珠江三角洲水資源配置工程輸水隧洞糙率取值范圍研究

秦曉川

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

1 工程背景

珠江三角洲水資源配置工程輸水線路總長為 131.2 km，取水點為佛山市順德區(qū)杏壇鎮(zhèn)西江干流中央的鯉魚洲島端部，設有3級泵站，其中第一級鯉魚洲取水泵站—高新沙水庫段雙線壓力輸水隧洞長為 41 km，采用D6.0 m盾構(gòu)隧洞內(nèi)襯DN4.8 m鋼管的結(jié)構(gòu)形式。泵站前池和交水點水庫設計水位分別是 0.39 m和4.2 m，幾何高差為3.81 m，本工程設計流量為 80 m3/s，最小流量為20 m3/s，按照管道糙率n=0.014計算，設計揚程為42.2 m，隧洞沿程水頭損失占總揚程的比例為91.0%。小流量和小糙率情況下，最小揚程為10.7 m，因此，隧洞糙率的變化將對泵站設計揚程產(chǎn)生很大影響，該段線路壓力坡度線示意見圖1。第二級泵站高新沙水庫—東莞沙溪分水口段單線壓力輸水隧洞長為28.3 km，采用D8.3 m盾構(gòu)隧洞內(nèi)襯D6.4 m預應力混凝土結(jié)構(gòu)形式，泵站前池和沙溪分水口水位分別是4.2 m和44.75 m，幾何高差為40.55 m，設計流量Q=60 m3/s，按照管道糙率n=0.014計算，設計揚程為55.5 m，隧洞沿程水頭損失占總揚程的比例為26.9%。

圖1 壓力輸水隧洞壓力坡度線示意

由于南方地區(qū)輸水管道中普遍容易附著生長一種淡水殼菜(俗稱沼蛤，別名“死不了”或“死不丟”)，導致管道糙率在運行初期和運行一段時間后發(fā)生變化，淡水殼菜1 a有3次繁殖，每次繁殖有2個高峰，1 a有6個繁殖高峰，幼蟲的生長速度大約2 mm/月。當前采用的防治方法有過濾、防生物涂料、機械清除、化學殺滅等手段，但都存在弊端，效果有限或成本較大，現(xiàn)狀研究成果存在以下不足之處：一是目前研究投入及采用的技術(shù)手段較為有限，尚未找到能推廣應用的有效防治方法，尤其在供水工程中更沒有成功案例；二是大部分研究是針對小流量工程進行，其成果即使成功也可能無法在大流量供水工程中實施或應用；三是相關(guān)研究沒有結(jié)合長距離輸水建筑物的經(jīng)濟效益、砼(鋼)結(jié)構(gòu)安全保護、水質(zhì)安全等需求進行，實用性不強。特別是針對長距離大流量輸水工程的生物附著目前沒有根本的解決辦法。經(jīng)過多年的試驗表明，淡水殼菜無論對輸水鋼管還是混凝土管，或者對于涂有普通防腐涂料的管道，均會大面積附著生長，因此，本工程對于鯉魚洲一級泵站和高新沙二級泵站等輸水隧洞，均要考慮輸水隧洞的糙率范圍。由于本工程每年只有1次1個月的檢修期，取水泵站必然要面對輸水隧洞糙率變化導致的揚程變化問題。如果機組選擇不當，在每年的后期，有可能使機組處于非最優(yōu)運行工況，甚至影響供水能力。由于輸水隧洞距離長，工作區(qū)間即相鄰工作井之間的距離長達3.5 km，人員進出和長時間管道內(nèi)作業(yè)存在諸多困難，在每年的清理期很難完全清除干凈，所以需要在設計之初從泵組設備選型上考慮輸水隧洞動態(tài)糙率的影響。

2 糙率取值范圍

考慮到管道內(nèi)壁隨著運行時間的增加和淡水殼菜的繁殖[1-2]，管道糙率會逐步增加；經(jīng)過停水檢修期，附著在隧洞內(nèi)壁的淡水殼菜死亡和脫落，人工對管道內(nèi)淡水殼菜清理后管道糙率又恢復到或接近最初的糙率，管道糙率需按一定范圍進行選擇。目前規(guī)范和有關(guān)論文里針對長距離輸水工程的糙率范圍研究主要是基于施工工藝、測量和管材[3-4]，針對生物生長的動態(tài)糙率未能引起足夠的重視。

對于輸水隧洞的最小糙率nmin，本工程輸水隧洞內(nèi)襯鋼管采用熔結(jié)環(huán)氧粉末作為防腐層，由于涂層非常光滑，根據(jù)《室外給水設計規(guī)范》，按照涂塑鋼管，糙率最小取n=0.010。實際涂層施工后的初期運行工況下，糙率會低于0.010，這就要求系統(tǒng)具有彈性，在更低糙率下，同樣能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

