周培勇

（上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200335）

1 工程簡況

1.1 工程簡介

某城區(qū)引調(diào)水工程從已建的水庫向城區(qū)供水，給沿線規(guī)劃水廠供水，并作為城區(qū)兩個主要水廠的應急備用水源，工程設計供水規(guī)模80萬m3/d，校核工況下供水規(guī)模100萬m3/d。工程建筑物主要由取水口、引水隧洞、調(diào)壓井、消能電站、引水管道等組成。引水線路總長約76.79 km，其中隧洞全長39 km，供水管路長37.79 km。已建取水水庫最高蓄水位303.50 m，供水城區(qū)地坪高程約20 m，采用重力流輸水模式。由于管道末端水壓大，流量大，無法采用減壓閘消能，因此在整個輸水線路中間部位布置消能水電站以消除隧洞剩余水頭，消能電站額定水頭183.0 m，消能電站前線路長34.83 m，主要為隧洞與管橋，消能電站后線路長41.96 m，主要為淺埋管與倒虹吸，消能電站裝機容量2.0萬kW。

1.2 地質(zhì)概況

本工程場區(qū)地勢特點西北多山，東南平坦，地勢從西北向東南傾斜，依次出現(xiàn)中山、低山、丘陵、臺地、平原。場區(qū)分布第四系覆蓋層為沖洪積層（Qal+pl）、殘積層(Qel)；基巖主要有三疊系上統(tǒng)大坑組（T3d）、侏羅系上統(tǒng)梨山組（J1l）以及兜嶺群上組（J3dl2）。場區(qū)侵入巖分布廣泛，主要為燕山構(gòu)造層早期第三次侵入黑云母花崗巖與燕山晚期第二次侵入花崗巖、石英斑巖。工程區(qū)地震動峰值加速度為0.15 g，相應地震基本烈度Ⅶ度，地震分組為一組地區(qū)，其特征周期為0.40 s。場區(qū)地下水類型可分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩大類，松散巖類孔隙水主要賦存于引水管線沿線的江河及其支流的沖積平原、山間谷地、山間盆地及濱海平原，基巖裂隙水主要賦存于基巖中，含水層為基巖中的各種節(jié)理、裂隙段，主要為大氣降雨通過裂隙、洼地等入滲及上層滯水補給地下水。

本工程主要工程地質(zhì)問題有軟土地基穩(wěn)定、暗挖段埋深小于30 m的淺埋暗挖洞室穩(wěn)定、隧洞穿越斷層破碎帶的圍巖穩(wěn)定、花崗巖風化不均勻、隧洞（基坑）涌水與隧洞出入口的邊坡穩(wěn)定等問題。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

本工程取水口與水廠之間高差大、距離遠，為解決消除多余水頭與水流能自流到水廠這一矛盾，消能、水錘防護、水力學計算分析成為保證水流穩(wěn)定自流到水廠的關(guān)鍵技術(shù)問題。結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)問題分析，綜合考慮工程經(jīng)濟性與安全性、施工便利性、工期等因素后，確定線路布置方案，在中部設置消能電站解決消能問題。消能電站前與消能電站后的輸水線路關(guān)鍵技術(shù)問題各有特點，本文針對消能電站前、消能電站后的關(guān)鍵技術(shù)問題分別進行分析研究。

3 消能電站前關(guān)鍵技術(shù)

3.1 調(diào)壓室設置判別

消能電站前的關(guān)鍵技術(shù)問題主要為水錘與調(diào)節(jié)保證問題。消能電站前為長引水系統(tǒng)，是否應該設置調(diào)壓井使有壓水道避免水錘壓力影響應進行技術(shù)經(jīng)濟比較確定，依據(jù)《水電站調(diào)壓室設計規(guī)范》（NB/T 35021-2014）[1]，基于水道特性進行調(diào)壓井設置判別。上游調(diào)壓室的設置條件按下式判斷：

式中：Tw為壓力水道中水流慣性時間常數(shù)，s；Li為壓力水道及蝸殼尾水管 (無下游調(diào)壓室時應包括壓力尾水道)各分段的長度，m；Vi為各分段內(nèi)相應的流速，m/s；g 為重力加速度，m/s2；Hp為設計水頭，m；[Tw]為 Tw的允許值，一般取 2 s～4 s。

