陳小云,馮文濤,穆祥鵬

(1.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635；2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430012；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程是為優(yōu)化珠三角地區(qū)東、西部水資源配置，解決城市生活、生產(chǎn)缺水，提高供水保證率，同時(shí)為香港特別行政區(qū)以及番禺、順德等地區(qū)提供應(yīng)急備用水源而興建的水資源配置工程。

珠江三角洲水資源配置工程取水口位于廣東省佛山市順德區(qū)杏壇鎮(zhèn)的西江干流河段及東海水道，輸水線路由西向東布置，全長(zhǎng)為113.1 km，經(jīng)隧洞、箱涵、管道輸水至深圳市公明水庫、東莞市松木山水庫和廣州市南沙區(qū)黃閣水廠。工程多年平均引水量為17.87億m3，供水量為17.08億m3，主要供水對(duì)象是廣州市南沙區(qū)、深圳市和東莞市的缺水地區(qū)，其中廣州市南沙區(qū)年供水量5.31億m3，深圳市8.47億m3，東莞市3.30億m3。

本工程由輸水干線工程(鯉魚洲取水口—羅田水庫)、深圳分干線(羅田水庫—公明水庫)、東莞分干線(羅田水庫—松木山水庫)和南沙支線(高新沙水庫—黃閣水廠)組成，主要建筑物有：泵站3座、高位水池2座、新建水庫1座、輸水隧洞5座、輸水管道1條、倒虹吸1座、進(jìn)庫閘4座、進(jìn)水閘2座、量水間8座和各類閥井35座[1]。工程概況示意見圖1。

圖1 工程總體布置示意

2 鯉魚洲—高新沙段輸水系統(tǒng)

鯉魚洲—高新沙段輸水系統(tǒng)為珠江三角洲水資源配置工程干線輸水系統(tǒng)的重要組成部分，由1座取水泵站、1座高位水池、一條雙線輸水隧道、1座在線調(diào)節(jié)水庫和14座進(jìn)排氣閥井組成。該輸水線路在佛山市順德區(qū)境內(nèi)的西江干流中央鯉魚洲島設(shè)置鯉魚洲取水泵站，經(jīng)泵站取水提升至鯉魚洲高位水池后，通過輸水干線有壓自流至高新沙水庫，輸水線路全長(zhǎng)為40.9 km，其中40.7 km為雙線DN4 800盾構(gòu)隧洞，末端0.2 km為雙孔有壓箱涵。鯉魚洲取水泵站是珠江三角洲水資源配置工程的首級(jí)泵站，安裝8臺(tái)立式蝸殼離心泵(6用2備)，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為41.1m，單泵設(shè)計(jì)流量為15 m3/s，總抽水流量為80 m3/s，總裝機(jī)容量為8×9 000 kW。鯉魚洲高位水池既是鯉魚洲取水泵站的出水池，同時(shí)也兼做調(diào)壓井，具備調(diào)節(jié)輸水線路水錘壓力的功能。

由于鯉魚洲高位水池—高新沙水庫段輸水線路較長(zhǎng)、輸水流量大，水流慣性較大，鯉魚洲高位水池在輸水管道低糙率、大流量運(yùn)行時(shí)的事故停泵水力過渡過程中容易出現(xiàn)最低涌浪水位低于輸水隧洞洞頂?shù)穆┛宅F(xiàn)象。為避免鯉魚洲高位水池出現(xiàn)漏空現(xiàn)象，在鯉魚洲泵站前池設(shè)置了1條DN2 000的補(bǔ)水管連接至鯉魚洲高位水池底部，當(dāng)鯉魚洲泵站發(fā)生事故停泵時(shí)，開啟補(bǔ)水管頭部的控制閥，從泵站前池向高位水池補(bǔ)水。鯉魚洲—高新沙段輸水系統(tǒng)布置見圖2～3。

圖2 鯉魚洲—高新沙段輸水系統(tǒng)平面示意

圖3 鯉魚洲—高新沙段輸水系統(tǒng)縱剖面示意

3 水力過渡過程分析計(jì)算

鯉魚洲—高新沙段輸水管線采用深埋盾構(gòu)隧洞穿越順德市建成區(qū)，盾構(gòu)隧洞埋深為30～60 m，靜水壓力最高達(dá)0.95 MPa，為長(zhǎng)距離、大流量、高壓輸水系統(tǒng)，存在泵站流量變幅大、摩擦損失水頭占比大、泵站水位和管道糙率變化大等特點(diǎn)[2]；泵站運(yùn)行工況復(fù)雜，泵組正常開啟、關(guān)閉及系統(tǒng)因事故停泵等情況下，輸水系統(tǒng)水力過渡復(fù)雜多變，水錘防護(hù)措施不當(dāng)會(huì)危及系統(tǒng)的運(yùn)行安全[3]。同時(shí)，由于盾構(gòu)隧洞埋深大，一旦出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞將難以修復(fù)，為此，針對(duì)系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的水錘問題，需對(duì)鯉魚洲泵站事故停泵、正常開機(jī)、正常關(guān)機(jī)、蝶閥拒動(dòng)等工況進(jìn)行了水力過渡過程分析計(jì)算，確定各段盾構(gòu)隧洞最大水錘壓力，提出泵站及輸水系統(tǒng)的水錘防護(hù)措施，為泵站及輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行提供依據(jù)。

