龙潭水库至1号隧洞管线水力过渡过程分析

(宁夏水务投资集团有限公司，宁夏 银川 750002)

1 工程布置与概述

1.1 1号主压力管线布置

龙潭水库至1号隧洞入口的主输水管线，全长15.25km，水流为重力流。该段输水管线涉及龙潭水库、石嘴子截引支线接入点、红家峡截引支线接入点、1号隧洞入口等4个计算节点，龙潭水库是该工程的取水首部枢纽工程，设计流量为2.25m3/s；石嘴子补水口位于主输水管线K5+215.8处，设计流量为0.55m3/s；红家峡补水口位于主输水管线K10+107处，设计流量为0.25m3/s；在石嘴子补水口、红家峡补水口分别设置流量调节阀，用于控制接入主管线的流量。在主管线末端(1号隧洞入口)设置流量调节阀，用于控制主管线流量。过渡过程计算时，主管线末端最小流量0.5m3/s，设计流量3.0m3/s，最大流量3.45m3/s。

1.2 输水管线的材料及桩号

引水段504.81m：桩号0+000～0+504.81，设计引水流量2.25m3/s，由坝内现浇段、DN1800的钢管和隧洞组成。具体为：坝内现浇段14m+DN1800隧洞163m+DN1800钢管327.81m。供水段1：K0+000～K2+019：DN1800的PCCP管；供水段2：K2+019～K5+215.8(石嘴子补水口)：DN1600的玻璃钢管；供水段3：K5+215.8～K7+000：DN2000的PCCP管；供水段4：K7+000～K10+107(红家峡补水口)：DN1800玻璃钢管；供水段5：K10+107～K13+000：DN1800的玻璃钢管；供水段6：K13+000～K15+250(1号隧洞入口)：DN2000的PCCP管。

1.3 截引点输水及汇入主要管线说明

a.在石嘴子截引支线接入点(K5+215.8)、红家峡截引支线接入点(K10+107)支管上及1号隧洞入口处(K15+250)主管上，设置流量调节阀和电磁(或超声波)流量计。石嘴子截引支线接入点、红家峡截引支线接入点支管上流量调节阀的作用是调节支线进入总管线的流量，1号隧洞入口处主管上流量调节阀的作用是调节主管进入隧洞的流量并减压。流量调节阀采用固定锥形阀。

b.主管上检查井、排气补气阀井。检查井内阀门采用蝶阀，排气补气阀采用复合式排气补气阀，排气补气阀直径300mm，数量17，配套安装闸阀和缓冲阀。

1.4 水位与流量

龙潭水库是该工程的取水首部枢纽工程，设计水位1917.50m，最低运行水位1916.00m，校核洪水位1920.86m。水库后接引水段，引水管中心高程1912.70m。

龙潭水库至石嘴子间主管线设计流量2.25m3/s。石嘴子补水口设计流量0.55m3/s，红家峡补水口设计流量0.25m3/s。从石嘴子补水口往后的主管线设计流量3.0m3/s。

在过渡过程计算时，主管线最小流量0.5m3/s，设计流量3.0m3/s，最大流量3.45m3/s。

2 水力过渡过程计算内容

a.分别针对龙潭水库校核洪水位、设计水位、最低水位的情况，进行整个输水系统恒定流计算，并给出水力坡降线。

b.分别针对龙潭水库校核洪水位、设计水位、最低水位，干管通过最小流量、设计流量，干管上安装或不安装水锤排气补气阀等情况，进行整个输水系统非恒定流计算，主要工况为：ⓐ干管末端调流阀突然开启工况；ⓑ干管末端调流阀正常关闭工况；ⓒ干管末端调流阀正常开启工况。

针对上述工况，提出合理的水锤防护措施，并给出干管末端调流阀的关闭与开启规律，以及整个输水系统最大压力与最小压力包络线。

3 数学模型及边界处理

3.1 输水系统恒定流

3.1.1 主干管末端调流阀特性

由宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司于2012年4月20日提供的主干管末端调流阀特性曲线如图1所示。

图1 主干管末端调流阀开度-流量-压差曲线

式中 ΔH——阀门前后压差，m；

Q——流量，m3/s；

A——阀门横截面面积，m2；

ζ——阀门流阻系数。

表1 主干管末端调流阀特性参数

图2 主干管末端调流阀特性

3.1.2 输水系统稳态计算分析

3.1.2.1 计算工况

根据宁夏水利水电勘测设计研究院有限公司于2012年4月20日提供的数据，分别针对龙潭水库校核洪水位(1920.86m)、设计水位(1917.50m)和最低水位(1916.00m)的情况，进行整个输水系统在大流量(3.45m3/s)、设计流量(3.0m3/s)和小流量(0.50m3/s)的恒定流计算。下游接1号隧洞，出流方式为大气出流。经讨论后，管线的局部损失取沿程损失的20%。

