长距离输配水工程充水方案研究

2018-06-14范建强

水利规划与设计 2018年5期

范建强

(辽宁省大伙房水库输水工程建设局，辽宁沈阳 110166)

辽宁省大伙房水库输水(二期)工程的主要任务是将浑江调来的水经水库调节后有效配置给辽宁中南部地区的抚顺、沈阳、辽阳、鞍山、营口、盘锦等6个缺水城市[1]，解决该区突出的水资源短缺问题，并为改善浑河、太子河流域生态环境和农业供水创造条件，是辽宁省经济社会可持续发展、老工业基地产业结构调整和改造、沿海经济带开发的重要区域性水资源配置工程，如图1所示。工程涉水人口千余万，输水距离长达400km、供水目标多达10个、输水总量高达504万t/d，全线采用了压力密闭输配水方式，中间无任何调蓄设施，系统布置突破常规，输配水系统的组成和结构极为复杂。在有压隧洞及管道首次运行充水和事故或检修时进行的

再充水操作中，水力过渡过程复杂，工程实践证明，充水过程控制不当，会产生水锤、断流弥合水锤、管道气阻、气爆等严重危害[2]，因此对充水过程物理机理、充水段长、充水流量、排气问题、水流流态等进行研究，制定安全可靠的充水调度方案，是保证输配水系统正常运行的基础[3]。

1 充水过程物理机理及模型

1.1 充水过程物理机理

管道充水时，管道内存有空气，因此管道内的流动实际上是水气两相流。根据国内外对压力输水管道系统中有关气体释放[4]、气液两相瞬变流基本理论[5]、空气进排气阀的特性[6- 7]、截留气团的动态特性和动力特性的研究成果[8]，表明在较平坦的供水管路中会呈现6种气液两相流状态，即①层流状(充水前期)，②波状流(充水中期)，③段塞流(充水后期)，④气团流(充水后期)，⑤泡沫流(瞬间出现并迅速转化为气团流)，⑥环状流(瞬间出现并迅速转化为波状流或段塞流)。

图1 大伙房输水系统组成示意图

另外，就管道系统的排、进气来说，初次运行前的充水过程与泄水过程以及正常运行过程存在着显著差异[5]。充水过程总体上是一个需要大量排气的过程，但当充水为急流时，又会成为掺气、挟气(即进气)过程。通常将管道分为水平段、上坡段和下坡段三种线型单元分析其水流条件。

(1)上坡段。上坡段在充水时流态相对简单，除了因充水流速过大而发生水面波动和翻滚外，基本是缓慢均匀上升的。这种情况对排、进气设计是有利的。

(2)水平段。水平段在充水时的流态比较复杂，起始端为涌流，其后形成b0型降水曲线。管径较小时水面坡度比较陡，管径较大时水面坡度将极为平缓。

(3)下坡段。下坡段充水时，其气、水流态和过程比较复杂。根据管线坡度的不同，可能是缓流，但多数情况下是急流。在急流流态下充水，将不可避免地发生水体掺气和挟气。

以上三种特征单元通常称为“三线”，同“三线”相连接的“三点”也有同其相关联的特征，见表1。

表1 管道不同特征点的水流流态和气水流向

1.2 充水过程物理模型

输水管道充水过程属于非恒定有压流，涉及复杂的水气两相流运动，加上水流流态变化不定，难以建立统一的物理模型，而与此同时还必须考虑沿线空气阀的排气特性等等。根据小流量设计原则，针对输配水系统结构和组成，建立下坡段水流下泄和下弯管段、水平段顺序平涨充水相结合的物理模型。当水体从管线高点运动至管线低点后，水位以顺序平涨的规律上升充水。“顺序平涨”是指当下弯管段中的水位高于右高点时，水体向下游溢出，上游水位保持不变的同时，下游水位增高；当下弯管段中的水位高于左高点时，水体往上游涌高，此管段连同上游管段水位平行上涨。当最末端管段被水体完全充满后，水体不断上涌直至涌满整个输水管道，充水过程结束。水体随着水位上涨，管道中气体被水体隔断，形成不同体积、不同密度、不同质量、各自独立的气囊，聚集于管道的隆起段。这些气囊分别通过各自范围内所设置的空气阀排出气体，力图使管道内的气体压力维持在大气压左右，以确保按要求、按计划顺利完成管道充水任务。模型如图2所示。管道充水过程按照1→2→3→4→……子过程依次执行。

