龍?zhí)端畮?kù)至1號(hào)隧洞管線水力過(guò)渡過(guò)程分析

(寧夏水務(wù)投資集團(tuán)有限公司，寧夏 銀川 750002)

1 工程布置與概述

1.1 1號(hào)主壓力管線布置

龍?zhí)端畮?kù)至1號(hào)隧洞入口的主輸水管線，全長(zhǎng)15.25km，水流為重力流。該段輸水管線涉及龍?zhí)端畮?kù)、石嘴子截引支線接入點(diǎn)、紅家峽截引支線接入點(diǎn)、1號(hào)隧洞入口等4個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，龍?zhí)端畮?kù)是該工程的取水首部樞紐工程，設(shè)計(jì)流量為2.25m3/s；石嘴子補(bǔ)水口位于主輸水管線K5+215.8處，設(shè)計(jì)流量為0.55m3/s；紅家峽補(bǔ)水口位于主輸水管線K10+107處，設(shè)計(jì)流量為0.25m3/s；在石嘴子補(bǔ)水口、紅家峽補(bǔ)水口分別設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，用于控制接入主管線的流量。在主管線末端(1號(hào)隧洞入口)設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，用于控制主管線流量。過(guò)渡過(guò)程計(jì)算時(shí)，主管線末端最小流量0.5m3/s，設(shè)計(jì)流量3.0m3/s，最大流量3.45m3/s。

1.2 輸水管線的材料及樁號(hào)

引水段504.81m：樁號(hào)0+000～0+504.81，設(shè)計(jì)引水流量2.25m3/s，由壩內(nèi)現(xiàn)澆段、DN1800的鋼管和隧洞組成。具體為：壩內(nèi)現(xiàn)澆段14m+DN1800隧洞163m+DN1800鋼管327.81m。供水段1：K0+000～K2+019：DN1800的PCCP管；供水段2：K2+019～K5+215.8(石嘴子補(bǔ)水口)：DN1600的玻璃鋼管；供水段3：K5+215.8～K7+000：DN2000的PCCP管；供水段4：K7+000～K10+107(紅家峽補(bǔ)水口)：DN1800玻璃鋼管；供水段5：K10+107～K13+000：DN1800的玻璃鋼管；供水段6：K13+000～K15+250(1號(hào)隧洞入口)：DN2000的PCCP管。

1.3 截引點(diǎn)輸水及匯入主要管線說(shuō)明

a.在石嘴子截引支線接入點(diǎn)(K5+215.8)、紅家峽截引支線接入點(diǎn)(K10+107)支管上及1號(hào)隧洞入口處(K15+250)主管上，設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥和電磁(或超聲波)流量計(jì)。石嘴子截引支線接入點(diǎn)、紅家峽截引支線接入點(diǎn)支管上流量調(diào)節(jié)閥的作用是調(diào)節(jié)支線進(jìn)入總管線的流量，1號(hào)隧洞入口處主管上流量調(diào)節(jié)閥的作用是調(diào)節(jié)主管進(jìn)入隧洞的流量并減壓。流量調(diào)節(jié)閥采用固定錐形閥。

b.主管上檢查井、排氣補(bǔ)氣閥井。檢查井內(nèi)閥門采用蝶閥，排氣補(bǔ)氣閥采用復(fù)合式排氣補(bǔ)氣閥，排氣補(bǔ)氣閥直徑300mm，數(shù)量17，配套安裝閘閥和緩沖閥。

1.4 水位與流量

龍?zhí)端畮?kù)是該工程的取水首部樞紐工程，設(shè)計(jì)水位1917.50m，最低運(yùn)行水位1916.00m，校核洪水位1920.86m。水庫(kù)后接引水段，引水管中心高程1912.70m。

龍?zhí)端畮?kù)至石嘴子間主管線設(shè)計(jì)流量2.25m3/s。石嘴子補(bǔ)水口設(shè)計(jì)流量0.55m3/s，紅家峽補(bǔ)水口設(shè)計(jì)流量0.25m3/s。從石嘴子補(bǔ)水口往后的主管線設(shè)計(jì)流量3.0m3/s。