對于輸水隧洞的最大糙率nmax，即輸水隧洞設計糙率n，由于當前沒有現(xiàn)成的方法計算淡水殼菜繁殖后的輸水管道糙率，只能依據(jù)現(xiàn)有同類工程經(jīng)驗假定淡水殼菜繁殖后的管道糙率。在機組選型過程中，最大糙率如果考慮不足，導致將來整個工程供水量達不到設計規(guī)模，嚴重影響工程效益；選取的隧洞設計糙率越大，意味著隧洞經(jīng)濟洞徑和泵站設計揚程增加，會增加工程的建設費用；選取的最大糙率過大，如果實際運行時遠遠達不到，機組長期運行工況點不在最優(yōu)點，效率降低，則造成浪費。設計糙率與最低糙率范圍太大，可能會導致同一種機型無法滿足揚程變幅需要，需要配置多種泵型，一方面廠房面積增加，土建和機組設備投資也會增加，另一方面，不同類型機組給運行管理維護帶來一定的困難。因此，從經(jīng)濟和管理角度考慮，管道設計糙率變化應盡可能選擇在合理范圍內(nèi)。

研究團隊結(jié)合廣東省水利科技創(chuàng)新項目“輸水工程水生物侵蝕防治技術(shù)研究”的科研成果，調(diào)研了多個引水工程，包括本工程取水口附近的右灘水廠、均安水廠，廣州市南洲水廠原水輸水管工程、東深供水改造工程、廣州蓄能水電廠引水管道、深圳市供水系統(tǒng)、深圳市東江引水工程等。廣州市南洲水廠原水輸水管，某次測量得出水量下降3.05%，泵站出口壓力上升2.77%，推算糙率上升約4.2%～5%[5-6]；深圳市東江水源工程連續(xù)2～3 a不清洗管涵，淡水殼菜成體充分生長并將縮減有效管徑的5%[7]，推算糙率上升約15.4%；據(jù)了解，上海某原水工程隧洞糙率也一度達到了0.018～0.022，高出設計糙率(n=0.015)約22%～39%；東深供水改造工程司馬雙孔有壓箱涵設計糙率為0.015，馮文濤根據(jù)東深供水工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，反算出2011年1—11月司馬箱涵等效糙率為0.013 7～0.015 9，隨著運行時間的增加，預測司馬箱涵年中不清理淡水殼菜的情況會增加至0.017 5以上[8]；李代茂等于2004年11月—2005年11月在東深供水工程太園反虹涵段進行了水力試驗，結(jié)果顯示不同月份的糙率變化較大，最小值為0.011 4，最大值為0.016 7[9]。

通過對淡水殼菜的有關(guān)特性進行研究表明，淡水殼菜以水體中的有機質(zhì)顆粒為食，需要消耗水體中的氧氣，具有顯著的趨暗性[10]。由于輸水管道中有機質(zhì)、氧氣等淡水殼菜生長要素的含量隨管道長度遞減，淡水殼菜附著密度也隨距離發(fā)生變化。通過對深圳東江水源工程和東深供水改造工程沿線淡水殼菜統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，前者淡水殼菜主要分布在距離取水口10 km之內(nèi)的輸水管道中[11]，后者主要集中在倒虹吸和壓力箱涵中，如距離橋頭鎮(zhèn)太園泵站取水口200 m的太園反虹涵，距離取水口600 m的潼湖反虹涵，直至距離取水口7.34 km的司馬有壓箱涵，生長厚度為1～3 cm，局部聚集處達4～5 cm厚。其余53 km的明槽、渡槽等光線充足的地方以及壓力箱涵均生長很少或沒有生長[12]。本工程鯉魚洲取水泵站后壓力管道長40 km，根據(jù)前述工程，通過假定淡水殼菜生長厚度為2 cm，根據(jù)雷諾數(shù)Re和絕對粗糙度Δ=2 cm，由尼古拉茲公式計算水力粗糙區(qū)沿程水頭損失系數(shù)λ=0.028 7，根據(jù)相對粗糙度Δ/d=0.004查莫迪圖所得結(jié)果一致，再試算出相當于糙率n=0.019 8。因此，對于前段10 km隧洞糙率上升到最高0.019 8，其余段生長相對較少，糙率取0.013，水頭損失基本相當于全線糙率為n=0.014。因此，通過以上對同類工程局部最大糙率和綜合整條管道的淡水殼菜繁殖分布情況來考慮，確定本工程鯉魚洲至高新沙段輸水隧洞基本糙率為0.012，最低糙率為0.010，設計糙率為0.014，將n=0.015作為系統(tǒng)最大糙率進行校核，即機組要保證在最大糙率的揚程下，仍然能夠基本滿足設計規(guī)模的抽水流量。

