长距离有压隧洞引调水工程过渡过程研究

陈 岚，朱 梅，李 琦，李 硕，李 烽

（1.湖北省水利水电规划勘测设计院,湖北 武汉 430072；2.湖北省水利水电科学研究院,湖北 武汉 430072）

1 工程概况

引江补汉输水沿线补水工程从三峡库区长江干流北岸大坝上游 6.6 km 太平溪取水,先向东经宜昌市夷陵区、远安县、当阳市,至荆门市东宝区后折向北,再经襄阳市宜城市、南漳县,自流止于三道河水库溢洪道坝下0.8 km 处,线路全长185.166 km,由输水干线、2 条分干线和4 条支线组成。输水干线采用有压（前63 km）和无压（63 km 之后）相结合方式自流输水,断面净宽6.2 m~2.8 m。输水干线：总长185.166 km,渠首设计流量35 m3/s,进口设计水位143.3 m（吴淞145 m）,出口水位103.2 m,水头40.1 m,项目总投资160 余亿元。

2 基本方案布置

引江补汉输水沿线补水工程输水干线主要建筑物有：进水口1 座,长0.17 km；隧洞23 座,长164.99 km,占总长的89.1%；管桥1 座,长0.87 km,占总长的0.47%；倒虹吸6 座,长14.97 km,占总长的8.08%；暗涵17 座,长3.98 km,占总长的2.15%；出水口长0.186 km。隧洞干线进口设节制闸,孔口尺寸7.0 m×7.0 m,进水口底板高程130.30 m,设计水位143.30 m,最高水位173.30 m,设计流量55 m3/s。出口布置控制闸,闸底槛高程 93.45 m,单孔,孔口尺寸7.0 m×7.0 m。隧洞主线出口水位为103.20 m,高于闸孔顶部高程86.13 m。

3 水锤压力控制标准

根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程 》（CECS 193-2005）要求“输水管道最大水锤压力不超过1.3~1.5倍最大工作压力”[1]。由于最大水锤压力控制标准对隧洞衬砌的配筋量和设置钢衬段长度影响较大,从而对投资影响较大。因此,本工程有压隧洞采用规范中较严格的标准“不大于1.3 倍最大工作压力”来控制水力过渡过程的最大水锤压力。隧洞沿线最小压力按不低于洞顶以上2 m 控制[2]。

4 干线工程水力过渡过程研究

4.1 计算条件

干线入口水位173.30 m,沿线分水口不分水,隧洞糙率0.014；有压段出口水位133.40 m；管线局部损失按沿程损失的10%计；干线初始流量为设计流量35 m3/s。

4.2 不设调压井方案过渡过程计算

假定不同的阀门线性关闭速率[3],其关阀水锤计算结果见表1。

表1 末端阀门不同关闭规律下的水锤计算结果

从表1 可以看出：阀门关闭速度越慢,主洞的最大水锤压力越小；但阀门全行程关闭时间从600 s 延长到1800 s 时,干线有压段末端点最大水锤压力仍达到最大静压的1.7 倍,不满足水锤防护标准。

若干线有压段末端阀的全行程最大允许关闭时间不大于15 min,则必须在干线有压段上设置必要的调压设施,以降低干线有压段末端阀的关阀水锤压力。

4.3 设置调压设施方案过渡过程计算

因调压井越靠近出口效果越好,结合实际地形地质条件,拟在桩号62+730 处设置溢流式调压井。以下对不同内径调压井的防护效果进行比较。

计算条件：（1）阀门关闭速率为全行程900 s 线性关闭；（2）调压井阻抗孔直径2.8 m。调压井的溢流堰高程175.00 m,溢流堰宽度为调压井截面周长的25%。上述条件下的干线有压段末端阀关阀水锤计算结果见表2。

表2 干线有压段末端阀关阀水锤计算结果（调压井直径比较）

从表2 可见：调压井内径越大,调压井内的最高水位越低,管线中的最大水锤压力越小,即水锤防护效果越好。但调压井直径与隧洞直径相同（5 m）时,水锤压力极值即可满足水锤防护的要求。

根据表2 的计算结果,结合入口设计水位143.36 m 时的计算结果,拟定调压井直径为15 m。

4.3.1 调压井阻抗孔直径比较

根据《水利水电工程调压室设计规范》（SL 655-2014）,阻抗孔面积宜为引水道面积的25%~45%[4]。本工程调压井所在位置的主洞直径为5.0 m,则阻抗孔直径宜为2.5 m~3.35 m。