3.1 節(jié)點(diǎn)水位及計(jì)算工況

鯉魚洲取水口—高新沙水庫段輸水流量范圍為20～80 m3/s，當(dāng)輸水流量20 m3/s時(shí)單管運(yùn)行；輸水流量80 m3/s時(shí)雙管運(yùn)行，管道糙率范圍為0.01～0.015，各節(jié)點(diǎn)水位見表1。

表1 各節(jié)點(diǎn)水位 m

本次分析計(jì)算水泵出口蝶閥采用兩階段線性關(guān)閉規(guī)律：前10 s由90°(全開)關(guān)至10°，后10 s由10°關(guān)至0°(全關(guān))，計(jì)算工況見表2。

表2 計(jì)算工況

3.2 數(shù)學(xué)模型

3.2.1有壓管道非恒定流基本方程及解法

壓力管道中的水力瞬變由下述一對(duì)偏微分方程[4-5]描述(Wylie和Streeter，1978)：

(1)

(2)

式中H為從基準(zhǔn)線算起的測(cè)壓管水頭,m；V為斷面平均流速,m/s；f為沿程阻力系數(shù)；D為管道直徑,m；a為水擊波速,m/s；g為重力加速度(取9.81 m/s2)；x、t分別為距離(m)和時(shí)間(s)。

方程(1)和(2)為雙曲型偏微分方程組，采用特征線方法，偏微分方程可以轉(zhuǎn)化為兩對(duì)常微分方程[6]。

(3)

(4)

圖4 有壓流特征線網(wǎng)格示意

沿特征線對(duì)上述常微分方程進(jìn)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為待求流量；HPi為待求水頭；系數(shù)CP、BP、CM和BM是上一時(shí)刻的已知量，具體表達(dá)式為：

CP=Hi-1+BQi-1，BP=B+R|Qi-1|，

CM=Hi+1-BQi+1，BM=B+R|Qi+1|。

聯(lián)立求解方程(5)和(6)得:

(7)

求出流量后，可以根據(jù)(5)或(6)得出測(cè)壓管水頭。

3.2.2有壓管道水擊波速的取值

設(shè)置鋼內(nèi)襯的圓形隧洞的水擊波速可以按照下式計(jì)算[7]：

(8)

(9)

式中Ew為水的體積彈性模量，取2.0×106Pa；γ為水的容重，取9.8 kN/m3；r為隧洞半徑；K0為圍巖的單位抗力系數(shù)，取4.8×105kN/m；δ為鋼襯厚度；E為鋼襯彈性模量，取2.07×1011Pa。

計(jì)算可得帶鋼襯隧洞的水擊波速約為1 330 m/s。

3.3 控制指標(biāo)

1)管線最小水錘壓力不小于2 m水頭[8]。

2)水泵最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速低于-1.2倍額定轉(zhuǎn)速，且持續(xù)時(shí)間不超過2 min[9]。

3)水泵低于40%額定轉(zhuǎn)速持續(xù)時(shí)間不超過 2 min[9]。

4)鯉魚洲高位水池頂部不溢流(頂部高程48.5 m)、最低涌浪水位與壓力管道頂部之間的安全高度不小于2 m[10]，即最低涌浪水位不低于-26.6 m。

3.4 計(jì)算結(jié)果及分析

3.4.1計(jì)算結(jié)果

各工況下水力過渡過程計(jì)算結(jié)果見表3。

3.4.2計(jì)算結(jié)果分析

1)水泵特性

由表3的計(jì)算結(jié)果可知，各事故停泵關(guān)閥工況下，水泵的機(jī)組均不會(huì)發(fā)生倒轉(zhuǎn)。

表3 水力過渡過程計(jì)算成果 m

2)泵組—鯉魚洲高位水池段

泵站出口閥—鯉魚洲高位水池段管道的最高壓力發(fā)生在4工況下，即6臺(tái)機(jī)組順次停機(jī)工況，最高壓力為83.64 m，位于泵出口閥前；最低壓力發(fā)生在14工況下，即5臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)開啟，鯉魚洲高位水池進(jìn)出流量最大時(shí)，6臺(tái)同時(shí)事故斷電的工況。該工況下，水泵60%額定轉(zhuǎn)速下變頻啟動(dòng)，50 s線性開閥，在啟動(dòng)后變頻至額定轉(zhuǎn)速后約10 s高位水池進(jìn)出水量達(dá)到最大，此時(shí)6臺(tái)機(jī)同時(shí)事故斷電，管道最低壓力為-3.67 m，位于水泵出水管與鯉魚洲高位水池之間的流量計(jì)附近，通過適當(dāng)加大出水鋼管壁厚以提高鋼管抗外壓失穩(wěn)能力，且增設(shè)進(jìn)排氣閥來緩解負(fù)壓來帶來的問題。除此之外其他工況下此段管道均未出現(xiàn)負(fù)壓的情況，均滿足系統(tǒng)安全要求。4號(hào)及14號(hào)工況下水泵出口閥后壓力波動(dòng)如圖5～6所示。

