管道輸水技術(shù)在南水北調(diào)西線一期工程中應(yīng)用的可行性研究

李 娜，趙 宇，王麗娟，符 平

(中國水利水電科學研究院， 北京 100038)

南水北調(diào)西線工程是解決黃河流域缺水問題的根本措施[1-2]。南水北調(diào)西線一期工程規(guī)劃推薦調(diào)水40億m3方案由“五壩七洞一渠”組成[3-4]，輸水線路總長260 km，其中隧洞244 km，自然分段長度最大73 km，最大埋深1 150 m。隧洞位于青藏高原，多在3 500 m以上，自然條件惡劣，地質(zhì)情況復(fù)雜，新構(gòu)造運動強烈、頻繁[5-7]。從施工技術(shù)上分析，深埋長隧洞施工可能面臨著以下難題：(1) 各個隧洞不同程度地鄰近或穿越至少一條活動斷裂，活動方式以左旋走滑為主，兼有逆沖運動，對與之大角度斜交的隧洞，可能產(chǎn)生錯動變形，破壞支護，表現(xiàn)為沿斷層兩盤的突然相對滑動，工程措施對減少危害很難奏效；(2) 圍巖主要為堅硬脆性的淺變質(zhì)砂板巖，具備儲存高能量的條件，穿越高地應(yīng)力區(qū)時將受到高地應(yīng)力和巖爆的威脅；(3) 砂巖裂隙發(fā)育，沿斷裂帶可能產(chǎn)生高壓力、大流量的涌水和突水；(4) 部分板巖抗壓強度在30 MPa以下，在高地應(yīng)力作用下將產(chǎn)生大變形和長期流變，威脅圍巖穩(wěn)定性；(5) 出入口洞段面臨高邊坡、泥石流、凍土融沉等地質(zhì)災(zāi)害的威脅；(6) 大規(guī)模隧洞施工將打破該區(qū)域脆弱的自然生態(tài)平衡，包括誘發(fā)滑坡和泥石流,使地下水位下降、植被枯萎、土地荒漠。因此，西線工程的深埋長隧洞設(shè)計和施工面臨著巨大的技術(shù)難題。

長距離高揚程管道輸送技術(shù)具有適應(yīng)地形能力強、地質(zhì)條件要求不高，適應(yīng)地震等極端工況能力強，施工相對簡單，滲漏損失少且保護水質(zhì)，輸水快捷高效，對環(huán)境影響小，使用壽命長，具有良好的經(jīng)濟性等優(yōu)點，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，如南水北調(diào)(中線)輸水配套工程、利比亞“大人工河”計劃、以色列北水南調(diào)工程等[8-9]。尤其是與長距離輸水類似的管道石油、天然氣和管道輸煤、礦渣輸送技術(shù)在高海拔、惡劣地質(zhì)條件地區(qū)也有成功應(yīng)用的實例[10-12]，因此對長距離管道輸水技術(shù)在南水北調(diào)西線工程部分高寒峽谷區(qū)域中的適用性進行分析論證，以期長距離管道輸水技術(shù)能在高寒峽谷區(qū)域得到部分應(yīng)用，為南水北調(diào)西線工程的規(guī)劃設(shè)計提供一種新的參考和選擇。

1 管路線路選擇

1.1 選擇原則

(1) 以南水北調(diào)西線規(guī)劃的一期工程為例[3]，自雅礱江支流達曲(阿安)開始調(diào)水，至賈曲在采日瑪引入黃河，總調(diào)水量為40億m3/a。

(2) 原水庫方案不變，共修建有5座水庫，包括阿安引水樞紐(壩高115 m)、仁達引水樞紐(壩高108 m)、上杜柯引水樞紐(壩高104 m)、亞爾堂引水樞紐(壩高123 m)和克柯引水樞紐(壩高63 m)，在水庫之間修建輸水泵站，通過管道將各樞紐串聯(lián)起來。

