范建強(qiáng)

(遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程建設(shè)局，遼寧 沈陽 110166)

遼寧省大伙房水庫(kù)輸水(二期)工程的主要任務(wù)是將渾江調(diào)來的水經(jīng)水庫(kù)調(diào)節(jié)后有效配置給遼寧中南部地區(qū)的撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營(yíng)口、盤錦等6個(gè)缺水城市[1]，解決該區(qū)突出的水資源短缺問題，并為改善渾河、太子河流域生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)供水創(chuàng)造條件，是遼寧省經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、老工業(yè)基地產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和改造、沿海經(jīng)濟(jì)帶開發(fā)的重要區(qū)域性水資源配置工程，如圖1所示。工程涉水人口千余萬，輸水距離長(zhǎng)達(dá)400km、供水目標(biāo)多達(dá)10個(gè)、輸水總量高達(dá)504萬t/d，全線采用了壓力密閉輸配水方式，中間無任何調(diào)蓄設(shè)施，系統(tǒng)布置突破常規(guī)，輸配水系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜。在有壓隧洞及管道首次運(yùn)行充水和事故或檢修時(shí)進(jìn)行的

再充水操作中，水力過渡過程復(fù)雜，工程實(shí)踐證明，充水過程控制不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生水錘、斷流彌合水錘、管道氣阻、氣爆等嚴(yán)重危害[2]，因此對(duì)充水過程物理機(jī)理、充水段長(zhǎng)、充水流量、排氣問題、水流流態(tài)等進(jìn)行研究，制定安全可靠的充水調(diào)度方案，是保證輸配水系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)[3]。

1 充水過程物理機(jī)理及模型

1.1 充水過程物理機(jī)理

管道充水時(shí)，管道內(nèi)存有空氣，因此管道內(nèi)的流動(dòng)實(shí)際上是水氣兩相流。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)壓力輸水管道系統(tǒng)中有關(guān)氣體釋放[4]、氣液兩相瞬變流基本理論[5]、空氣進(jìn)排氣閥的特性[6- 7]、截留氣團(tuán)的動(dòng)態(tài)特性和動(dòng)力特性的研究成果[8]，表明在較平坦的供水管路中會(huì)呈現(xiàn)6種氣液兩相流狀態(tài)，即①層流狀(充水前期)，②波狀流(充水中期)，③段塞流(充水后期)，④氣團(tuán)流(充水后期)，⑤泡沫流(瞬間出現(xiàn)并迅速轉(zhuǎn)化為氣團(tuán)流)，⑥環(huán)狀流(瞬間出現(xiàn)并迅速轉(zhuǎn)化為波狀流或段塞流)。

圖1 大伙房輸水系統(tǒng)組成示意圖

另外，就管道系統(tǒng)的排、進(jìn)氣來說，初次運(yùn)行前的充水過程與泄水過程以及正常運(yùn)行過程存在著顯著差異[5]。充水過程總體上是一個(gè)需要大量排氣的過程，但當(dāng)充水為急流時(shí)，又會(huì)成為摻氣、挾氣(即進(jìn)氣)過程。通常將管道分為水平段、上坡段和下坡段三種線型單元分析其水流條件。

(1)上坡段。上坡段在充水時(shí)流態(tài)相對(duì)簡(jiǎn)單，除了因充水流速過大而發(fā)生水面波動(dòng)和翻滾外，基本是緩慢均勻上升的。這種情況對(duì)排、進(jìn)氣設(shè)計(jì)是有利的。

(2)水平段。水平段在充水時(shí)的流態(tài)比較復(fù)雜，起始端為涌流，其后形成b0型降水曲線。管徑較小時(shí)水面坡度比較陡，管徑較大時(shí)水面坡度將極為平緩。

(3)下坡段。下坡段充水時(shí)，其氣、水流態(tài)和過程比較復(fù)雜。根據(jù)管線坡度的不同，可能是緩流，但多數(shù)情況下是急流。在急流流態(tài)下充水，將不可避免地發(fā)生水體摻氣和挾氣。