圖5 工況4水泵出口閥后壓力過程示意

圖6 工況14水泵出口閥后壓力波動(dòng)示意

3)鯉魚洲高位水池—高新沙水庫段

鯉魚洲高位水池—高新沙水庫段輸水隧洞的最高壓力發(fā)生在16工況下，即6臺(tái)運(yùn)行，其中3臺(tái)依次關(guān)閉，待水位穩(wěn)定后其中1條管末端閘門慢慢關(guān)閉，變成單管運(yùn)行，后變頻至20 m3/s的工況，位于管道最低高程-55.75 m處，其最高壓力是由停水管道末端閘門的關(guān)閉速度決定的，當(dāng)停水管道末端閘門關(guān)閉時(shí)間取300 s時(shí)，最高壓力為114.13 m，當(dāng)末端閘門關(guān)閉時(shí)間延長(zhǎng)至360 m時(shí)，最高壓力降為102.42 m，滿足隧洞安全要求。

輸水隧洞最小水錘壓力發(fā)生在7工況，即輸水隧洞最小糙率0.01、水泵最小揚(yáng)程、6臺(tái)運(yùn)行機(jī)組同時(shí)事故斷電、水泵后控制閥關(guān)閉的工況，出現(xiàn)在輸水隧洞首端，此時(shí)鯉魚洲高位水池出現(xiàn)露底。

16號(hào)和7號(hào)工況下，鯉魚洲—高新沙水庫段輸水管道壓力包絡(luò)線見圖7～8所示。

圖7 工況16管道系統(tǒng)壓力包絡(luò)線示意

圖8 工況7管道系統(tǒng)壓力包絡(luò)線示意

4)鯉魚洲高位水池

鯉魚洲高位水池最高涌浪水位發(fā)生在4工況，即輸水隧洞最大糙率0.015、水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程、6臺(tái)機(jī)組順次停機(jī)的工況，此時(shí)高位水池最高涌浪水位為42.37 m，低于高位水池頂部結(jié)構(gòu)高程，不會(huì)發(fā)生溢流。

由于在工況7條件下鯉魚洲高位水池出現(xiàn)了露底，同時(shí)在工況11條件下輸水隧洞首端最小壓力水頭不滿足2 m的要求，因此，在上述兩個(gè)工況的水力過渡過程中，開啟補(bǔ)水管頭部的控制閥，從鯉魚洲泵站前池向鯉魚洲高位水池補(bǔ)水。補(bǔ)水后高位水池的最低涌浪水位高于-26.6 m的限制要求，且有較大余幅，同時(shí)管線壓力極值也均滿足安全要求。補(bǔ)水后的計(jì)算結(jié)果見表4所示。

表4 鯉魚洲高位水池補(bǔ)水工況下計(jì)算成果 m

4 結(jié)語

本文采用水力過渡過程數(shù)值仿真計(jì)算軟件對(duì)鯉魚洲泵站事故停泵、正常開機(jī)、正常關(guān)機(jī)、蝶閥拒動(dòng)等工況進(jìn)行了水力過渡過程分析計(jì)算。

1)鯉魚洲泵站水泵出口蝶閥采用兩階段關(guān)閉規(guī)律：前10 s從全開關(guān)至10°，后10 s全關(guān)，能夠滿足事故停泵或正常停泵的水錘防護(hù)要求。

2)補(bǔ)水管對(duì)高位水池補(bǔ)水，水池內(nèi)最低涌浪水位滿足要求。

3)各事故停泵關(guān)閥工況下，水泵的機(jī)組均不會(huì)發(fā)生倒轉(zhuǎn)。

4)水泵按照60%額定轉(zhuǎn)速啟動(dòng)，蝶閥50 s線性開啟，水泵機(jī)組順次間隔90 s啟動(dòng)，再變頻至額定轉(zhuǎn)速的方式，可保證輸水管線的壓力最大值及高位水池的水力波動(dòng)滿足設(shè)計(jì)要求。

5)正常停機(jī)時(shí)，各臺(tái)機(jī)組順次停機(jī)的時(shí)間間隔不低于30 s，可保證輸水管線的壓力最大值及高位水池的水力波動(dòng)滿足設(shè)計(jì)要求。

6)管道檢修時(shí)，3臺(tái)水泵機(jī)組間隔30 s正常停機(jī)，約1 200 s后系統(tǒng)水力波動(dòng)趨于穩(wěn)定，此時(shí)利用360 s緩慢線性關(guān)閉管道末端閘門，閘門關(guān)閉后1 200 s將3臺(tái)運(yùn)行水泵順次降頻，3臺(tái)機(jī)組的降頻間隔為20 min，可以保證系統(tǒng)水力瞬變過程平穩(wěn)、安全。