(3) 原引水路線不變，阿安-仁達段，引水7億m3，通過輸水隧洞(13.6 km)至雅礱江支流泥曲(仁達)；仁達-上杜柯段，引水8億m3，通過輸水隧洞(73 km)至大渡河支流杜柯河(上杜柯)；上杜柯-亞爾堂段，引水11.5億m3，通過輸水隧洞(36.2 km)至大渡河支流麻爾曲(亞爾堂)；亞爾堂-克柯段，引水11.5億m3，通過隧洞(55.4 km)至大渡河支流阿柯河(克柯)；克柯-賈曲段，引水2億m3，通過隧洞(15.5 km、50.4 km)至黃河支流賈曲，通過賈曲在采日瑪引入黃河。

1.2 管道總體布置方案

根據(jù)以上布置原則，布置了輸水管線，各連接管線根據(jù)輸水量不同，依次敷設(shè)1～5根管道，單根管道直徑4 m，單根管輸水量約為8億m3/a，管道采用API 5L螺旋埋弧焊鋼管。除阿安-阿達采用自流以及克柯-采日瑪配置1座泵站外，其余各樞紐均配置2座加壓泵站，采用多級渦殼渦輪泵，揚程200 m～265 m，配置總?cè)萘? 104.5 MW。

管道線路總長289 km，其中管道全長158 km，包括穿越隧洞長度80 km，利用自然河道131 km。管道的總體布置方案如圖1所示。根據(jù)引水樞紐線路分成5段，分別為阿安—仁達、仁達—上杜柯、上杜柯—亞爾堂、亞爾堂—克柯、克柯—采日瑪。管道輸水方案與原隧道方案主要參數(shù)對比如表1所列。

圖1 管道方案與隧洞方案線路比較圖

2 輸水管道設(shè)計

2.1 水力學參數(shù)

輸水管道摩阻計算公式為達西-魏斯巴赫公式[13]，如式(1)所示。

(1)

λ值計算采用柯列勃洛克公式，如式(2)所示

(2)

式中：hf為沿程損失；λ為沿程阻力系數(shù)；l為管道長度；d為管道內(nèi)徑；g為重力加速度；v為流速；Δ為當量粗糙度，取值0.05 mm(管道內(nèi)襯環(huán)氧樹脂)；Re為雷諾數(shù)。各段水力坡度圖見圖2，水力參數(shù)計算結(jié)果見表2。

圖2 各段的水力坡度圖

2.2 水擊的遏制和防護設(shè)計

輸水管道設(shè)計采用以下4種措施來遏制和消除水擊可能造成的危害。

(1) 快速關(guān)閉止回閥。高壓輸水泵站突然停車，管道內(nèi)的水在重力作用下，開始向水泵倒流。在泵站出口管道上配置1個快速關(guān)閉止回閥，要求其關(guān)閉時間不大于0.15 s，這樣在管道內(nèi)的水開始倒流前已關(guān)閉閥門，水不能形成回流，從而遏制停泵水擊的發(fā)生，而常規(guī)輸水技術(shù)一般是在水錘產(chǎn)生后再抵制水錘的作用。

(2) 保證始終滿管運行。使輸水管道在運行時，始終處于滿管流的狀態(tài)。避免了在管道高點(駝峰)位置產(chǎn)生加速流，使管道抽真空，從而有效的遏制了彌合水錘的發(fā)生。輸水管道系統(tǒng)各段在線路選擇時，避免了駝峰的產(chǎn)生，管道中水頭從泵站出來后往上爬升，最高點在管道的終端，中間沒有高點(駝峰)，從而避免了彌合水錘的發(fā)生。

(3) 輸水管道材料壁厚的選擇。高壓輸水管道采用高強度管線鋼，高壓輸水管道內(nèi)發(fā)生水錘，高壓管道采用的壁厚也能滿足由于水錘而造成的管道壓力的增減。

(4) 水擊泄壓閥。在高壓輸水泵站出口管道上配置1個氮氣式水擊泄壓閥，要求水擊泄壓閥的開啟時間不大于10 ms，當水擊波由管道傳輸?shù)奖谜緯r，水擊泄壓閥能夠快速開啟泄壓，避免對泵站管道設(shè)施的破壞。