以上三種特征單元通常稱為“三線”，同“三線”相連接的“三點(diǎn)”也有同其相關(guān)聯(lián)的特征，見表1。

表1 管道不同特征點(diǎn)的水流流態(tài)和氣水流向

1.2 充水過程物理模型

輸水管道充水過程屬于非恒定有壓流，涉及復(fù)雜的水氣兩相流運(yùn)動(dòng)，加上水流流態(tài)變化不定，難以建立統(tǒng)一的物理模型，而與此同時(shí)還必須考慮沿線空氣閥的排氣特性等等。根據(jù)小流量設(shè)計(jì)原則，針對(duì)輸配水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成，建立下坡段水流下泄和下彎管段、水平段順序平漲充水相結(jié)合的物理模型。當(dāng)水體從管線高點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至管線低點(diǎn)后，水位以順序平漲的規(guī)律上升充水?！绊樞蚱綕q”是指當(dāng)下彎管段中的水位高于右高點(diǎn)時(shí)，水體向下游溢出，上游水位保持不變的同時(shí)，下游水位增高；當(dāng)下彎管段中的水位高于左高點(diǎn)時(shí)，水體往上游涌高，此管段連同上游管段水位平行上漲。當(dāng)最末端管段被水體完全充滿后，水體不斷上涌直至涌滿整個(gè)輸水管道，充水過程結(jié)束。水體隨著水位上漲，管道中氣體被水體隔斷，形成不同體積、不同密度、不同質(zhì)量、各自獨(dú)立的氣囊，聚集于管道的隆起段。這些氣囊分別通過各自范圍內(nèi)所設(shè)置的空氣閥排出氣體，力圖使管道內(nèi)的氣體壓力維持在大氣壓左右，以確保按要求、按計(jì)劃順利完成管道充水任務(wù)。模型如圖2所示。管道充水過程按照1→2→3→4→……子過程依次執(zhí)行。

圖2 充水過程物理模型示意圖

2 分段充水方案

2.1 充水控制原則

大伙房水庫(kù)輸水(二期)工程屬于長(zhǎng)距離、多目標(biāo)、大流量的密閉系統(tǒng)，綜合考慮充水時(shí)安全性、事故發(fā)生機(jī)率、事故危害程度、事故影響范圍及時(shí)間、事故的可控性等因素，結(jié)合系統(tǒng)布置情況，確定充水控制原則。

(1)分段小流量充水。采用較小的流量對(duì)即將投入運(yùn)行的管道充水是一項(xiàng)重要原則和主要手段，它不僅可以避免管路水錘，也是減小排、進(jìn)氣設(shè)施規(guī)模的重要條件之一。文獻(xiàn)指出[9]：“如果管道以等于0.3倍的正常流量或更小的速度充水，將不會(huì)發(fā)生由水錘造成的管道破壞”，并強(qiáng)調(diào)“為了盡量減少管內(nèi)剩余空氣和避免發(fā)生水錘，任何情況下充水流速不應(yīng)超過0.6m/s”。進(jìn)、排氣設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能地將充水時(shí)的滿管平均流速規(guī)定為0.3m/s，最大不超過0.6m/s。

(2)充水過程中管道內(nèi)的壓力等級(jí)限制。結(jié)合專家意見和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)[10]，選取管道充水過程中的絕對(duì)氣壓不超過0.06MPa，選擇合適的空氣閥進(jìn)行控制。

2.2 分段充水方案

(1)分6段充水方案

充分利用干線設(shè)置的調(diào)流閥調(diào)流、調(diào)壓特性，分6段充水，即取水頭部到撫順配水站(GA1)、撫順配水站至沈陽2配水站(GA2)、沈陽2配水站至鞍山加壓站(GA3)、鞍山加壓站至營(yíng)盤配水站(GA4)、營(yíng)盤配水站至營(yíng)口(GA5)、營(yíng)盤配水站至盤錦(GA6)。隧洞出口至鞍山加壓站為雙管布置，此區(qū)段兩條管道分別充水。充水特征參數(shù)詳見表2。

表2 分6段充水方案特征參數(shù)

注：()內(nèi)數(shù)值為管線參數(shù)。

(2)分11段充水方案

充水段分為11段[11]，即隧洞段到撫順配水站(GA1)[12]、撫順干線配水站到隧洞出口(GA2)、隧洞出口到沈陽1配水站段(GA3)、沈陽1配水站到沈陽2配水站段(GA4)、沈陽2配水站到4#穩(wěn)壓塔段(GA5)、4#穩(wěn)壓塔到5#穩(wěn)壓塔段(GA6)、5#穩(wěn)壓塔到遼陽配水站段(GA7)、遼陽配水站到鞍山加壓站段(GA8)、鞍山加壓站到營(yíng)盤配水站段(GA9)、營(yíng)盤配水站到營(yíng)口段(GA10)、營(yíng)盤配水站到盤錦段(GA11)。充水特征參數(shù)詳見表3。