在過(guò)渡過(guò)程計(jì)算時(shí)，主管線最小流量0.5m3/s，設(shè)計(jì)流量3.0m3/s，最大流量3.45m3/s。

2 水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算內(nèi)容

a.分別針對(duì)龍?zhí)端畮?kù)校核洪水位、設(shè)計(jì)水位、最低水位的情況，進(jìn)行整個(gè)輸水系統(tǒng)恒定流計(jì)算，并給出水力坡降線。

b.分別針對(duì)龍?zhí)端畮?kù)校核洪水位、設(shè)計(jì)水位、最低水位，干管通過(guò)最小流量、設(shè)計(jì)流量，干管上安裝或不安裝水錘排氣補(bǔ)氣閥等情況，進(jìn)行整個(gè)輸水系統(tǒng)非恒定流計(jì)算，主要工況為：?干管末端調(diào)流閥突然開啟工況；?干管末端調(diào)流閥正常關(guān)閉工況；?干管末端調(diào)流閥正常開啟工況。

針對(duì)上述工況，提出合理的水錘防護(hù)措施，并給出干管末端調(diào)流閥的關(guān)閉與開啟規(guī)律，以及整個(gè)輸水系統(tǒng)最大壓力與最小壓力包絡(luò)線。

3 數(shù)學(xué)模型及邊界處理

3.1 輸水系統(tǒng)恒定流

3.1.1 主干管末端調(diào)流閥特性

由寧夏水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司于2012年4月20日提供的主干管末端調(diào)流閥特性曲線如圖1所示。

圖1 主干管末端調(diào)流閥開度-流量-壓差曲線

式中 ΔH——閥門前后壓差，m；

Q——流量，m3/s；

A——閥門橫截面面積，m2；

ζ——閥門流阻系數(shù)。

表1 主干管末端調(diào)流閥特性參數(shù)

圖2 主干管末端調(diào)流閥特性

3.1.2 輸水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算分析

3.1.2.1 計(jì)算工況

根據(jù)寧夏水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司于2012年4月20日提供的數(shù)據(jù)，分別針對(duì)龍?zhí)端畮?kù)校核洪水位(1920.86m)、設(shè)計(jì)水位(1917.50m)和最低水位(1916.00m)的情況，進(jìn)行整個(gè)輸水系統(tǒng)在大流量(3.45m3/s)、設(shè)計(jì)流量(3.0m3/s)和小流量(0.50m3/s)的恒定流計(jì)算。下游接1號(hào)隧洞，出流方式為大氣出流。經(jīng)討論后，管線的局部損失取沿程損失的20%。

3.1.2.2 管線最大過(guò)流量工況

分別針對(duì)龍?zhí)端畮?kù)在校核洪水位、設(shè)計(jì)水位、最低水位條件下，調(diào)流閥保持全開狀態(tài)并且補(bǔ)水口不補(bǔ)水時(shí)，計(jì)算主管線的最大過(guò)流流量。

經(jīng)計(jì)算，確定管線正常輸水時(shí)的工況如下：

a.最大流量工況。在此工況下，末端調(diào)流閥通過(guò)3.45m3/s。為此，龍?zhí)端畮?kù)供水2.65m3/s，石嘴子補(bǔ)水口補(bǔ)水0.55m3/s，紅家峽補(bǔ)水口補(bǔ)水0.25m3/s。

b.設(shè)計(jì)流量工況。在此工況下，末端調(diào)流閥通過(guò)3.00m3/s。為此，龍?zhí)端畮?kù)供水3.00m3/s；或者龍?zhí)端畮?kù)供水2.20m3/s、石嘴子補(bǔ)水口補(bǔ)水0.55m3/s、紅家峽補(bǔ)水口補(bǔ)水0.25m3/s。

c.最小流量工況。龍?zhí)端畮?kù)供水0.50m3/s；或石嘴子補(bǔ)水口補(bǔ)水0.50m3/s。

需要說(shuō)明的是：由于僅從龍?zhí)端畮?kù)供水情況下無(wú)法滿足最大流量3.45m3/s的要求，要達(dá)到最大流量供水，則必須有補(bǔ)水口補(bǔ)水。其余的恒定流計(jì)算工況，均選取最不利計(jì)算工況進(jìn)行計(jì)算。

3.1.2.3 最大流量工況3.45m3/s

由于有補(bǔ)水口參與補(bǔ)水，因此只有在龍?zhí)端畮?kù)處于校核洪水位(1920.86m)時(shí)，才能滿足最大流量3.45m3/s的供水要求。此時(shí)龍?zhí)端畮?kù)至石嘴子補(bǔ)水口間主管線設(shè)計(jì)流量2.65m3/s，石嘴子補(bǔ)水口設(shè)計(jì)流量0.55m3/s，紅家峽補(bǔ)水口設(shè)計(jì)流量0.25m3/s。對(duì)應(yīng)的主管末端調(diào)流閥的相對(duì)開度見表2。

表2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)主干管調(diào)流閥對(duì)應(yīng)開度(一)

