管道输水技术在南水北调西线一期工程中应用的可行性研究

李 娜，赵 宇，王丽娟，符 平

(中国水利水电科学研究院， 北京 100038)

南水北调西线工程是解决黄河流域缺水问题的根本措施[1-2]。南水北调西线一期工程规划推荐调水40亿m3方案由“五坝七洞一渠”组成[3-4]，输水线路总长260 km，其中隧洞244 km，自然分段长度最大73 km，最大埋深1 150 m。隧洞位于青藏高原，多在3 500 m以上，自然条件恶劣，地质情况复杂，新构造运动强烈、频繁[5-7]。从施工技术上分析，深埋长隧洞施工可能面临着以下难题：(1) 各个隧洞不同程度地邻近或穿越至少一条活动断裂，活动方式以左旋走滑为主，兼有逆冲运动，对与之大角度斜交的隧洞，可能产生错动变形，破坏支护，表现为沿断层两盘的突然相对滑动，工程措施对减少危害很难奏效；(2) 围岩主要为坚硬脆性的浅变质砂板岩，具备储存高能量的条件，穿越高地应力区时将受到高地应力和岩爆的威胁；(3) 砂岩裂隙发育，沿断裂带可能产生高压力、大流量的涌水和突水；(4) 部分板岩抗压强度在30 MPa以下，在高地应力作用下将产生大变形和长期流变，威胁围岩稳定性；(5) 出入口洞段面临高边坡、泥石流、冻土融沉等地质灾害的威胁；(6) 大规模隧洞施工将打破该区域脆弱的自然生态平衡，包括诱发滑坡和泥石流,使地下水位下降、植被枯萎、土地荒漠。因此，西线工程的深埋长隧洞设计和施工面临着巨大的技术难题。

长距离高扬程管道输送技术具有适应地形能力强、地质条件要求不高，适应地震等极端工况能力强，施工相对简单，渗漏损失少且保护水质，输水快捷高效，对环境影响小，使用寿命长，具有良好的经济性等优点，在世界范围内得到了广泛应用，如南水北调(中线)输水配套工程、利比亚“大人工河”计划、以色列北水南调工程等[8-9]。尤其是与长距离输水类似的管道石油、天然气和管道输煤、矿渣输送技术在高海拔、恶劣地质条件地区也有成功应用的实例[10-12]，因此对长距离管道输水技术在南水北调西线工程部分高寒峡谷区域中的适用性进行分析论证，以期长距离管道输水技术能在高寒峡谷区域得到部分应用，为南水北调西线工程的规划设计提供一种新的参考和选择。

1 管路线路选择

1.1 选择原则

(1) 以南水北调西线规划的一期工程为例[3]，自雅砻江支流达曲(阿安)开始调水，至贾曲在采日玛引入黄河，总调水量为40亿m3/a。

(2) 原水库方案不变，共修建有5座水库，包括阿安引水枢纽(坝高115 m)、仁达引水枢纽(坝高108 m)、上杜柯引水枢纽(坝高104 m)、亚尔堂引水枢纽(坝高123 m)和克柯引水枢纽(坝高63 m)，在水库之间修建输水泵站，通过管道将各枢纽串联起来。

(3) 原引水路线不变，阿安-仁达段，引水7亿m3，通过输水隧洞(13.6 km)至雅砻江支流泥曲(仁达)；仁达-上杜柯段，引水8亿m3，通过输水隧洞(73 km)至大渡河支流杜柯河(上杜柯)；上杜柯-亚尔堂段，引水11.5亿m3，通过输水隧洞(36.2 km)至大渡河支流麻尔曲(亚尔堂)；亚尔堂-克柯段，引水11.5亿m3，通过隧洞(55.4 km)至大渡河支流阿柯河(克柯)；克柯-贾曲段，引水2亿m3，通过隧洞(15.5 km、50.4 km)至黄河支流贾曲，通过贾曲在采日玛引入黄河。