2.3 分段充水計(jì)算結(jié)果分析

分別針對(duì)輸水系統(tǒng)分為6段和11段的兩個(gè)充水方案進(jìn)行計(jì)算分析，這里選擇沈陽2配水站前管段的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行說明，頭部充水流量為8.449m3/s。

表3 分11段充水方案特征參數(shù)

圖3 隧洞段及管線段分析節(jié)點(diǎn)圖

圖3為隧洞段及管線段分析節(jié)點(diǎn)圖，利用管線特征位置點(diǎn)point1(管道進(jìn)口)和point2(局部高點(diǎn))的管道內(nèi)氣團(tuán)壓力和管線的局部最低點(diǎn)point3和point4的水深變化來反映充放水過程的主要特征。

(1)各方案充水過程管道內(nèi)氣團(tuán)壓力變化

在兩個(gè)不同充水方案下，管道內(nèi)特征位置處(point2)氣團(tuán)壓力的變化過程線如圖4所示。

由圖4可以看出，兩種情況下point2位置處的氣團(tuán)壓力變化趨勢(shì)基本相似。以分11段情況下的壓力變化為例進(jìn)行分析，當(dāng)?shù)谌蔚谌龁卧艿纼?nèi)水位在56.75～67.40m之間上升時(shí)，水體持續(xù)流入管道內(nèi)，管內(nèi)氣體不斷被壓縮，所以point2氣體壓力先迅速增大，在管內(nèi)水位超過67.40m后，第三單元和第二單元內(nèi)水位同時(shí)上升，此時(shí)第三單元只有頂部收縮段尚未充滿，橫截面積小，水體大部分流入第二單元，第三單元流入的水體體積比空氣閥向外界排出的空氣體積少，故point2氣體壓力又快速下降。

分11段時(shí)的最大壓力比分6段要小，這是因?yàn)榉?段時(shí)水深是從40.10m處開始上漲，而分11段時(shí)是從56.75m處開始上漲，顯然前者到達(dá)水深70.60m處所用時(shí)間要長(zhǎng)，時(shí)間越長(zhǎng)，積累在管內(nèi)氣體越多，因此壓力也越大。可見分段越多就可以相對(duì)減小管道內(nèi)氣體壓力。

圖4 不同分段充水方案下氣團(tuán)壓力變化曲線(point2位置處)

(2)各方案充水過程管道內(nèi)水深的變化

在兩個(gè)不同充水方案下，管道內(nèi)特征位置處(point3)水深的變化過程線如圖5所示。

圖5 不同分段充水方案下水深變化曲線(point3位置處)

由圖5可見，point3處水深先上升2.14m(水位69.18m)后水體流至下游，水深保持不變，直至下游水位上升至69.18m，水位又重新上升，直至充滿。分十一段時(shí)下游水位到達(dá)69.18m所用時(shí)間要短的多，因?yàn)樗菑?6.75m處開始上漲。

(3)管道內(nèi)水深變化與氣團(tuán)體積的關(guān)系

在兩個(gè)不同充水方案下，管道內(nèi)特征位置處(point4)水深和氣體體積的變化過程線分別如圖6、7所示。

圖6 不同分段充水方案下水深變化曲線(point4位置處)

圖7 分段不同情況下第四單元?dú)怏w體積變化曲線

由圖6、7可見，第四單元水深與氣體體積呈反比變化，不同情況下氣體體積變化曲線的變化趨勢(shì)相同，都是隨著充水時(shí)間的增加，水深在不斷增加，氣體體積不斷減小，因?yàn)闅怏w不斷排出，最后氣體體積減為0，即表明該單元管道充滿。

3 結(jié)論

通過對(duì)充水過程物理機(jī)理及模型、水流流態(tài)、充水段長(zhǎng)、充水過程管道特征點(diǎn)氣團(tuán)壓力變化、管道水深變化、管道水深變化與氣團(tuán)體積關(guān)系等分析，大伙房水庫(kù)輸水(二期)工程制定了11個(gè)水力控制段小流量充水方案，通過對(duì)每個(gè)充水段的設(shè)備和設(shè)施的監(jiān)視、監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行正常，為工程初期安全運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。結(jié)論如下：

(1)充水時(shí)間與充水流量密切相關(guān)，隨著充水流量的增大，整體充水時(shí)間在減少，但是流量過大將使管道內(nèi)氣體壓力過大。

(2)充水分段短可以相對(duì)減小管道內(nèi)氣體壓力、防止斷流彌合水錘發(fā)生。

(3)綜合考慮充水和運(yùn)行工況，選擇相應(yīng)性能的空氣閥十分重要。

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