珠江三角洲水资源配置工程鲤鱼洲—高新沙段输水系统水力过渡过程分析计算

2021-07-29陈小云冯文涛穆祥鹏

广东水利水电 2021年7期

陈小云,冯文涛,穆祥鹏

(1.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东广州 510635；2.长江勘测规划设计研究院，湖北武汉 430012；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038)

1 工程概况

珠江三角洲水资源配置工程是为优化珠三角地区东、西部水资源配置，解决城市生活、生产缺水，提高供水保证率，同时为香港特别行政区以及番禺、顺德等地区提供应急备用水源而兴建的水资源配置工程。

珠江三角洲水资源配置工程取水口位于广东省佛山市顺德区杏坛镇的西江干流河段及东海水道，输水线路由西向东布置，全长为113.1 km，经隧洞、箱涵、管道输水至深圳市公明水库、东莞市松木山水库和广州市南沙区黄阁水厂。工程多年平均引水量为17.87亿m3，供水量为17.08亿m3，主要供水对象是广州市南沙区、深圳市和东莞市的缺水地区，其中广州市南沙区年供水量5.31亿m3，深圳市8.47亿m3，东莞市3.30亿m3。

本工程由输水干线工程(鲤鱼洲取水口—罗田水库)、深圳分干线(罗田水库—公明水库)、东莞分干线(罗田水库—松木山水库)和南沙支线(高新沙水库—黄阁水厂)组成，主要建筑物有：泵站3座、高位水池2座、新建水库1座、输水隧洞5座、输水管道1条、倒虹吸1座、进库闸4座、进水闸2座、量水间8座和各类阀井35座[1]。工程概况示意见图1。

图1 工程总体布置示意

2 鲤鱼洲—高新沙段输水系统

鲤鱼洲—高新沙段输水系统为珠江三角洲水资源配置工程干线输水系统的重要组成部分，由1座取水泵站、1座高位水池、一条双线输水隧道、1座在线调节水库和14座进排气阀井组成。该输水线路在佛山市顺德区境内的西江干流中央鲤鱼洲岛设置鲤鱼洲取水泵站，经泵站取水提升至鲤鱼洲高位水池后，通过输水干线有压自流至高新沙水库，输水线路全长为40.9 km，其中40.7 km为双线DN4 800盾构隧洞，末端0.2 km为双孔有压箱涵。鲤鱼洲取水泵站是珠江三角洲水资源配置工程的首级泵站，安装8台立式蜗壳离心泵(6用2备)，设计扬程为41.1m，单泵设计流量为15 m3/s，总抽水流量为80 m3/s，总装机容量为8×9 000 kW。鲤鱼洲高位水池既是鲤鱼洲取水泵站的出水池，同时也兼做调压井，具备调节输水线路水锤压力的功能。

由于鲤鱼洲高位水池—高新沙水库段输水线路较长、输水流量大，水流惯性较大，鲤鱼洲高位水池在输水管道低糙率、大流量运行时的事故停泵水力过渡过程中容易出现最低涌浪水位低于输水隧洞洞顶的漏空现象。为避免鲤鱼洲高位水池出现漏空现象，在鲤鱼洲泵站前池设置了1条DN2 000的补水管连接至鲤鱼洲高位水池底部，当鲤鱼洲泵站发生事故停泵时，开启补水管头部的控制阀，从泵站前池向高位水池补水。鲤鱼洲—高新沙段输水系统布置见图2～3。

图2 鲤鱼洲—高新沙段输水系统平面示意

图3 鲤鱼洲—高新沙段输水系统纵剖面示意

3 水力过渡过程分析计算

鲤鱼洲—高新沙段输水管线采用深埋盾构隧洞穿越顺德市建成区，盾构隧洞埋深为30～60 m，静水压力最高达0.95 MPa，为长距离、大流量、高压输水系统，存在泵站流量变幅大、摩擦损失水头占比大、泵站水位和管道糙率变化大等特点[2]；泵站运行工况复杂，泵组正常开启、关闭及系统因事故停泵等情况下，输水系统水力过渡复杂多变，水锤防护措施不当会危及系统的运行安全[3]。同时，由于盾构隧洞埋深大，一旦出现结构性破坏将难以修复，为此，针对系统中可能出现的水锤问题，需对鲤鱼洲泵站事故停泵、正常开机、正常关机、蝶阀拒动等工况进行了水力过渡过程分析计算，确定各段盾构隧洞最大水锤压力，提出泵站及输水系统的水锤防护措施，为泵站及输水系统设计及安全运行提供依据。

3.1 节点水位及计算工况

鲤鱼洲取水口—高新沙水库段输水流量范围为20～80 m3/s，当输水流量20 m3/s时单管运行；输水流量80 m3/s时双管运行，管道糙率范围为0.01～0.015，各节点水位见表1。

表1 各节点水位 m

本次分析计算水泵出口蝶阀采用两阶段线性关闭规律：前10 s由90°(全开)关至10°，后10 s由10°关至0°(全关)，计算工况见表2。

表2 计算工况

3.2 数学模型

3.2.1有压管道非恒定流基本方程及解法

压力管道中的水力瞬变由下述一对偏微分方程[4-5]描述(Wylie和Streeter，1978)：

(1)

