南水北調(diào)東線穿黃河工程水力過渡過程模擬計算

李福超，郭學(xué)博，任澤儉，傅題善

(1.南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109；2.山東潤魯工程咨詢集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

南水北調(diào)東線一期穿黃河工程灘地埋管、穿黃隧洞、穿引黃渠埋涵有壓輸水管道，當(dāng)工作閘門開啟或關(guān)閉時，洞內(nèi)水流流速發(fā)生變化，引起水體動量交換，導(dǎo)致沖量改變，對工作閘門產(chǎn)生一定沖擊力，在水體慣性和可壓縮性、洞壁彈性以及系統(tǒng)阻力作用下，會產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，造成洞內(nèi)水流壓力和密度不斷交替變化，壓強(qiáng)時大時小，嚴(yán)重時會對工程管道造成損傷甚至破壞。本文針對穿黃工程有壓輸水管道，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析，并從工程安全運行的角度提出了建議。

1 工程概況

南水北調(diào)東線一期穿黃河工程主要由湖內(nèi)引渠、南岸明渠、灘地埋管、穿黃隧洞、穿引黃渠埋涵和北岸明渠等構(gòu)筑物組成，其中灘地埋管、穿黃隧洞和穿引黃渠埋涵為有壓輸水管道。灘地埋管全長3943m，內(nèi)徑7.5m，為C25F100W8內(nèi)圓外門洞型現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，灘地埋管設(shè)2個檢修井(1#、2#檢修井)，頂部高程分別為43m和43.5m(85高程，下同)；穿黃隧洞包括南岸豎井、過河平洞、北岸斜井及進(jìn)、出口埋管，總長585.38m，內(nèi)徑7.5m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)襯砌；隧洞出口設(shè)隧洞出口閘，閘前后設(shè)置檢修井(3#檢修井)和通氣孔，頂部高程均為41m；隧洞出口閘后接穿引黃渠埋涵，長度為360m，兩孔一聯(lián)，每孔5m×5m，為有壓鋼筋混凝土箱涵。南水北調(diào)東線一期穿黃河工程共設(shè)置四座節(jié)制閘，黃河南北岸各2座，從輸水中第1座及第4座閘出湖閘和穿引黃渠埋涵出口閘)主要參與運行調(diào)度，工程設(shè)計流量為100m3/s。

2 模型建立

2.1 初始條件

在輸水流量一定的情況下，渠埋涵出口閘上下游水位落差越大，開、關(guān)閘門時產(chǎn)生的水擊壓力越大。選取埋涵出口閘上游水位40.00m、下游水位31.00m(接近渠底高程)、流量為100m3/s，作為閘門運行的最不利條件，模擬結(jié)果可作為制定閘門啟閉運行規(guī)則的主要依據(jù)。

2.2 建立模型

2.2.1管道與節(jié)點

以有壓管道模擬穿黃河有壓輸水管路，以灘地埋管入口為管道為0點，穿引黃渠埋涵出口為管道終點，在有壓輸水管道上建立66個節(jié)點，將其劃分為65段，劃分管段最長108.19m，最短29.93m。起點管道中心線高程為32.63m，終點中心線高程為31.29m，隧洞平洞高程為-33.09m。

2.2.2閘門流量系數(shù)

以出湖閘和埋涵出口閘2013—2019年實測運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)淹沒孔流形式分別對閘門流量系數(shù)進(jìn)行率定。已知流量、上下游水位差ΔH、閘孔凈寬b、開閘孔數(shù)n、開閘高度e，對流量系數(shù)μ和相對開度e/ΔH進(jìn)行多項式擬合，分別得出出湖閘流量系數(shù)μ1和埋涵出口閘流量系數(shù)μ2的計算公式：

μ1=-7.995(e/ΔH)2+2.512(e/ΔH)+0.4963

(1)

μ2=0.431(e/ΔH)2-0.209(e/ΔH)+0.578

(2)