3.1.2.4 設(shè)計(jì)流量工況3.00m3/s

輸水系統(tǒng)供水3.0m3/s時(shí)，要求龍?zhí)端畮?kù)至石嘴子補(bǔ)水口間主管線設(shè)計(jì)流量2.20m3/s，石嘴子截引點(diǎn)設(shè)計(jì)流量0.55m3/s，紅家峽截引點(diǎn)設(shè)計(jì)流量0.25m3/s，則龍?zhí)端畮?kù)處于校核洪水位、設(shè)計(jì)水位和最低水位時(shí)對(duì)應(yīng)的主管末端調(diào)流閥的相對(duì)開度見表3。

表3 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)主干管調(diào)流閥對(duì)應(yīng)開度(二)

另一種運(yùn)行模式是3.00m3/s全部由龍?zhí)端畮?kù)供水。龍?zhí)端畮?kù)處于校核洪水位、設(shè)計(jì)水位和最低水位時(shí)對(duì)應(yīng)的主管末端調(diào)流閥的相對(duì)開度見表4。

表4 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)主干管調(diào)流閥對(duì)應(yīng)開度(三)

3.1.2.5 最小流量工況0.50m3/s

該工況也有兩種運(yùn)行模式。

第一種運(yùn)行模式，只需石嘴子補(bǔ)水口補(bǔ)水0.50m3/s。龍?zhí)端畮?kù)處于校核洪水位、設(shè)計(jì)水位和最低水位時(shí)對(duì)應(yīng)的主管末端調(diào)流閥的相對(duì)開度見表5。

表5 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)主干管調(diào)流閥對(duì)應(yīng)開度(四)

第二種運(yùn)行模式是，龍?zhí)端畮?kù)供水0.50m3/s，補(bǔ)水口不工作。龍?zhí)端畮?kù)處于校核洪水位、設(shè)計(jì)水位和最低水位時(shí)，對(duì)應(yīng)的主管末端調(diào)流閥的相對(duì)開度見表6。

表6 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)主干管調(diào)流閥對(duì)應(yīng)開度(五)

3.2 開閥過(guò)渡過(guò)程

3.2.1 計(jì)算工況

分別針對(duì)龍?zhí)端畮?kù)低水位(1916.00m)和校核洪水位 (1920.86m)，進(jìn)行以下工況的過(guò)渡過(guò)程計(jì)算：

a.干管末端調(diào)流閥突然開閥(相對(duì)開度瞬間由0→1，相當(dāng)于末端爆管)工況。

b.管末端調(diào)流閥正常開閥工況。

計(jì)算中，下游邊界為大氣出流，管線局部損失取沿程損失的20%。

3.2.2 突然開閥過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析

突然開閥過(guò)渡過(guò)程的各工況見表7。

表7 突然開閥過(guò)渡過(guò)程的各工況情況

a. GK4-1(龍?zhí)端畮?kù)低水位，管線無(wú)排氣補(bǔ)氣閥)。龍?zhí)端畮?kù)處于最低水位(1916.00m)，石嘴子截引點(diǎn)和紅家峽截引點(diǎn)未補(bǔ)水，輸水系統(tǒng)無(wú)排氣補(bǔ)氣閥布置，下游接1號(hào)隧洞，出流方式為大氣出流。主管末端調(diào)流閥突然打開(相對(duì)開度瞬間由0→1)，輸水管線各管段的壓力標(biāo)準(zhǔn)由表7確定。

由計(jì)算結(jié)果可知，龍?zhí)端畮?kù)處于最低水位時(shí)且無(wú)排氣補(bǔ)氣閥布置時(shí)，主管末端調(diào)流閥突然打開，引起輸水系統(tǒng)最大壓力為112.440m，最小壓力為-2.995m，最大壓力在壓力控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

b. GK4-2(龍?zhí)端畮?kù)低水位，管線布置排氣補(bǔ)氣閥)。龍?zhí)端畮?kù)處于最低水位(1916.00m)，石嘴子截引點(diǎn)和紅家峽截引點(diǎn)未補(bǔ)水，輸水系統(tǒng)按表7布置排氣補(bǔ)氣閥。

由計(jì)算結(jié)果可知，龍?zhí)端畮?kù)處于最低水位且有排氣補(bǔ)氣閥布置時(shí)，末端調(diào)流閥突然打開，引起輸水系統(tǒng)最大壓力為110.759mm，最小壓力為-2.995m，最大壓力在壓力控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

c. GK4-3(龍?zhí)端畮?kù)校核洪水位，管線無(wú)排氣補(bǔ)氣閥)。龍?zhí)端畮?kù)處于校核洪水位(1920.86m)，石嘴子截引點(diǎn)和紅家峽截引點(diǎn)未補(bǔ)水，輸水系統(tǒng)無(wú)排氣補(bǔ)氣閥布置。

