调压兼通风竖井在长距离有压隧洞引水工程水锤防护中的应用

2018-10-15王连广

水利规划与设计 2018年9期

王连广

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春 130021)

长距离输水工程的输水线路在调节流量，水泵开启关闭时、启闭阀门时，都会使输水线路的流速、流量发生改变，从而导致管道的内水压力发生变化，甚至发生水锤。虽然这种变化过程持续的时间短暂，但在工程设计中，如果对水锤的计算不准确，输水线路设计不考虑相应的防护措施，将会造成输水线路和泵站机组损坏等工程事故。严重时，将影响输水工程的正常运行和输水安全。因此进行长距离引水工程的水锤计算防护研究，准确合理地计算模拟水力过渡过程，选用合理、安全、可靠、经济的水锤防护措施非常重要，对保障引水线路的供水安全运行，节省工程投资意义重大。

本文结合吉林省某引水工程项目设计工作的实践经验，通过对工程总干线输水线路进行水力过渡过程计算，模拟工程总干线运行中可能出现的水力过渡过程，复核通风兼调压竖井的最高和最低涌浪水位，以消除或减弱水力过渡过程对输水系统供水造成的影响。通过设置通风兼调压竖井的工程措施，确保供水工程的运行安全，对类似长距离有压隧洞引水工程的水锤防护有重要的现实指导意义。

1 工程概况

工程线路分为1条总干线，长约110km，包括98km隧洞、10kmPCCP管道，2km现浇预应力涵。总干线输水流量38.0m3/s。总干线输水方式为自流输水，末端为冯家岭分水枢纽调压井，调压井后接分水枢纽泵站。总干线经过分水枢纽分水后，又分为3条输水干线。

1.1 通风兼调压竖井的布置

工程总干线共布置了4座通风兼调压竖井及2座调压井，通风兼调压竖井及调压井参数见表1。

表1 通风兼调压竖井及调压井参数单位：m

注：加*数据为饮马河调压井及冯家岭调压井的溢流高程。

1.2 有关参数的设计控制条件

在提出采用水锤防护装置措施，实现在发生任何水锤过程中，保证管路上的最大压力小于1.25倍管路工作压力；总干线按60m控制；尽量使总干线隧洞段内水压力水头控制在50～60m之内，提出使输水总干线内水压力升高值最小的工程布置方式，压力数值以最后综合分析计算确定。

2 水力过渡过程计算原理及数学模型

描述任意管道中的水流运动状态的基本方程为：

表2 总干线沿线各通风竖井及调压井的最高涌浪

(1)

(2)

式中，H—测压管水头，m；Q—流量，m3/s；D—管道直径，m；A—管道面积，m2；t—时间变量，s；a—水锤波速，m/sg；—重力加速度，m/s2；x—沿管轴线的距离，m；f—摩阻系数；β—管轴线与水平面的夹角。

式(1)、(2)可简化为标准的双曲型偏微分方程，从而可利用特征线法将其转化成同解的管道水锤计算特征相容方程。

对于长度L的管道A—B，其两端点A、B边界在t时刻的瞬态水头HA(t)、HB(t)和瞬态流量QA(t)、QB(t)可建立如下特征相容方程：

C-：HA(t)=CM+RMQA(t)

(3)

C+：HB(t)=CP-RPQB(t)

(4)

其中，CM=HB(t-kΔt)-(a/gA)QB(t-kΔt)；RM=a/gA+R|QB(t-kΔt)|；CP=HA(t-kΔt)-(a/gA)QA(t-kΔt)；RP=a/gA+R|QA(t-kΔt)|；式中，Δt—计算时间步长；ΔL—特征线网格管段长度，ΔL=aΔt(库朗条件)；k—特征线网格管段数，k=L/ΔL；R—水头损失系数，R=Δh/Q2；其它符号意义同前。