1.2 管道总体布置方案

根据以上布置原则，布置了输水管线，各连接管线根据输水量不同，依次敷设1～5根管道，单根管道直径4 m，单根管输水量约为8亿m3/a，管道采用API 5L螺旋埋弧焊钢管。除阿安-阿达采用自流以及克柯-采日玛配置1座泵站外，其余各枢纽均配置2座加压泵站，采用多级涡壳涡轮泵，扬程200 m～265 m，配置总容量2 104.5 MW。

管道线路总长289 km，其中管道全长158 km，包括穿越隧洞长度80 km，利用自然河道131 km。管道的总体布置方案如图1所示。根据引水枢纽线路分成5段，分别为阿安—仁达、仁达—上杜柯、上杜柯—亚尔堂、亚尔堂—克柯、克柯—采日玛。管道输水方案与原隧道方案主要参数对比如表1所列。

图1 管道方案与隧洞方案线路比较图

2 输水管道设计

2.1 水力学参数

输水管道摩阻计算公式为达西-魏斯巴赫公式[13]，如式(1)所示。

(1)

λ值计算采用柯列勃洛克公式，如式(2)所示

(2)

式中：hf为沿程损失；λ为沿程阻力系数；l为管道长度；d为管道内径；g为重力加速度；v为流速；Δ为当量粗糙度，取值0.05 mm(管道内衬环氧树脂)；Re为雷诺数。各段水力坡度图见图2，水力参数计算结果见表2。

图2 各段的水力坡度图

2.2 水击的遏制和防护设计

输水管道设计采用以下4种措施来遏制和消除水击可能造成的危害。

(1) 快速关闭止回阀。高压输水泵站突然停车，管道内的水在重力作用下，开始向水泵倒流。在泵站出口管道上配置1个快速关闭止回阀，要求其关闭时间不大于0.15 s，这样在管道内的水开始倒流前已关闭阀门，水不能形成回流，从而遏制停泵水击的发生，而常规输水技术一般是在水锤产生后再抵制水锤的作用。

(2) 保证始终满管运行。使输水管道在运行时，始终处于满管流的状态。避免了在管道高点(驼峰)位置产生加速流，使管道抽真空，从而有效的遏制了弥合水锤的发生。输水管道系统各段在线路选择时，避免了驼峰的产生，管道中水头从泵站出来后往上爬升，最高点在管道的终端，中间没有高点(驼峰)，从而避免了弥合水锤的发生。

(3) 输水管道材料壁厚的选择。高压输水管道采用高强度管线钢，高压输水管道内发生水锤，高压管道采用的壁厚也能满足由于水锤而造成的管道压力的增减。

(4) 水击泄压阀。在高压输水泵站出口管道上配置1个氮气式水击泄压阀，要求水击泄压阀的开启时间不大于10 ms，当水击波由管道传输到泵站时，水击泄压阀能够快速开启泄压，避免对泵站管道设施的破坏。

2.3 水泵站

(1) 泵站工艺流程。3台水泵为1个系列对应1根DN4000的管道，根据各输水管段，灵活的增加输水系列和输水管道，以达到输水量的要求。

水库内(水池)的水通过2根引水管灌入1根汇水总管中，经管道灌入加压水泵，水经水泵加压后进入输水管道。引水管配有1个手动蝶阀用于隔断。

水泵入口管均配置2个电动蝶阀，1个常开，1个用于正常运行切换和停车时隔断，如果正常操作阀门出现故障，则通过常开阀门来隔断，以检修阀门。

水泵出口管均配置1个快关式止回阀，该阀能在水倒流发生前关闭，有效遏制停车水锤的发生。水泵出口管均配置2个电动球阀，1个常开，1个用于正常运行切换和停车时隔断，如果正常操作阀门出现故障，则通过常开阀门来隔断，以检修阀门。

水泵出口总管配置1个电磁流量计，用于计量。高压输水泵出口总管配置1个压力变送器，用于测量出口总管的压力。水泵出口总管配置1台由氮气控制开启的水击泄压阀，该阀能快速开启泄压，避免水锤对泵站设施的破坏。

