珠江三角洲水資源配置工程鯉魚洲—高新沙段輸水系統(tǒng)水力過渡過程分析計算

陳小云,馮文濤,穆祥鵬

(1.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510635；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 武漢 430012；3.中國水利水電科學(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、進庫閘4座、進水閘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泵站，安裝8臺立式蝸殼離心泵(6用2備)，設(shè)計揚程為41.1m，單泵設(shè)計流量為15 m3/s，總抽水流量為80 m3/s，總裝機容量為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、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、大流量運行時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，開啟補水管頭部的控制閥，從泵站前池向高位水池補水。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0.95 MPa，為長距離、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[2]；泵站運行工況復(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，水錘防護措施不當(dāng)會危及系統(tǒng)的運行安全[3]。同時，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，針對系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的水錘問題，需對鯉魚洲泵站事故停泵、正常開機、正常關(guān)機、蝶閥拒動等工況進行了水力過渡過程分析計算，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)的水錘防護措施，為泵站及輸水系統(tǒng)設(shè)計及安全運行提供依據(jù)。

3.1 節(jié)點水位及計算工況

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時單管運行；輸水流量80 m3/s時雙管運行，管道糙率范圍為0.01～0.015，各節(jié)點水位見表1。

表1 各節(jié)點水位 m

本次分析計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))，計算工況見表2。

表2 計算工況

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

沿特征線對上述常微分方程進行差分，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是上一時刻的已知量，具體表達式為：

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)時間不超過2 min[9]。

3)水泵低于40%額定轉(zhuǎn)速持續(xù)時間不超過 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 計算結(jié)果及分析

3.4.1計算結(jié)果

各工況下水力過渡過程計算結(jié)果見表3。

3.4.2計算結(jié)果分析

1)水泵特性

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

表3 水力過渡過程計算成果 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臺機組順次停機工況，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臺運行，1臺開啟，鯉魚洲高位水池進出流量最大時，6臺同時事故斷電的工況。該工況下，水泵60%額定轉(zhuǎn)速下變頻啟動，50 s線性開閥，在啟動后變頻至額定轉(zhuǎn)速后約10 s高位水池進出水量達到最大，此時6臺機同時事故斷電，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號及14號工況下水泵出口閥后壓力波動如圖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臺運行，其中3臺依次關(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)閉時間取300 s時，最高壓力為114.13 m，當(dāng)末端閘門關(guān)閉時間延長至360 m時，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、水泵最小揚程、6臺運行機組同時事故斷電、水泵后控制閥關(guān)閉的工況，出現(xiàn)在輸水隧洞首端，此時鯉魚洲高位水池出現(xiàn)露底。

16號和7號工況下，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)計揚程、6臺機組順次停機的工況，此時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，在上述兩個工況的水力過渡過程中，開啟補水管頭部的控制閥，從鯉魚洲泵站前池向鯉魚洲高位水池補水。補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，同時管線壓力極值也均滿足安全要求。補水后的計算結(jié)果見表4所示。

表4 鯉魚洲高位水池補水工況下計算成果 m

4 結(jié)語

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

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要求。

2)補水管對高位水池補水，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，水泵的機組均不會發(fā)生倒轉(zhuǎn)。

4)水泵按照60%額定轉(zhuǎn)速啟動，蝶閥50 s線性開啟，水泵機組順次間隔90 s啟動，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滿足設(shè)計要求。

5)正常停機時，各臺機組順次停機的時間間隔不低于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滿足設(shè)計要求。

6)管道檢修時，3臺水泵機組間隔30 s正常停機，約1 200 s后系統(tǒng)水力波動趨于穩(wěn)定，此時利用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臺運行水泵順次降頻，3臺機組的降頻間隔為20 min，可以保證系統(tǒng)水力瞬變過程平穩(wěn)、安全。