水力过渡过程计算一般从初始稳定动行状态开始，即取此时t=0.0，因此当式中(t-kΔt)<0时，则令(t-kΔt)=0，即取为初始值。

式(3)、(4)均只有两个未知数，将其分别与A、B节点的边界条件联列计算，即可求得A、B节点的瞬态参数。

3 总干线壅水计算及水位超降计算

3.1 总干线壅水计算

壅水工况主要目的是计算分析总干线中可能产生的最大压力，以及沿线各通风竖井及调压井的水位波动情况，验证沿线的最大压力是否满足压力控制标准的要求，并根据计算分析结果对现有通风竖井及调压井的尺寸进行复核优化。

上游水库水位将直接影响沿线通风竖井和调压井的涌浪水位和溢流量，以及沿线的最大压力。考虑到引水水库校核洪水位为267.7m，总干线沿线通风竖井和调压井的涌浪水位、溢流量以及沿线的最大压力在该水位下较正常蓄水位工况将更危险，因此计算校核工况选为引水水库校核洪水位。

总干线各通风竖井、饮马河调压井及冯家岭调压井的最高涌浪水位及壅水过程线见表2及如图1～8所示。

图1 总干线最大压力包络线(距离零点为引水水库)

图2 1#调压兼通风竖井(桩号15+510)水位变化过程线

图3 2#调压兼通风竖井(桩号37+754)水位变化过程线

图4 3#调压兼通风竖井(桩号55+895)水位变化过程线

图5 饮马河调压竖井(桩号71+784)水位变化过程线

图6 饮马河调压竖井(桩号71+784)溢流量变化过程线

图7 4#调压兼通风竖井(桩号103+979)水位变化过程线

图8 冯家岭调压井(桩号109+565.8)水位变化过程线

根据表2及图1～8可以看出，在工况(引水水库校核洪水位267.7m)下，总干线沿线通风竖井及调压井的溢流水位为263.5m。总干线沿线最大压力受通风竖井及调压井的溢流水位控制，沿线的最大压力为54.31m，没有超过60m的压力控制标准，具有一定的安全余量。现有通风竖井及调压井的尺寸可以满足总干线沿线最大压力控制要求。

3.2 总干线水位超降计算

超降工况主要目的是计算分析总干线中可能产生的最小压力，以及沿线各通风竖井及调压井的水位波动情况，验证沿线的最小压力是否满足压力控制标准的要求，并根据计算分析结果对现有通风竖井及调压井的尺寸进行复核优化。

选取引水水库最低水位，即死水位242.0m作为该工况的上游计算水位。在该工况下，针对不同的水泵启动方案，验证总干线的最小压力和通风兼调压竖井的最低涌浪水位是否满足设计要求。

总干线各通风竖井、饮马河调压井及冯家岭调压井的最低涌浪水位及水位变化过程线见表3及如图9所示。

图9 总干线最小压力包络线(距离零点为引水水库)

根据表3及图9可以看出，总干线沿线最小压力受通风竖井及调压井的溢流水位控制，总干线沿线的最小压力为0.54m(以管中心线为基准)，出现在桩号81+169至81+606之间的管段，因此，为保证该管段管顶以上无负压，需要增加该管段埋深2.5m。在管线局部增大埋深的情况下，现有通风竖井及调压井的尺寸基本满足总干线沿线最小压力控制要求。冯家岭调压井及饮马河调压井在启泵过程中的最小水深分别满足规范要求。

4 结语

通过对工程总干线输水系统水力过渡过程的计算分析，总干线沿线最大压力受通风竖井及调压井最高涌浪控制，通过分析总干线沿线通风竖井及调压井的壅水工况，在确定总干线沿线通风竖井及调压井最高涌浪水位的同时，可获取沿线最大压力的相关数值。通过对相关控制工况的计算分析，在最不利工况下，总干线沿线的最大压力为53.94m，没有超过60.0m的最大压力控制标准，具有一定的安全余量。通风竖井及调压井的尺寸可以满足总干线沿线最大压力控制要求。