水流慣性時間常數(shù)計算結(jié)果見表1。

表1 水流慣性時間常數(shù)計算成果表

從以上計算可以看出，Tw＞[Tw]，由于引水隧洞較長，為保證機組的調(diào)速性能，改善機組的運行條件，需設置上游調(diào)壓室。

3.2 調(diào)壓室水力計算

阻抗式調(diào)壓室穩(wěn)定性好，所需調(diào)壓室體積較小，本工程調(diào)壓井型式選用阻抗式。調(diào)壓井的水力計算主要包含以下三個方面的內(nèi)容：

（1）研究“引水道-調(diào)壓室”系統(tǒng)波動穩(wěn)定問題，確定所求調(diào)壓室的最小托馬斷面。

（2）求最高涌波水位，確定引水隧洞設計內(nèi)水壓力上限值，用于引水隧洞結(jié)構(gòu)計算與隧洞進出口布置。

（3）求最低涌波水位，確定上水庫至調(diào)壓井的水力坡降線下限值，進而確定引水隧洞布置高程。

電站最大引用流量為Q=12.731 m3/s，上下游最小水位差為197.50 m，四臺機組共用一個上游調(diào)壓室，調(diào)壓室穩(wěn)定面積采用托馬準則進行計算[1]。

式中：F為上游調(diào)壓室穩(wěn)定斷面面積，m2；L為壓力引水道長度，m；f為壓力引水道斷面面積，m2；H0為發(fā)電最小毛水頭，即對應上下游最小水位差，機組發(fā)出最大輸出功率時的毛水頭，m；α為自水庫至調(diào)壓室水頭損失系數(shù)，α＝hw0/v，m；v為壓力引水道流速，m/s；hw0為壓力引水道水頭損失，m；hwm為調(diào)壓井下游壓力管道總水頭損失，m；K為系數(shù)，一般可采用1.0～1.1。

通過計算得出調(diào)壓室波動最小穩(wěn)定斷面積為9.364 m2，據(jù)此調(diào)壓室內(nèi)徑采用D=10 m，滿足小波動穩(wěn)定要求。阻抗孔內(nèi)徑D=2.0 m，壓力引水道內(nèi)徑D=3.0 m，阻抗孔面積為壓力引水道面積的44%。

最高涌浪水位與最低涌浪水位計算[1～2]。

①計算工況

（a）最高涌浪水位計算工況

按上游正常蓄水位303.50 m時，全部機組滿載運行時瞬時丟棄全負荷作為設計工況，按上游校核洪水位306.66 m相應工況進行校核。

（b）最低涌浪水位計算工況

按上游死水位275.0 m時，全部4臺機組由0負荷增至滿載。

②調(diào)壓室涌浪計算

（a）阻抗式調(diào)壓室丟棄全負荷時最高涌浪計算：

當 λ'hc0＜1 時：

引用流量 Q0=12.7 m3/s，hc0=3.193 m，hw0=27.773 m，計算得 λ'=0.057，因 λ'hc0=0.182＜1，采用式（4）用解析法求得設計工況、校核工況調(diào)壓室最高涌浪水位分別為319.861 m、323.021 m。

（b）阻抗式調(diào)壓室最低涌浪計算：

式中：ε為無因次系數(shù)，表示壓力水道—調(diào)壓室系統(tǒng)的特性；Q為增加負荷前的流量，m3/s；Q0為增加負荷后的流量，m3/s；其余式中符號含義同式（3）。

采用解析法求得調(diào)壓室最低涌浪水位為226.30 m。

綜上所述，調(diào)壓室最高涌浪水位為上游校核洪水位工況計算所得，其值為323.021 m；最低涌浪水位為死水位全部機組增荷至滿載計算所得，其值為226.30 m。調(diào)壓井結(jié)構(gòu)設計圖見圖1。

圖1 調(diào)壓井結(jié)構(gòu)剖面圖

4 消能電站后關(guān)鍵技術(shù)

4.1 自流分析

管道水頭損失主要考慮沿程水頭損失和局部水頭損失。水頭損失計算參照《室外給水設計規(guī)范》（GB J50013-2006）[3]確定?；炷凉芗安捎盟嗌皾{內(nèi)襯的金屬管道，采用下式計算：