2.3 水泵站

(1) 泵站工藝流程。3臺水泵為1個系列對應(yīng)1根DN4000的管道，根據(jù)各輸水管段，靈活的增加輸水系列和輸水管道，以達到輸水量的要求。

水庫內(nèi)(水池)的水通過2根引水管灌入1根匯水總管中，經(jīng)管道灌入加壓水泵，水經(jīng)水泵加壓后進入輸水管道。引水管配有1個手動蝶閥用于隔斷。

水泵入口管均配置2個電動蝶閥，1個常開，1個用于正常運行切換和停車時隔斷，如果正常操作閥門出現(xiàn)故障，則通過常開閥門來隔斷，以檢修閥門。

水泵出口管均配置1個快關(guān)式止回閥，該閥能在水倒流發(fā)生前關(guān)閉，有效遏制停車水錘的發(fā)生。水泵出口管均配置2個電動球閥，1個常開，1個用于正常運行切換和停車時隔斷，如果正常操作閥門出現(xiàn)故障，則通過常開閥門來隔斷，以檢修閥門。

水泵出口總管配置1個電磁流量計，用于計量。高壓輸水泵出口總管配置1個壓力變送器，用于測量出口總管的壓力。水泵出口總管配置1臺由氮氣控制開啟的水擊泄壓閥，該閥能快速開啟泄壓，避免水錘對泵站設(shè)施的破壞。

(2) 水泵的選擇。泵站水泵為大流量高揚程泵，結(jié)合已運行的大流量高揚程泵站的實例(美國加州調(diào)水的埃德蒙頓泵站14座立式多級渦輪泵，單泵參數(shù)：額定流量8.92 m3/s，額定揚程600.5 m，電機功率59 656 kw)，選用立式離心泵，可滿足揚程和流量的要求。立式泵結(jié)構(gòu)工藝簡單，泵輪、蝸殼等部件，通?？刹捎煤附咏Y(jié)構(gòu)工藝，只有一個導軸承，這種結(jié)構(gòu)在大型水輪機、水泵水輪機及水泵上廣泛采用，結(jié)構(gòu)成熟可靠。考慮到運行時泵站的流量和揚程可能變化較大，每臺水泵配置1套變頻器，可根據(jù)不同工況調(diào)速運行。

(3) 輸水管道材料選擇。輸水管材可采用國產(chǎn)螺旋縫埋弧焊鋼管(SSAW)，材質(zhì)較輕，強度高，韌性好。其適用于覆土深、地面荷載大的地段。鋼管的密封性好，和其它管材的承插式接口相比較，鋼管的焊接口密封性能好，承壓能力強。鋼管可制成各種折線型，復(fù)雜地形適應(yīng)性強，可方便地與各種閘閥連接，對地基不均勻沉降適應(yīng)能力強，抗震性強。鋼管的弊端是埋地鋼管易受腐蝕，必須做好內(nèi)外防腐，要在現(xiàn)場進行接口焊接，接縫處的內(nèi)外防腐及檢驗。

(4) 輸水泵站站內(nèi)管件和閥門選擇。高壓輸水泵站的站內(nèi)管道、管件滿足AWWA、ASME、ASTM以及API的相關(guān)規(guī)范的要求，或者滿足國內(nèi)標準的要求，但其要求不能低于AWWA、ASME、ASTM以及API。

輸水泵站站內(nèi)閥門主要有以下幾種類型。

① 蝶閥：結(jié)構(gòu)簡單, 開閉迅速，承壓密封性能較差，用于輸水泵站的低壓系統(tǒng)中。

② 閘閥：流體阻力小，密封面受介質(zhì)的沖刷和侵蝕小，外形尺寸較大，開啟需要一定的空間，開閉時間長，用于低壓系統(tǒng)。

③ 球閥：密封性能好，流體阻力小，體積小，啟閉迅速輕便，用于泵站的高壓系統(tǒng)。

④ 止回閥：是遏制水擊發(fā)生重要設(shè)施，為保證管道運行安全采用軸流式止回閥，具有靜音，流道阻力小，關(guān)閉時間短(不大于0.15 s)的特點。

⑤ 水擊泄壓閥：是消除水擊對泵站設(shè)施危害的重要設(shè)施，采用氮氣驅(qū)動，能非常迅速的關(guān)閉，關(guān)閉時間不大于10 ms。