2.3 模型率定

選取東平湖出湖閘和穿引黃渠埋涵出口閘的部分實測數(shù)據(jù)，對水力過渡過程計算模型進(jìn)行率定，調(diào)整模型中管道糙率等參數(shù)，使模型計算結(jié)果與實測結(jié)果之間的誤差處于合理范圍之內(nèi)。率定結(jié)果兩者最大誤差分別為2.32%、-2.97%，均處于合理范圍之內(nèi)，表明模型率定效果良好。擬合效果分別如圖1—2所示。

圖1 出湖閘流量系數(shù)擬合效果

圖2 埋涵出口閘流量系數(shù)擬合效果

3 水力過渡過程分析

3.1 穿引黃渠埋涵充水過程計算

在開啟穿引黃渠埋涵出口閘輸水之前，需要先開啟隧洞出口閘對穿引黃渠埋涵進(jìn)行充水，使其滿足有壓輸水條件。分別采用隧洞出口閘線性完全開啟和固定開度小流量充水的方式對穿引黃渠埋涵充水過程進(jìn)行模擬計算，以提出合適的充水方案。

3.1.1隧洞出口閘線性開啟

對隧洞出口閘采用線性完全開啟的方式進(jìn)行埋涵充水，閘門高度為4m，啟閉速度為1.8m/min，完全開啟需要133.3s。隨著閘門開度的增大，充水流量逐漸增大，閘前管道壓力由于水流的泄放開始降低，最低處為1.39m H2O。在123s后埋涵充滿，管線壓力開始上升，最高處達(dá)71.9m H2O，檢修井和通氣孔開始產(chǎn)生溢流，產(chǎn)生溢流總量檢修井溢流量為4820.31m3，通氣孔溢流量為4739.71m3。由于通氣孔設(shè)置在穿引黃渠埋涵進(jìn)口端，采用大流量充水容易發(fā)生排氣不暢現(xiàn)象。因此，不推薦采用此方式進(jìn)行充水。

3.1.2固定開度小流量充水

采用5m3/s的固定流量對穿引黃渠埋涵進(jìn)行充水，待閘后通氣口水面基本穩(wěn)定后完全開啟隧洞出口閘。采用小流量充水方案，歷時2655s充水完畢，充水過程中整條管線壓力較為平穩(wěn)，且檢修井和通氣孔無溢流產(chǎn)生。

3.2 開閘水力過渡過程分析

因穿黃河工程線路長度短、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)以往運行經(jīng)驗，穿引黃渠埋涵出口閘與東平湖出湖閘采用同步聯(lián)動控制的模式。分別模擬同步連續(xù)開閘、分級開閘2種方式，計算有壓管路的最大、最小壓力分布、閘門處的瞬時壓力變化以及管道上檢修井和通氣孔的水位變化情況。

3.2.1同步連續(xù)開閘方式

在穿引黃渠埋涵出口閘上下游最大落差水位、輸水流量為100m3/s最不利工況下，埋涵出口閘的開度為1.53m。穿引黃渠埋涵出口閘啟閉速度為1.85m/min，采用線性連續(xù)開閘方式，閘門開啟時間為49.69s。出湖閘采用聯(lián)動控制的模式同步開啟。計算可知，線性連續(xù)開閘方式下整條管路最大壓力為69.202m H2O，最小壓力為-0.343m H2O。由于開閘速度過快，導(dǎo)致檢修井及通氣孔吸入空氣，造成了穿引黃渠埋涵短時間內(nèi)的無壓輸水，因此不建議采用同步連續(xù)開閘方式。

3.2.2分級開閘方式

在穿引黃渠埋涵出口閘上下游最大落差水位、輸水流量為100m3/s最不利工況下，閘門開度為1.53m，采用分級開閘方式，出湖閘采用同步聯(lián)動模式分級開閘。首先，以5m3/s為分級流量，時間間隔為1min，閘門總開啟時間分別為1189.70s，經(jīng)模擬計算得出，開閘過程中最大壓力為70.321m H2O，最小壓力為4.635m H2O，管道全線無負(fù)壓產(chǎn)生。

