 m。

5 結語

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,分析了線路設置調壓室的必要性以及需要設置的位置、數量,對閘（閥）運行方式（啟閉方式和規律）提出合理化建議,擬定了水錘防護措施。當前正處于國家水網建設高峰期,長距離有壓隧洞引調水工程眾多,本工程可為國內其它類似工程提供參考經驗。