由計(jì)算結(jié)果可知，龍?zhí)端畮?kù)處于校核洪水位且無(wú)排氣補(bǔ)氣閥布置時(shí)，主管末端調(diào)流閥突然打開，引起輸水系統(tǒng)最大壓力為118.102m，最小壓力為-4.466m，且最大壓力在壓力控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

d. GK4-4(龍?zhí)端畮?kù)校核洪水位，管線布置排氣補(bǔ)氣閥)。龍?zhí)端畮?kù)處于校核洪水位(1920.86m)，石嘴子截引點(diǎn)和紅家峽截引點(diǎn)未補(bǔ)水，輸水系統(tǒng)布置排氣補(bǔ)氣閥。

由計(jì)算結(jié)果可知，龍?zhí)端畮?kù)處于校核洪水位且有排氣補(bǔ)氣閥布置時(shí)，主管末端調(diào)流閥突然打開，引起輸水系統(tǒng)最大壓力為115.033m，最小壓力為-2.277m，且最大壓力在壓力控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

3.2.3 正常開閥過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析

由上述計(jì)算過(guò)程可知，在各種不同運(yùn)行條件下，末端調(diào)流閥突然開閥時(shí)均不會(huì)產(chǎn)生太大的負(fù)壓和正壓。因此，正常開閥的閥門動(dòng)作規(guī)律可自行設(shè)計(jì)，當(dāng)開閥時(shí)間大于10s時(shí)即可將壓力控制在滿足要求的范圍之內(nèi)。

3.3 正常關(guān)閥過(guò)渡過(guò)程

3.3.1 計(jì)算條件及計(jì)算工況

正常關(guān)閥的水力過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析的前提條件如下：

a.龍?zhí)端畮?kù)校核洪水位(1920.86m)。此水位為最不利水位工況。

b.管線上不設(shè)置調(diào)壓井。之所以選擇不設(shè)置調(diào)壓井，一是由于調(diào)壓井方案尚未確定要實(shí)施，二是此工況比設(shè)置調(diào)壓井工況更為不利。

c.局部損失取沿程損失的20%。

過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分別針對(duì)以下兩種工況展開：

a.輸水系統(tǒng)以最大流量(3.45m3/s)供水，即龍?zhí)端畮?kù)供水流量2.65m3/s、石嘴子補(bǔ)水口供水流量0.55m3/s、紅家峽補(bǔ)水口供水流量0.25m3/s，末端調(diào)流閥開度0.544。在此工況下，分別計(jì)算石嘴子和紅家峽兩處調(diào)流閥的關(guān)閥時(shí)間和末端調(diào)流閥的關(guān)閥時(shí)間。

b.只由龍?zhí)端畮?kù)在最高水位下供水，末端調(diào)流閥為全開狀態(tài)，即輸水系統(tǒng)以最大過(guò)流量工作工況。在此工況下，計(jì)算末端調(diào)流閥關(guān)閥時(shí)間。

3.3.2 石嘴子與紅家峽補(bǔ)水口關(guān)閥時(shí)間計(jì)算

當(dāng)輸水系統(tǒng)以最大流量3.45m3/s供水時(shí)，需要龍?zhí)端畮?kù)、石嘴子補(bǔ)水口、紅家峽補(bǔ)水口同時(shí)供水，供水流量分別為龍?zhí)端畮?kù)2.65m3/s、石嘴子補(bǔ)水口0.55m3/s、紅家峽補(bǔ)水口0.25m3/s，末端調(diào)流閥開度0.544。在此工況下，假定需要連續(xù)關(guān)閉石嘴子和紅家峽兩個(gè)補(bǔ)水口處的調(diào)流閥，現(xiàn)計(jì)算關(guān)閥時(shí)間。

通常情況下，調(diào)流閥應(yīng)該以線性規(guī)律關(guān)閉，即其開度隨時(shí)間線性減小。項(xiàng)目組針對(duì)石嘴子和紅家峽兩處補(bǔ)水口，試算了多種不同關(guān)閉時(shí)間組合。研究發(fā)現(xiàn)，兩處補(bǔ)水口按3∶2的時(shí)間比例進(jìn)行關(guān)閉是較為合理的。