3 對機組選型和運行的影響

鯉魚洲取水泵站計入糙率變化后(n=0.010～0.014)管道糙率與揚程關(guān)系見表1。

表1 管道糙率與揚程關(guān)系

按高糙率下的揚程選機，管道糙率與機組功率關(guān)系見表2，機組功率增加16.67～37.5%，設備投資增加4.01%～12.79%。當滿足最大糙率n=0.015時，設備增加投資僅占泵站總投資的1.244%，影響很小。因此，按高糙率選型雖然水泵的功率增加了，但投資增加有限。

為適應低糙率情況下的運行需要，需為水泵設置變頻裝置，降速至約87%，按照水泵性能曲線，變頻后的運行功率和運行效率與按基本糙率n=0.012選型基本一致，對運行費用無影響，只是存在一些變頻器自身的損耗。

同時，當管道糙率繼續(xù)上升至0.015后，根據(jù)水泵曲線，設計流量稍有下降，在工程允許范圍內(nèi)，仍然滿足工程供水需要。

表2 管道糙率與機組功率關(guān)系

4 利用工程措施解決小糙率機組揚程問題

在極端工況下，取水口最高運行水位7.78 m和末端水庫最低水位-1.7 m，管道在最小糙率情況下，機組揚程為0 m，大大低于目前國內(nèi)外該種立式離心泵的揚程變幅范圍，必須采用工程措施解決。通常的做法是在泵站出口增加高位水池，即，將機組的最小揚程限制在一個固定值。而高位水池的設置會帶來至少2個方面問題：一是增加了小糙率的運行電費；二是小糙率情況下，溢流堰會跌水，將摻氣帶入隧洞，給運行帶來隱患。因此，本工程在鯉魚洲泵站后設置高位水池，通過水力模型試驗顯示，高位水池的內(nèi)徑盡量大，以便降低池內(nèi)水流通過的流速，減少摻氣潛入輸水隧洞數(shù)量，增加水池直徑，投資會增加，大直徑高聳水池采用預應力混凝土結(jié)構(gòu)，也會帶來施工不便，因此，應盡可能降低溢流堰與最低水位之間的高差，要求機組的揚程范圍盡量寬。本工程在水泵和電機招標中，所選中的機組最低可降速至50%額定轉(zhuǎn)速，根據(jù)這個范圍，取水口水位最高7.78 m時，水泵最低揚程為10.7 m。堰頂高程根據(jù)機組適應性降至18 m，最大落差降低為14 m，最終確定高位水池直徑由為24 m，同時，在溢流堰高程上，布置特殊結(jié)構(gòu)的整流格柵，很好地解決了高位水池摻氣問題。

5 結(jié)語

1)通過對輸水工程中的淡水殼菜調(diào)查、研究，認為在珠三角水資源配置工程中，將管道設計糙率適當提高，以應付淡水殼菜附著于管道內(nèi)壁造成的水頭損失增加。通過對已建工程的糙率反演分析，以及根據(jù)本工程特點，將隧洞糙率區(qū)間確定為n=0.010～0.014，并將n=0.012作為基本糙率進行方案比較，將n=0.014作為機組設計點，將n=0.015作為最大糙率來進行系統(tǒng)校核，相對于n=0.012固定糙率情況下，鯉魚洲取水泵站機組功率和投資增加，但對投資影響和泵站運行費用影響很小，即使長期運行于低糙率，對能耗也無影響。從提高工程的抗風險能力方面考慮，按高管道糙率系數(shù)進行機組選型是必要的。

2)長距離輸水工程的水生物防治研究也越來越受到重視，2015年度廣東省水利科技創(chuàng)新項目“輸水工程水生物侵蝕防治技術(shù)研究”，主要是通過現(xiàn)場驗證的方式來篩選效果好的防淡水殼菜附著的涂料，從目前試驗情況看，低表面能(憎水型)涂料和專門的防貝涂料有效果，效果最好的是仿生涂料，但考慮到淡水殼菜的選擇性特性，需要繼續(xù)跟蹤驗證涂料的長期防貝效果及物理耐久性。

3)隨著科技的發(fā)展，水下機器人可以在線進行洞壁附著生物的清理[13]，將為節(jié)約整個輸水系統(tǒng)的能耗做出貢獻。