(2) 水泵的选择。泵站水泵为大流量高扬程泵，结合已运行的大流量高扬程泵站的实例(美国加州调水的埃德蒙顿泵站14座立式多级涡轮泵，单泵参数：额定流量8.92 m3/s，额定扬程600.5 m，电机功率59 656 kw)，选用立式离心泵，可满足扬程和流量的要求。立式泵结构工艺简单，泵轮、蜗壳等部件，通常可采用焊接结构工艺，只有一个导轴承，这种结构在大型水轮机、水泵水轮机及水泵上广泛采用，结构成熟可靠。考虑到运行时泵站的流量和扬程可能变化较大，每台水泵配置1套变频器，可根据不同工况调速运行。

(3) 输水管道材料选择。输水管材可采用国产螺旋缝埋弧焊钢管(SSAW)，材质较轻，强度高，韧性好。其适用于覆土深、地面荷载大的地段。钢管的密封性好，和其它管材的承插式接口相比较，钢管的焊接口密封性能好，承压能力强。钢管可制成各种折线型，复杂地形适应性强，可方便地与各种闸阀连接，对地基不均匀沉降适应能力强，抗震性强。钢管的弊端是埋地钢管易受腐蚀，必须做好内外防腐，要在现场进行接口焊接，接缝处的内外防腐及检验。

(4) 输水泵站站内管件和阀门选择。高压输水泵站的站内管道、管件满足AWWA、ASME、ASTM以及API的相关规范的要求，或者满足国内标准的要求，但其要求不能低于AWWA、ASME、ASTM以及API。

输水泵站站内阀门主要有以下几种类型。

① 蝶阀：结构简单, 开闭迅速，承压密封性能较差，用于输水泵站的低压系统中。

② 闸阀：流体阻力小，密封面受介质的冲刷和侵蚀小，外形尺寸较大，开启需要一定的空间，开闭时间长，用于低压系统。

③ 球阀：密封性能好，流体阻力小，体积小，启闭迅速轻便，用于泵站的高压系统。

④ 止回阀：是遏制水击发生重要设施，为保证管道运行安全采用轴流式止回阀，具有静音，流道阻力小，关闭时间短(不大于0.15 s)的特点。

⑤ 水击泄压阀：是消除水击对泵站设施危害的重要设施，采用氮气驱动，能非常迅速的关闭，关闭时间不大于10 ms。

3 水力瞬变分析

水力瞬变分析是对管道在非稳态运行时产生的瞬态压力进行分析。当稳态运行条件发生变化时，管道中的水由于自身的惯性和压缩性，其局部压力将产生剧烈变化，并以声速进行传播。稳态运行条件发生变化主要包括但不限于：管道启动和停车，阀门关闭，泵故障及流量变化[14]。

瞬态分析研究的目的是为了验证管道和中间站的压力限制要求，同时为管道过压保护策略提供依据[15]。

(1) 压力波速度。水力瞬态冲击压力在管道中以声速进行传播，在输水管道可用式(3)计算。

(3)

式中：ρl和Kl为水的密度和体积膨胀系数；D、e和Ep分别为设计规格钢管的外径、平均壁厚和杨氏弹性模量。

带入相关数值计算得出本工程中的水击压力波平均速度为a=1 151.9 m/s。

(2) 模型方程。水力瞬态分析模型是一种一维非定常模型，其基本方程为：

连续性方程：

(4)

动量方程：

(5)

式中：H为压力水头；V为管内水流的线速度；D为管内径；f为Darcy-Weisbach摩擦系数。

上述方程可通过Streeter V L[16]所提出的特征线法进行求解。利用特征线模型，将偏微分方程组转化为沿特征线的常微分方程，再通过有限体积法对微分方程进行离散，将其转换为代数方程，从而迭代求解。

(3) 瞬态压力分析。各段管道剖面基本类似，瞬态情况大体相同，亚尔堂—克柯段提升最大，选取这段进行瞬态分析。表3列出了管道系统中可能出现的导致管道压力瞬变的运行情形。