3.1.2.2 管线最大过流量工况

分别针对龙潭水库在校核洪水位、设计水位、最低水位条件下，调流阀保持全开状态并且补水口不补水时，计算主管线的最大过流流量。

经计算，确定管线正常输水时的工况如下：

a.最大流量工况。在此工况下，末端调流阀通过3.45m3/s。为此，龙潭水库供水2.65m3/s，石嘴子补水口补水0.55m3/s，红家峡补水口补水0.25m3/s。

b.设计流量工况。在此工况下，末端调流阀通过3.00m3/s。为此，龙潭水库供水3.00m3/s；或者龙潭水库供水2.20m3/s、石嘴子补水口补水0.55m3/s、红家峡补水口补水0.25m3/s。

c.最小流量工况。龙潭水库供水0.50m3/s；或石嘴子补水口补水0.50m3/s。

需要说明的是：由于仅从龙潭水库供水情况下无法满足最大流量3.45m3/s的要求，要达到最大流量供水，则必须有补水口补水。其余的恒定流计算工况，均选取最不利计算工况进行计算。

3.1.2.3 最大流量工况3.45m3/s

由于有补水口参与补水，因此只有在龙潭水库处于校核洪水位(1920.86m)时，才能满足最大流量3.45m3/s的供水要求。此时龙潭水库至石嘴子补水口间主管线设计流量2.65m3/s，石嘴子补水口设计流量0.55m3/s，红家峡补水口设计流量0.25m3/s。对应的主管末端调流阀的相对开度见表2。

表2 稳态运行时主干管调流阀对应开度(一)

3.1.2.4 设计流量工况3.00m3/s

输水系统供水3.0m3/s时，要求龙潭水库至石嘴子补水口间主管线设计流量2.20m3/s，石嘴子截引点设计流量0.55m3/s，红家峡截引点设计流量0.25m3/s，则龙潭水库处于校核洪水位、设计水位和最低水位时对应的主管末端调流阀的相对开度见表3。

表3 稳态运行时主干管调流阀对应开度(二)

另一种运行模式是3.00m3/s全部由龙潭水库供水。龙潭水库处于校核洪水位、设计水位和最低水位时对应的主管末端调流阀的相对开度见表4。

表4 稳态运行时主干管调流阀对应开度(三)

3.1.2.5 最小流量工况0.50m3/s

该工况也有两种运行模式。

第一种运行模式，只需石嘴子补水口补水0.50m3/s。龙潭水库处于校核洪水位、设计水位和最低水位时对应的主管末端调流阀的相对开度见表5。

表5 稳态运行时主干管调流阀对应开度(四)

第二种运行模式是，龙潭水库供水0.50m3/s，补水口不工作。龙潭水库处于校核洪水位、设计水位和最低水位时，对应的主管末端调流阀的相对开度见表6。

表6 稳态运行时主干管调流阀对应开度(五)

3.2 开阀过渡过程

3.2.1 计算工况

分别针对龙潭水库低水位(1916.00m)和校核洪水位 (1920.86m)，进行以下工况的过渡过程计算：

a.干管末端调流阀突然开阀(相对开度瞬间由0→1，相当于末端爆管)工况。

b.管末端调流阀正常开阀工况。

计算中，下游边界为大气出流，管线局部损失取沿程损失的20%。

3.2.2 突然开阀过渡过程计算分析

突然开阀过渡过程的各工况见表7。

表7 突然开阀过渡过程的各工况情况

a. GK4-1(龙潭水库低水位，管线无排气补气阀)。龙潭水库处于最低水位(1916.00m)，石嘴子截引点和红家峡截引点未补水，输水系统无排气补气阀布置，下游接1号隧洞，出流方式为大气出流。主管末端调流阀突然打开(相对开度瞬间由0→1)，输水管线各管段的压力标准由表7确定。

由计算结果可知，龙潭水库处于最低水位时且无排气补气阀布置时，主管末端调流阀突然打开，引起输水系统最大压力为112.440m，最小压力为-2.995m，最大压力在压力控制标准范围内。

b. GK4-2(龙潭水库低水位，管线布置排气补气阀)。龙潭水库处于最低水位(1916.00m)，石嘴子截引点和红家峡截引点未补水，输水系统按表7布置排气补气阀。

由计算结果可知，龙潭水库处于最低水位且有排气补气阀布置时，末端调流阀突然打开，引起输水系统最大压力为110.759mm，最小压力为-2.995m，最大压力在压力控制标准范围内。

c. GK4-3(龙潭水库校核洪水位，管线无排气补气阀)。龙潭水库处于校核洪水位(1920.86m)，石嘴子截引点和红家峡截引点未补水，输水系统无排气补气阀布置。

由计算结果可知，龙潭水库处于校核洪水位且无排气补气阀布置时，主管末端调流阀突然打开，引起输水系统最大压力为118.102m，最小压力为-4.466m，且最大压力在压力控制标准范围内。

d. GK4-4(龙潭水库校核洪水位，管线布置排气补气阀)。龙潭水库处于校核洪水位(1920.86m)，石嘴子截引点和红家峡截引点未补水，输水系统布置排气补气阀。

