某高水头、长距离引调水工程关键技术分析

周培勇

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335）

1 工程简况

1.1 工程简介

某城区引调水工程从已建的水库向城区供水，给沿线规划水厂供水，并作为城区两个主要水厂的应急备用水源，工程设计供水规模80万m3/d，校核工况下供水规模100万m3/d。工程建筑物主要由取水口、引水隧洞、调压井、消能电站、引水管道等组成。引水线路总长约76.79 km，其中隧洞全长39 km，供水管路长37.79 km。已建取水水库最高蓄水位303.50 m，供水城区地坪高程约20 m，采用重力流输水模式。由于管道末端水压大，流量大，无法采用减压闸消能，因此在整个输水线路中间部位布置消能水电站以消除隧洞剩余水头，消能电站额定水头183.0 m，消能电站前线路长34.83 m，主要为隧洞与管桥，消能电站后线路长41.96 m，主要为浅埋管与倒虹吸，消能电站装机容量2.0万kW。

1.2 地质概况

本工程场区地势特点西北多山，东南平坦，地势从西北向东南倾斜，依次出现中山、低山、丘陵、台地、平原。场区分布第四系覆盖层为冲洪积层（Qal+pl）、残积层(Qel)；基岩主要有三叠系上统大坑组（T3d）、侏罗系上统梨山组（J1l）以及兜岭群上组（J3dl2）。场区侵入岩分布广泛，主要为燕山构造层早期第三次侵入黑云母花岗岩与燕山晚期第二次侵入花岗岩、石英斑岩。工程区地震动峰值加速度为0.15 g，相应地震基本烈度Ⅶ度，地震分组为一组地区，其特征周期为0.40 s。场区地下水类型可分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两大类，松散岩类孔隙水主要赋存于引水管线沿线的江河及其支流的冲积平原、山间谷地、山间盆地及滨海平原，基岩裂隙水主要赋存于基岩中，含水层为基岩中的各种节理、裂隙段，主要为大气降雨通过裂隙、洼地等入渗及上层滞水补给地下水。

本工程主要工程地质问题有软土地基稳定、暗挖段埋深小于30 m的浅埋暗挖洞室稳定、隧洞穿越断层破碎带的围岩稳定、花岗岩风化不均匀、隧洞（基坑）涌水与隧洞出入口的边坡稳定等问题。

2 关键技术分析

本工程取水口与水厂之间高差大、距离远，为解决消除多余水头与水流能自流到水厂这一矛盾，消能、水锤防护、水力学计算分析成为保证水流稳定自流到水厂的关键技术问题。结合关键技术问题分析，综合考虑工程经济性与安全性、施工便利性、工期等因素后，确定线路布置方案，在中部设置消能电站解决消能问题。消能电站前与消能电站后的输水线路关键技术问题各有特点，本文针对消能电站前、消能电站后的关键技术问题分别进行分析研究。

3 消能电站前关键技术

3.1 调压室设置判别

消能电站前的关键技术问题主要为水锤与调节保证问题。消能电站前为长引水系统，是否应该设置调压井使有压水道避免水锤压力影响应进行技术经济比较确定，依据《水电站调压室设计规范》（NB/T 35021-2014）[1]，基于水道特性进行调压井设置判别。上游调压室的设置条件按下式判断：

式中：Tw为压力水道中水流惯性时间常数，s；Li为压力水道及蜗壳尾水管 (无下游调压室时应包括压力尾水道)各分段的长度，m；Vi为各分段内相应的流速，m/s；g 为重力加速度，m/s2；Hp为设计水头，m；[Tw]为 Tw的允许值，一般取 2 s～4 s。

水流惯性时间常数计算结果见表1。

表1 水流惯性时间常数计算成果表

从以上计算可以看出，Tw＞[Tw]，由于引水隧洞较长，为保证机组的调速性能，改善机组的运行条件，需设置上游调压室。

3.2 调压室水力计算

阻抗式调压室稳定性好，所需调压室体积较小，本工程调压井型式选用阻抗式。调压井的水力计算主要包含以下三个方面的内容：

（1）研究“引水道-调压室”系统波动稳定问题，确定所求调压室的最小托马断面。

（2）求最高涌波水位，确定引水隧洞设计内水压力上限值，用于引水隧洞结构计算与隧洞进出口布置。

（3）求最低涌波水位，确定上水库至调压井的水力坡降线下限值，进而确定引水隧洞布置高程。

电站最大引用流量为Q=12.731 m3/s，上下游最小水位差为197.50 m，四台机组共用一个上游调压室，调压室稳定面积采用托马准则进行计算[1]。

式中：F为上游调压室稳定断面面积，m2；L为压力引水道长度，m；f为压力引水道断面面积，m2；H0为发电最小毛水头，即对应上下游最小水位差，机组发出最大输出功率时的毛水头，m；α为自水库至调压室水头损失系数，α＝hw0/v，m；v为压力引水道流速，m/s；hw0为压力引水道水头损失，m；hwm为调压井下游压力管道总水头损失，m；K为系数，一般可采用1.0～1.1。

通过计算得出调压室波动最小稳定断面积为9.364 m2，据此调压室内径采用D=10 m，满足小波动稳定要求。阻抗孔内径D=2.0 m，压力引水道内径D=3.0 m，阻抗孔面积为压力引水道面积的44%。