表3 瞬态分析的运行情况

1号泵站瞬变分析。1号泵站的瞬变分析图见图3。根据瞬变分析，由于流体的惯性，1号泵站在停泵后流速下降，在17.4 s时，逆止阀启动阻止管内水回流，停泵34.0 s后，在泵站处出现压力最大值(474 m水头压力)，停泵61.0 s后，管道内压力变化趋于稳定。

图3 1号泵站的瞬变分析图

2号泵站瞬变分析。2号泵站的瞬变分析图见图4。根据瞬变分析，由于流体的惯性，2号泵站在停泵后流速下降，在17 s时，逆止阀启动阻止管内水回流，停泵39 s后，在泵站处出现压力最大值(516 m水头压力)，停泵71 s后，管内压力变化趋于稳定。

根据上面的瞬态分析结果，在整个工况中没有出现加速流，并且最大水力坡度线远远低于瞬变允许的限制范围。通过对阀门意外关闭事件(最坏的情形)进行瞬态分析，可以得出：从静态模型得出的管道壁厚足以应对不利工况下的压力瞬变。

图4 2号泵站的瞬变分析图

4 结 论

结合南水北电西线一期工程的调水方案，本文从线路选择、水力学计算、管路设计和水击分析等方面分析论证了长距离高扬程输水技术在高寒峡谷区域的技术可行性。

(1) 选线灵活性较大，遇高地可以加压，也可较充分的利用自然河道自流，避免渠道的深挖高填；

(2) 单个隧洞长度较短，埋深较浅，大部分线路施工在地面完成，施工难度小；

(3) 输水管道全线处于满管压力流状态，输水能力强，渗漏损失小；

(4) 通过对管路中的压力瞬态分析，输水管道的管道壁厚满足各种不利工况下的压力瞬变要求。

参考文献：

[1] 傅建国,朱凤歧.南水北调西线工程的战略意义[J].水利经济,1993(8):66-71.

[2] 沈风生,谈英武.南水北调西线工程规划纲要[J].人民黄河,2001,23(10):4-22.

[3] 谈英武,刘 新，等.中国南水北调西线工程[M].郑州:黄河水利出版社,2004.

[4] 林 凌,刘宝珺.南水北调西线工程备忘录[M].北京:经济科学出版社,2006.

[5] 王学潮,张 辉，等.南水北调西线第一期工程地质条件分析[J].人民黄河,2001,23(10):25-26.

[6] 张 辉,王学潮，等.南水北调西线一期工程区构造稳定性分析[J].岩石力学与工程学报,2005,24(20):3657-3663.

[7] 侯庆雷，王江峰.南水北调配套工程顶管施工技术研究[J].华北水利水电大学学报(自然科学版)，2015,36(1):21-24.

[8] 燕海波,李焕林.长距离输水管道工程的现状与展望[J].水利科技与经济,2007,13(1):26-28.

[9] 陈玉恒.大规模、长距离、跨流域调水的利弊分析[J].水资源保护，2004,20(2):48-50.

[10] 高 鹏,王海英，等.2011—2013年中国油气管道进展[J].国际石油经济，2014,22(6):57-63.

[11] 田 瑛,甄建超，等.我国油气管道建设历程及发展趋势[J].石油规划设计，2011,22(4):4-8.

[12] 邹伟生,袁海燕，等.长距离管道输送发展现状及在矿山的应用前景[J].金属材料与冶金工程,2009,37(1):57-60.

[13] 赵振兴,何健京.水力学[M].北京:清华大学出版社,2005.

[14] 王树人,刘天雄，等.水击理论与水击计算[M].北京:清华大学出版社,1981:53-104.

[15] 韩文亮,王光谦，等.两相流水击模型对输送防护措施效果的计算分析[J].水利学报，2000,31(3):37-41.

[16] Streeter V L. Water hammer analysis[J]. ASCE Journal of the Hydraulics Division, 1969,95(6):1959-1972.