式中：hf為沿程水頭損失，m；l為計算管段長度，m；R為水力半徑，m；V為管道斷面水流平均流速，m/s；C為謝才系數(shù)；n為糙率系數(shù)，本工程中球墨鑄鐵管糙率系數(shù)取0.013。

局部水頭損失按沿程水頭損失的10%考慮，總水頭損失為沿程水頭損失與局部水頭損失的總和。本工程設計供水規(guī)模80萬m3/d，校核供水規(guī)模100萬m3/d，城鎮(zhèn)的事故用水量為設計水量的70%，則事故用水量為56萬m3/d。消能電站后有兩條輸水干管，依據(jù)《室外給水設計規(guī)范》（GB 50013-2006）[3]：輸水干管任何一段發(fā)生故障時要仍能通過事故用水量?？紤]消能電站后一條輸水干管發(fā)生故障，僅一條輸水干管引用事故用水量56萬m3/d為事故工況。計算分析各工況下消能電站后輸水管道是否出現(xiàn)負壓，各工況下，消能電站后輸水管線水頭損失匯總表見表2。

表2 供水線路水頭損失計算成果

本工程輸水模式采用重力流輸水，各管線末端需有一定壓力水頭，保證輸水管線中水流能自流到各水廠。調(diào)節(jié)水池最低水位78.00 m，設計水位80.00 m，由表2可知：經(jīng)計算調(diào)節(jié)池最低運行水位下，校核工況輸水規(guī)模為100萬m3/d時消能電站后原水管水頭損失最大。各水廠壓力水頭值見表3，由表3可知：在最不利校核工況下，可保證水流在有壓作用下能自流到各水廠，水廠的最小水頭富裕值為6.21 m，且沿線不會出現(xiàn)負壓，滿足運行需要。

表3 供水管道各水廠壓力水頭對比

4.2 水錘防護

消能電站前設置調(diào)壓井有效避免了消能電站前水錘壓力的影響，消能電站后的水錘需通過水錘防護措施進行控制，本工程消能電站后的水錘通過以下三級防護措施進行預防控制。

（1）一級防護：防水錘空氣閥自適應控制（防水錘空氣閥、復合空氣閥）；

（2）二級防護：安全超壓閥自動化控制（安全泄壓閥）；

（3）三級防護：爆管緊急切斷閥應急控制（緊急切斷閥）。

防水錘空氣閥充水過程中浮球和滑動體不會發(fā)生吹堵，避免產(chǎn)生空氣閥關(guān)閥水錘；水柱彌合時，限制排氣速度，在空氣閥附近截留空氣形成氣囊，能吸納和緩和水柱彌合能量，減小彌合水錘升壓值。安全超壓閥在管線超壓時及時打開泄壓、低壓或真空時及時打開吸氣。應急工況當爆管發(fā)生時，爆管緊急切斷閥自動關(guān)閉，減小因爆管產(chǎn)生的水損失以及可能發(fā)生的次生災害。

三級水錘防護閥與原水管道其它附屬設施綜合考慮進行合理布置，才能保證原水管道在運行期的安全穩(wěn)定運行，各類閥門布置匯總表見表4，典型布置圖見圖2。

表4 各類閥門布置匯總表

圖2 各類閥門典型布置圖

5 結(jié)論

（1）消除多余水頭、水錘防護、水力學計算分析是高水頭、長距離引調(diào)水工程的關(guān)鍵技術(shù)。

（2）本工程通過在中間部位設置消能電站消除多余水頭，在消能電站前設置調(diào)壓井使引水隧洞基本避免了水錘壓力的影響，消能電站后通過布置三級水錘防護閥門有效避免了水錘壓力對供水管道的影響。

（3）調(diào)壓室最小托馬斷面為9.364 m2，最高涌波水位323.021 m，最低涌波水位226.30 m；消能電站后引水管道在校核工況的水頭損失最大，最大值為48.733 m。

（4）上水庫死水位275.0 m與調(diào)壓井最低涌浪水位226.30 m連線為消能電站前壓力水頭下限值，校核工況下的管道水力坡降線為消能電站后壓力水頭下限值，依據(jù)水庫至水廠的壓力水頭下限值，保證洞頂與管頂?shù)陀趬毫λ^下限值2.0 m確定隧洞與管道高程后，水流能自流到各水廠，水廠的最小水頭富裕值為6.21 m。