最高涌浪水位与最低涌浪水位计算[1～2]。

①计算工况

（a）最高涌浪水位计算工况

按上游正常蓄水位303.50 m时，全部机组满载运行时瞬时丢弃全负荷作为设计工况，按上游校核洪水位306.66 m相应工况进行校核。

（b）最低涌浪水位计算工况

按上游死水位275.0 m时，全部4台机组由0负荷增至满载。

②调压室涌浪计算

（a）阻抗式调压室丢弃全负荷时最高涌浪计算：

当 λ'hc0＜1 时：

引用流量 Q0=12.7 m3/s，hc0=3.193 m，hw0=27.773 m，计算得 λ'=0.057，因 λ'hc0=0.182＜1，采用式（4）用解析法求得设计工况、校核工况调压室最高涌浪水位分别为319.861 m、323.021 m。

（b）阻抗式调压室最低涌浪计算：

式中：ε为无因次系数，表示压力水道—调压室系统的特性；Q为增加负荷前的流量，m3/s；Q0为增加负荷后的流量，m3/s；其余式中符号含义同式（3）。

采用解析法求得调压室最低涌浪水位为226.30 m。

综上所述，调压室最高涌浪水位为上游校核洪水位工况计算所得，其值为323.021 m；最低涌浪水位为死水位全部机组增荷至满载计算所得，其值为226.30 m。调压井结构设计图见图1。

图1 调压井结构剖面图

4 消能电站后关键技术

4.1 自流分析

管道水头损失主要考虑沿程水头损失和局部水头损失。水头损失计算参照《室外给水设计规范》（GB J50013-2006）[3]确定。混凝土管及采用水泥砂浆内衬的金属管道，采用下式计算：

式中：hf为沿程水头损失，m；l为计算管段长度，m；R为水力半径，m；V为管道断面水流平均流速，m/s；C为谢才系数；n为糙率系数，本工程中球墨铸铁管糙率系数取0.013。

局部水头损失按沿程水头损失的10%考虑，总水头损失为沿程水头损失与局部水头损失的总和。本工程设计供水规模80万m3/d，校核供水规模100万m3/d，城镇的事故用水量为设计水量的70%，则事故用水量为56万m3/d。消能电站后有两条输水干管，依据《室外给水设计规范》（GB 50013-2006）[3]：输水干管任何一段发生故障时要仍能通过事故用水量。考虑消能电站后一条输水干管发生故障，仅一条输水干管引用事故用水量56万m3/d为事故工况。计算分析各工况下消能电站后输水管道是否出现负压，各工况下，消能电站后输水管线水头损失汇总表见表2。

表2 供水线路水头损失计算成果

本工程输水模式采用重力流输水，各管线末端需有一定压力水头，保证输水管线中水流能自流到各水厂。调节水池最低水位78.00 m，设计水位80.00 m，由表2可知：经计算调节池最低运行水位下，校核工况输水规模为100万m3/d时消能电站后原水管水头损失最大。各水厂压力水头值见表3，由表3可知：在最不利校核工况下，可保证水流在有压作用下能自流到各水厂，水厂的最小水头富裕值为6.21 m，且沿线不会出现负压，满足运行需要。

表3 供水管道各水厂压力水头对比

4.2 水锤防护

消能电站前设置调压井有效避免了消能电站前水锤压力的影响，消能电站后的水锤需通过水锤防护措施进行控制，本工程消能电站后的水锤通过以下三级防护措施进行预防控制。

（1）一级防护：防水锤空气阀自适应控制（防水锤空气阀、复合空气阀）；

（2）二级防护：安全超压阀自动化控制（安全泄压阀）；

（3）三级防护：爆管紧急切断阀应急控制（紧急切断阀）。

防水锤空气阀充水过程中浮球和滑动体不会发生吹堵，避免产生空气阀关阀水锤；水柱弥合时，限制排气速度，在空气阀附近截留空气形成气囊，能吸纳和缓和水柱弥合能量，减小弥合水锤升压值。安全超压阀在管线超压时及时打开泄压、低压或真空时及时打开吸气。应急工况当爆管发生时，爆管紧急切断阀自动关闭，减小因爆管产生的水损失以及可能发生的次生灾害。

三级水锤防护阀与原水管道其它附属设施综合考虑进行合理布置，才能保证原水管道在运行期的安全稳定运行，各类阀门布置汇总表见表4，典型布置图见图2。

表4 各类阀门布置汇总表

图2 各类阀门典型布置图

5 结论

（1）消除多余水头、水锤防护、水力学计算分析是高水头、长距离引调水工程的关键技术。

（2）本工程通过在中间部位设置消能电站消除多余水头，在消能电站前设置调压井使引水隧洞基本避免了水锤压力的影响，消能电站后通过布置三级水锤防护阀门有效避免了水锤压力对供水管道的影响。

（3）调压室最小托马断面为9.364 m2，最高涌波水位323.021 m，最低涌波水位226.30 m；消能电站后引水管道在校核工况的水头损失最大，最大值为48.733 m。

（4）上水库死水位275.0 m与调压井最低涌浪水位226.30 m连线为消能电站前压力水头下限值，校核工况下的管道水力坡降线为消能电站后压力水头下限值，依据水库至水厂的压力水头下限值，保证洞顶与管顶低于压力水头下限值2.0 m确定隧洞与管道高程后，水流能自流到各水厂，水厂的最小水头富裕值为6.21 m。