(2)

式中H为从基准线算起的测压管水头,m；V为断面平均流速,m/s；f为沿程阻力系数；D为管道直径,m；a为水击波速,m/s；g为重力加速度(取9.81 m/s2)；x、t分别为距离(m)和时间(s)。

方程(1)和(2)为双曲型偏微分方程组，采用特征线方法，偏微分方程可以转化为两对常微分方程[6]。

(3)

(4)

图4 有压流特征线网格示意

沿特征线对上述常微分方程进行差分，可得如下的差分方程：

C+：HPi=CP-BPQPi

(5)

C-：HPi=CM+BMQPi

(6)

式中QPi为待求流量；HPi为待求水头；系数CP、BP、CM和BM是上一时刻的已知量，具体表达式为：

CP=Hi-1+BQi-1，BP=B+R|Qi-1|，

CM=Hi+1-BQi+1，BM=B+R|Qi+1|。

联立求解方程(5)和(6)得:

(7)

求出流量后，可以根据(5)或(6)得出测压管水头。

3.2.2有压管道水击波速的取值

设置钢内衬的圆形隧洞的水击波速可以按照下式计算[7]：

(8)

(9)

式中Ew为水的体积弹性模量，取2.0×106Pa；γ为水的容重，取9.8 kN/m3；r为隧洞半径；K0为围岩的单位抗力系数，取4.8×105kN/m；δ为钢衬厚度；E为钢衬弹性模量，取2.07×1011Pa。

计算可得带钢衬隧洞的水击波速约为1 330 m/s。

3.3 控制指标

1)管线最小水锤压力不小于2 m水头[8]。

2)水泵最大倒转转速低于-1.2倍额定转速，且持续时间不超过2 min[9]。

3)水泵低于40%额定转速持续时间不超过 2 min[9]。

4)鲤鱼洲高位水池顶部不溢流(顶部高程48.5 m)、最低涌浪水位与压力管道顶部之间的安全高度不小于2 m[10]，即最低涌浪水位不低于-26.6 m。

3.4 计算结果及分析

3.4.1计算结果

各工况下水力过渡过程计算结果见表3。

3.4.2计算结果分析

1)水泵特性

由表3的计算结果可知，各事故停泵关阀工况下，水泵的机组均不会发生倒转。

表3 水力过渡过程计算成果 m

2)泵组—鲤鱼洲高位水池段

泵站出口阀—鲤鱼洲高位水池段管道的最高压力发生在4工况下，即6台机组顺次停机工况，最高压力为83.64 m，位于泵出口阀前；最低压力发生在14工况下，即5台运行，1台开启，鲤鱼洲高位水池进出流量最大时，6台同时事故断电的工况。该工况下，水泵60%额定转速下变频启动，50 s线性开阀，在启动后变频至额定转速后约10 s高位水池进出水量达到最大，此时6台机同时事故断电，管道最低压力为-3.67 m，位于水泵出水管与鲤鱼洲高位水池之间的流量计附近，通过适当加大出水钢管壁厚以提高钢管抗外压失稳能力，且增设进排气阀来缓解负压来带来的问题。除此之外其他工况下此段管道均未出现负压的情况，均满足系统安全要求。4号及14号工况下水泵出口阀后压力波动如图5～6所示。

图5 工况4水泵出口阀后压力过程示意

图6 工况14水泵出口阀后压力波动示意

3)鲤鱼洲高位水池—高新沙水库段

鲤鱼洲高位水池—高新沙水库段输水隧洞的最高压力发生在16工况下，即6台运行，其中3台依次关闭，待水位稳定后其中1条管末端闸门慢慢关闭，变成单管运行，后变频至20 m3/s的工况，位于管道最低高程-55.75 m处，其最高压力是由停水管道末端闸门的关闭速度决定的，当停水管道末端闸门关闭时间取300 s时，最高压力为114.13 m，当末端闸门关闭时间延长至360 m时，最高压力降为102.42 m，满足隧洞安全要求。

输水隧洞最小水锤压力发生在7工况，即输水隧洞最小糙率0.01、水泵最小扬程、6台运行机组同时事故断电、水泵后控制阀关闭的工况，出现在输水隧洞首端，此时鲤鱼洲高位水池出现露底。

16号和7号工况下，鲤鱼洲—高新沙水库段输水管道压力包络线见图7～8所示。

图7 工况16管道系统压力包络线示意

图8 工况7管道系统压力包络线示意

4)鲤鱼洲高位水池

鲤鱼洲高位水池最高涌浪水位发生在4工况，即输水隧洞最大糙率0.015、水泵设计扬程、6台机组顺次停机的工况，此时高位水池最高涌浪水位为42.37 m，低于高位水池顶部结构高程，不会发生溢流。

由于在工况7条件下鲤鱼洲高位水池出现了露底，同时在工况11条件下输水隧洞首端最小压力水头不满足2 m的要求，因此，在上述两个工况的水力过渡过程中，开启补水管头部的控制阀，从鲤鱼洲泵站前池向鲤鱼洲高位水池补水。补水后高位水池的最低涌浪水位高于-26.6 m的限制要求，且有较大余幅，同时管线压力极值也均满足安全要求。补水后的计算结果见表4所示。