3.3.3 最大流量工況下干管末端調(diào)流閥關(guān)閥時(shí)間

當(dāng)輸水系統(tǒng)以最大流量3.45m3/s供水時(shí)，需要龍?zhí)端畮?kù)、石嘴子補(bǔ)水口、紅家峽補(bǔ)水口同時(shí)供水，供水流量分別為：龍?zhí)端畮?kù)2.65m3/s、石嘴子補(bǔ)水口0.55m3/s、紅家峽補(bǔ)水口0.25m3/s，末端調(diào)流閥開度0.544。對(duì)末端調(diào)流閥進(jìn)行了400s、500s和600s關(guān)閥過(guò)渡過(guò)程計(jì)算。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，600s的關(guān)閥時(shí)間更為合理。

由計(jì)算結(jié)果可知，主管末端調(diào)流閥600s線性關(guān)閉，即開度由初始的0.544降為0，造成輸水系統(tǒng)最大壓力為120.595m，最小壓力為-0.004m。最大壓力在壓力控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，最小壓力也在安全范圍內(nèi)。

3.3.4 干管末端調(diào)流閥由全開至全關(guān)的時(shí)間

根據(jù)穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)干管末端調(diào)流閥處于全開狀態(tài)、龍?zhí)端畮?kù)處于校核洪水位1920.86m時(shí)，即使只由龍?zhí)端畮?kù)供水，供水流量也將達(dá)到最大流量3.45m3/s。為此，在此工況下，計(jì)算調(diào)流閥關(guān)閥時(shí)間。經(jīng)過(guò)多種關(guān)閥時(shí)間對(duì)比分析可知，干管末端調(diào)流閥在900s內(nèi)線性地由全開至全關(guān)，所引起的水力瞬變滿足要求。

由計(jì)算結(jié)果可知，龍?zhí)端畮?kù)處于校核洪水位時(shí)，主管末端調(diào)流閥900s線性關(guān)閉，引起輸水系統(tǒng)最大壓力為122.411m，最小壓力為-0.005m，最大壓力在壓力控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，最小壓力也在安全范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該輸水系統(tǒng)進(jìn)行水力過(guò)渡過(guò)程計(jì)算，取得如下計(jì)算成果：

a.針對(duì)龍?zhí)端畮?kù)在校核洪水位、設(shè)計(jì)水位、最低水位條件下，系統(tǒng)以最大流量、設(shè)計(jì)流量、最小流量穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，提供了管線的水力坡降線。

b.主管線末端調(diào)流閥突然打開引起的系統(tǒng)最大壓力皆在控制標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，系統(tǒng)最小壓力在-2.995m。當(dāng)系統(tǒng)以10s以上的時(shí)間開閥時(shí)，輸水系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生超出承壓范圍的正壓或負(fù)壓。

c.在最大流量3.45m3/s供水時(shí)，需要石嘴子補(bǔ)水口和紅家峽補(bǔ)水口分別補(bǔ)水0.55m3/s和0.25m3/s。正常關(guān)閥時(shí)，先順序關(guān)閉石嘴子補(bǔ)水口和紅家峽補(bǔ)水口處的閥門，然后無(wú)間隔關(guān)閉主管末端調(diào)流閥。經(jīng)計(jì)算，石嘴子補(bǔ)水口在300s內(nèi)線性關(guān)閉、紅家峽補(bǔ)水口在200s內(nèi)線性關(guān)閉，對(duì)主管線的壓力不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

d.當(dāng)龍?zhí)端畮?kù)、石嘴子補(bǔ)水口和紅家峽補(bǔ)水口同時(shí)供水，輸水系統(tǒng)通過(guò)最大流量3.45m3/s時(shí)，在關(guān)閉石嘴子和紅家峽補(bǔ)水口后，主管末端調(diào)流閥可采用600s線性關(guān)閉方式。

e.在輸水系統(tǒng)以最大過(guò)流量工作(即末端調(diào)流閥全開時(shí)由龍?zhí)端畮?kù)在最高水位下供水)時(shí)，推薦末端調(diào)流閥以900s線性關(guān)閉。該工況是關(guān)閥最不利工況，其他各工況可參考此工況執(zhí)行，即將關(guān)閥時(shí)間控制在900s以上即可滿足要求。

[1] 王俊.長(zhǎng)距離輸水工程水力過(guò)渡過(guò)程的研究[D].天津：天津大學(xué)，2003.

[2] 鄭邦民，趙昕.計(jì)算水動(dòng)力學(xué)[M].武漢:武漢大學(xué)出版社，2001.

[3] 黃偉雄，徐頌.我國(guó)南水北調(diào)方案的對(duì)比與優(yōu)化設(shè)想[J].佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001(4):50-56.