图2 充水过程物理模型示意图

2 分段充水方案

2.1 充水控制原则

大伙房水库输水(二期)工程属于长距离、多目标、大流量的密闭系统，综合考虑充水时安全性、事故发生机率、事故危害程度、事故影响范围及时间、事故的可控性等因素，结合系统布置情况，确定充水控制原则。

(1)分段小流量充水。采用较小的流量对即将投入运行的管道充水是一项重要原则和主要手段，它不仅可以避免管路水锤，也是减小排、进气设施规模的重要条件之一。文献指出[9]：“如果管道以等于0.3倍的正常流量或更小的速度充水，将不会发生由水锤造成的管道破坏”，并强调“为了尽量减少管内剩余空气和避免发生水锤，任何情况下充水流速不应超过0.6m/s”。进、排气设计时，应当尽可能地将充水时的满管平均流速规定为0.3m/s，最大不超过0.6m/s。

(2)充水过程中管道内的压力等级限制。结合专家意见和实际工程经验[10]，选取管道充水过程中的绝对气压不超过0.06MPa，选择合适的空气阀进行控制。

2.2 分段充水方案

(1)分6段充水方案

充分利用干线设置的调流阀调流、调压特性，分6段充水，即取水头部到抚顺配水站(GA1)、抚顺配水站至沈阳2配水站(GA2)、沈阳2配水站至鞍山加压站(GA3)、鞍山加压站至营盘配水站(GA4)、营盘配水站至营口(GA5)、营盘配水站至盘锦(GA6)。隧洞出口至鞍山加压站为双管布置，此区段两条管道分别充水。充水特征参数详见表2。

表2 分6段充水方案特征参数

注：()内数值为管线参数。

(2)分11段充水方案

充水段分为11段[11]，即隧洞段到抚顺配水站(GA1)[12]、抚顺干线配水站到隧洞出口(GA2)、隧洞出口到沈阳1配水站段(GA3)、沈阳1配水站到沈阳2配水站段(GA4)、沈阳2配水站到4#稳压塔段(GA5)、4#稳压塔到5#稳压塔段(GA6)、5#稳压塔到辽阳配水站段(GA7)、辽阳配水站到鞍山加压站段(GA8)、鞍山加压站到营盘配水站段(GA9)、营盘配水站到营口段(GA10)、营盘配水站到盘锦段(GA11)。充水特征参数详见表3。

2.3 分段充水计算结果分析

分别针对输水系统分为6段和11段的两个充水方案进行计算分析，这里选择沈阳2配水站前管段的计算结果进行说明，头部充水流量为8.449m3/s。

表3 分11段充水方案特征参数

图3 隧洞段及管线段分析节点图

图3为隧洞段及管线段分析节点图，利用管线特征位置点point1(管道进口)和point2(局部高点)的管道内气团压力和管线的局部最低点point3和point4的水深变化来反映充放水过程的主要特征。

(1)各方案充水过程管道内气团压力变化

在两个不同充水方案下，管道内特征位置处(point2)气团压力的变化过程线如图4所示。

由图4可以看出，两种情况下point2位置处的气团压力变化趋势基本相似。以分11段情况下的压力变化为例进行分析，当第三段第三单元管道内水位在56.75～67.40m之间上升时，水体持续流入管道内，管内气体不断被压缩，所以point2气体压力先迅速增大，在管内水位超过67.40m后，第三单元和第二单元内水位同时上升，此时第三单元只有顶部收缩段尚未充满，横截面积小，水体大部分流入第二单元，第三单元流入的水体体积比空气阀向外界排出的空气体积少，故point2气体压力又快速下降。

分11段时的最大压力比分6段要小，这是因为分6段时水深是从40.10m处开始上涨，而分11段时是从56.75m处开始上涨，显然前者到达水深70.60m处所用时间要长，时间越长，积累在管内气体越多，因此压力也越大。可见分段越多就可以相对减小管道内气体压力。