由计算结果可知，龙潭水库处于校核洪水位且有排气补气阀布置时，主管末端调流阀突然打开，引起输水系统最大压力为115.033m，最小压力为-2.277m，且最大压力在压力控制标准范围内。

3.2.3 正常开阀过渡过程计算分析

由上述计算过程可知，在各种不同运行条件下，末端调流阀突然开阀时均不会产生太大的负压和正压。因此，正常开阀的阀门动作规律可自行设计，当开阀时间大于10s时即可将压力控制在满足要求的范围之内。

3.3 正常关阀过渡过程

3.3.1 计算条件及计算工况

正常关阀的水力过渡过程进行计算分析的前提条件如下：

a.龙潭水库校核洪水位(1920.86m)。此水位为最不利水位工况。

b.管线上不设置调压井。之所以选择不设置调压井，一是由于调压井方案尚未确定要实施，二是此工况比设置调压井工况更为不利。

c.局部损失取沿程损失的20%。

过渡过程计算分别针对以下两种工况展开：

a.输水系统以最大流量(3.45m3/s)供水，即龙潭水库供水流量2.65m3/s、石嘴子补水口供水流量0.55m3/s、红家峡补水口供水流量0.25m3/s，末端调流阀开度0.544。在此工况下，分别计算石嘴子和红家峡两处调流阀的关阀时间和末端调流阀的关阀时间。

b.只由龙潭水库在最高水位下供水，末端调流阀为全开状态，即输水系统以最大过流量工作工况。在此工况下，计算末端调流阀关阀时间。

3.3.2 石嘴子与红家峡补水口关阀时间计算

当输水系统以最大流量3.45m3/s供水时，需要龙潭水库、石嘴子补水口、红家峡补水口同时供水，供水流量分别为龙潭水库2.65m3/s、石嘴子补水口0.55m3/s、红家峡补水口0.25m3/s，末端调流阀开度0.544。在此工况下，假定需要连续关闭石嘴子和红家峡两个补水口处的调流阀，现计算关阀时间。

通常情况下，调流阀应该以线性规律关闭，即其开度随时间线性减小。项目组针对石嘴子和红家峡两处补水口，试算了多种不同关闭时间组合。研究发现，两处补水口按3∶2的时间比例进行关闭是较为合理的。

3.3.3 最大流量工况下干管末端调流阀关阀时间

当输水系统以最大流量3.45m3/s供水时，需要龙潭水库、石嘴子补水口、红家峡补水口同时供水，供水流量分别为：龙潭水库2.65m3/s、石嘴子补水口0.55m3/s、红家峡补水口0.25m3/s，末端调流阀开度0.544。对末端调流阀进行了400s、500s和600s关阀过渡过程计算。经过对比发现，600s的关阀时间更为合理。

由计算结果可知，主管末端调流阀600s线性关闭，即开度由初始的0.544降为0，造成输水系统最大压力为120.595m，最小压力为-0.004m。最大压力在压力控制标准范围内，最小压力也在安全范围内。

3.3.4 干管末端调流阀由全开至全关的时间

根据稳态计算结果可知，当干管末端调流阀处于全开状态、龙潭水库处于校核洪水位1920.86m时，即使只由龙潭水库供水，供水流量也将达到最大流量3.45m3/s。为此，在此工况下，计算调流阀关阀时间。经过多种关阀时间对比分析可知，干管末端调流阀在900s内线性地由全开至全关，所引起的水力瞬变满足要求。

由计算结果可知，龙潭水库处于校核洪水位时，主管末端调流阀900s线性关闭，引起输水系统最大压力为122.411m，最小压力为-0.005m，最大压力在压力控制标准范围内，最小压力也在安全范围内。

4 结 语

通过对该输水系统进行水力过渡过程计算，取得如下计算成果：

a.针对龙潭水库在校核洪水位、设计水位、最低水位条件下，系统以最大流量、设计流量、最小流量稳态运行时，提供了管线的水力坡降线。

b.主管线末端调流阀突然打开引起的系统最大压力皆在控制标准范围内，系统最小压力在-2.995m。当系统以10s以上的时间开阀时，输水系统不会产生超出承压范围的正压或负压。

c.在最大流量3.45m3/s供水时，需要石嘴子补水口和红家峡补水口分别补水0.55m3/s和0.25m3/s。正常关阀时，先顺序关闭石嘴子补水口和红家峡补水口处的阀门，然后无间隔关闭主管末端调流阀。经计算，石嘴子补水口在300s内线性关闭、红家峡补水口在200s内线性关闭，对主管线的压力不会产生显著影响。

d.当龙潭水库、石嘴子补水口和红家峡补水口同时供水，输水系统通过最大流量3.45m3/s时，在关闭石嘴子和红家峡补水口后，主管末端调流阀可采用600s线性关闭方式。

e.在输水系统以最大过流量工作(即末端调流阀全开时由龙潭水库在最高水位下供水)时，推荐末端调流阀以900s线性关闭。该工况是关阀最不利工况，其他各工况可参考此工况执行，即将关阀时间控制在900s以上即可满足要求。

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