3 水力瞬變分析

水力瞬變分析是對管道在非穩(wěn)態(tài)運行時產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力進行分析。當穩(wěn)態(tài)運行條件發(fā)生變化時，管道中的水由于自身的慣性和壓縮性，其局部壓力將產(chǎn)生劇烈變化，并以聲速進行傳播。穩(wěn)態(tài)運行條件發(fā)生變化主要包括但不限于：管道啟動和停車，閥門關(guān)閉，泵故障及流量變化[14]。

瞬態(tài)分析研究的目的是為了驗證管道和中間站的壓力限制要求，同時為管道過壓保護策略提供依據(jù)[15]。

(1) 壓力波速度。水力瞬態(tài)沖擊壓力在管道中以聲速進行傳播，在輸水管道可用式(3)計算。

(3)

式中：ρl和Kl為水的密度和體積膨脹系數(shù)；D、e和Ep分別為設(shè)計規(guī)格鋼管的外徑、平均壁厚和楊氏彈性模量。

帶入相關(guān)數(shù)值計算得出本工程中的水擊壓力波平均速度為a=1 151.9 m/s。

(2) 模型方程。水力瞬態(tài)分析模型是一種一維非定常模型，其基本方程為：

連續(xù)性方程：

(4)

動量方程：

(5)

式中：H為壓力水頭；V為管內(nèi)水流的線速度；D為管內(nèi)徑；f為Darcy-Weisbach摩擦系數(shù)。

上述方程可通過Streeter V L[16]所提出的特征線法進行求解。利用特征線模型，將偏微分方程組轉(zhuǎn)化為沿特征線的常微分方程，再通過有限體積法對微分方程進行離散，將其轉(zhuǎn)換為代數(shù)方程，從而迭代求解。

(3) 瞬態(tài)壓力分析。各段管道剖面基本類似，瞬態(tài)情況大體相同，亞爾堂—克柯段提升最大，選取這段進行瞬態(tài)分析。表3列出了管道系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的導致管道壓力瞬變的運行情形。

表3 瞬態(tài)分析的運行情況

1號泵站瞬變分析。1號泵站的瞬變分析圖見圖3。根據(jù)瞬變分析，由于流體的慣性，1號泵站在停泵后流速下降，在17.4 s時，逆止閥啟動阻止管內(nèi)水回流，停泵34.0 s后，在泵站處出現(xiàn)壓力最大值(474 m水頭壓力)，停泵61.0 s后，管道內(nèi)壓力變化趨于穩(wěn)定。

圖3 1號泵站的瞬變分析圖

2號泵站瞬變分析。2號泵站的瞬變分析圖見圖4。根據(jù)瞬變分析，由于流體的慣性，2號泵站在停泵后流速下降，在17 s時，逆止閥啟動阻止管內(nèi)水回流，停泵39 s后，在泵站處出現(xiàn)壓力最大值(516 m水頭壓力)，停泵71 s后，管內(nèi)壓力變化趨于穩(wěn)定。

根據(jù)上面的瞬態(tài)分析結(jié)果，在整個工況中沒有出現(xiàn)加速流，并且最大水力坡度線遠遠低于瞬變允許的限制范圍。通過對閥門意外關(guān)閉事件(最壞的情形)進行瞬態(tài)分析，可以得出：從靜態(tài)模型得出的管道壁厚足以應(yīng)對不利工況下的壓力瞬變。

圖4 2號泵站的瞬變分析圖

4 結(jié) 論

結(jié)合南水北電西線一期工程的調(diào)水方案，本文從線路選擇、水力學計算、管路設(shè)計和水擊分析等方面分析論證了長距離高揚程輸水技術(shù)在高寒峽谷區(qū)域的技術(shù)可行性。

(1) 選線靈活性較大，遇高地可以加壓，也可較充分的利用自然河道自流，避免渠道的深挖高填；

(2) 單個隧洞長度較短，埋深較淺，大部分線路施工在地面完成，施工難度小；

(3) 輸水管道全線處于滿管壓力流狀態(tài)，輸水能力強，滲漏損失??；

(4) 通過對管路中的壓力瞬態(tài)分析，輸水管道的管道壁厚滿足各種不利工況下的壓力瞬變要求。

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