以下对在桩号62+730 处设置不同阻抗孔的溢流式调压井的防护效果进行比较。计算条件：（1）阀门关闭速率为全行程900 s 线性关闭；（2）调压井内径15 m。调压井的溢流堰高程175.00 m、溢流堰宽度为调压井截面周长的25%。上述条件下的干线有压段末端阀关阀水锤计算结果见表3。

表3 干线有压段末端阀关阀水锤计算结果（阻抗孔直径比较）

从表3 可见：调压井内的最高水位和溢流量随着阻抗孔直径的增大而提高；干线有压段末端点的最大水锤压力和管线中的最大水锤压力随调压井直径的增大而减小[5]。但不同阻抗孔直径的计算结果差别不大。根据表3 的计算结果,本阶段考虑不设阻抗孔。

4.3.2 入口水位143.36 m 时的调压井直径比较

根据表3 计算结果,调压井直径从5 m 变化到15 m 时,水锤压力的极值差别很小,且均满足水锤防护的要求。考虑到入口水位143.36 m 工况下,由于调压井的溢流水位为175.00 m,高出隧洞进口水位143.36 m 较多。因此,在反向流动过程中的反向流速和降压波幅度较大,可能出现调压井露底和管线中的最小水锤压力较低的情况。入口水位143.30 m、干线初始以设计流量35 m3/s 单独供水工况下,不同调压井直径时的关阀水锤计算结果见表4。

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根据表4 的计算结果,本阶段推荐调压井的直径为15 m。4.3.3 不同初始工况下的关阀水锤计算结果复核（带防护措施）

根据前述计算结果,拟定防护措施如下：

（1）干线有压段末端阀的关阀速率为全行程900 s 线性关闭。

（2）在桩号62+730处设置溢流式调压井。调压井尺寸为：内径15 m,不设阻抗孔,溢流堰顶高程175.00 m。

初始工况1：入口水位173.30 m,干线有压段末端阀下游水位133.40 m；沿线东风渠支洞不分水；干线有压段末端阀门部分开启,控制输水流量35 m3/s。

初始工况2：入口水位143.36 m,干线有压段末端阀下游水位133.40 m；沿线东风渠支洞不分水；干线有压段末端阀门全部开启,输水流量35 m3/s。

不同初始工况下的计算结果见表5。

表5 干线有压段末端阀关阀水锤计算结果（设调压井，干线单独工作，初始流量35 m3/s）

从表5 可见：在拟定的水锤防护措施下,2 种初始工况下的关阀水锤压力均满足控制标准。初始工况1（入口水位173.30 m、干线有压段末端阀下游水位133.40 m、沿线各分水支洞均不分水、干线有压段末端阀门控泄流量35 m3/s）、干线有压段出口末端阀门关闭速率为全行程900 s 线性关闭的关阀过渡过程计算结果见图1~图4。其中：图1 为末端阀门开度的变化过程；图2 为沿线压力包络线；图3 为干线有压段末端阀前点压力的变化过程；图4 为调压井水位和溢流量变化过程。

图1 干线有压段末端阀门开度变化过程

图2 干线压力包络线

图3 末端闸前点压力变化过程

图4 干线末端阀门关阀过渡过程计算结果

从图1 中可以看出：末端阀门初始开度为18.97%,关闭速率为全行程900 s 线性关闭,实际关阀时间为170.73 s。从图2 中可以看出：关阀过渡过程中,干线有压段末端阀前点的洞底最大水锤压力为58.81 m,满足水锤压力控制标准（71.49 m）；全管线最小水锤压力为44.42 m,满足最小水锤压力控制标准。从图3 中可以看出：关阀过渡过程中,干线有压段末端阀前点洞底的最大水锤压力为58.81 m,之后随着水锤波的传递,压力波动逐渐衰减。从图4 中可以看出：关阀过渡过程中,调压井内最高水位为176.16 m,最大溢流量为30.21 m3/s。

4.3.4 拟定的防护措施

根据前面计算及复核结果,本次拟定的水锤防护措施为：

（1）干线有压段末端阀的关阀速率为全行程900 s 线性关闭。

（2）在桩号62+730 处设置溢流式调压井。调压井尺寸为：内径15 m,不设阻抗孔,溢流堰顶高程175.00 m。

5 结语

本文针对引江补汉输水沿线补水工程输水流量大、隧洞超长的工程特点可能造成的水锤破坏,对干线的水力过渡过程进行了分析、研究,分析了线路设置调压室的必要性以及需要设置的位置、数量,对闸（阀）运行方式（启闭方式和规律）提出合理化建议,拟定了水锤防护措施。当前正处于国家水网建设高峰期,长距离有压隧洞引调水工程众多,本工程可为国内其它类似工程提供参考经验。