分級流量保持不變，再將時間間隔分別增至3、10min進(jìn)行模擬，開閘所形成的最大、最小壓力包絡(luò)線基本一致?？梢钥闯?，以5m3/s為分級流量，保持一定的時間間隔，可以有效緩解埋涵出口閘出水流量增長過快導(dǎo)致通氣孔進(jìn)氣而產(chǎn)生穿引黃渠埋涵無壓輸水的現(xiàn)象，不同的時間間隔對水力過渡過程影響不明顯。

以此類推，當(dāng)分級流量設(shè)為10m3/s時，時間間隔分別取1、3、10min進(jìn)行模擬，隧洞出口閘檢修井和通氣孔處將產(chǎn)生少量溢流，因此建議將分級流量設(shè)為5m3/s。

不同分級開閘方案下的水力過渡過程計算結(jié)果見表1。

表1 不同分級開閘方案水力過渡過程計算結(jié)果

3.3 關(guān)閘水力過渡過程分析

同理分別模擬穿引黃渠埋涵出口閘與東平湖出湖閘在同步連續(xù)關(guān)閘、分級關(guān)閘2種不同方式下的有壓管路最大、最小壓力分布、閘門處的瞬時壓力變化，以及管道上檢修井和通氣孔的水位變化情況。

3.3.1同步連續(xù)關(guān)閘方式

在穿引黃渠埋涵出口閘上下游最大落差水位、目標(biāo)輸水流量為100m3/s最不利運行工況下，穿引黃渠埋涵出口閘閘門開度為1.53m，啟閉速度為1.85m/min，采用線性連續(xù)關(guān)閘方式，閘門關(guān)閉時間為49.69s。出湖閘采用聯(lián)動控制的模式同步關(guān)閉。經(jīng)計算，管道產(chǎn)生最大壓力為71.506mH2O，最小壓力為5.414mH2O。閘門關(guān)閉過程中，隧洞出口閘和穿引黃渠埋涵出口閘以及管道內(nèi)的壓力都呈逐漸增加趨勢，至閘門完全關(guān)閉時，壓力達(dá)到最大，分別為10.852mH2O和14.803mH2O，穿引黃渠埋涵出口閘處的流量減小至零，閘前壓力開始振蕩并遞減，隧洞出口閘由于水擊波的振蕩而導(dǎo)致前后檢修井和通氣孔持續(xù)溢流。檢修井和通氣孔的總溢流量分別為3288.64m3和3472.85m3。因此不建議采取同步連續(xù)關(guān)閘方式。

3.3.2分級關(guān)閘方式

在穿引黃渠埋涵出口閘上下游最大落差水位運行工況、目標(biāo)輸水流量為100m3/s最不利工況下，閘門開度為1.53m，采用分級關(guān)閘方式，出湖閘采用聯(lián)動控制的模式同步分級關(guān)閉。首先，以5m3/s為分級流量，時間間隔為1min，閘門總關(guān)閉時間分別為1189.70s。經(jīng)計算，輸水管道壓力包絡(luò)線最大壓力為70.349mH2O，最小壓力為4.328mH2O，檢修井和通氣孔溢流量分別為142.36m3和46.72m3。

分級流量保持不變，再將時間間隔分別增至3、10min進(jìn)行模擬，關(guān)閘所形成的最大、最小壓力包絡(luò)線基本一致，檢修井和通氣孔溢流量變化不大?？梢钥闯?，以5m3/s為分級流量，保持一定的時間間隔，可以有效緩解埋涵出口閘出水流量降低過快導(dǎo)致輸水管道內(nèi)壓力增長過快造成的檢修井和通氣孔溢流現(xiàn)象，分級關(guān)閘方式對于減小溢流作用十分明顯，但不同時間間隔對水力過渡過程影響不明顯。

以此類推，當(dāng)分級流量設(shè)為10m3/s時，時間間隔分別取1、3、10min進(jìn)行模擬，關(guān)閘所形成的最大、最小壓力包絡(luò)線基本一致，但檢修井和通氣孔處溢流量明顯增大，因此建議將分級流量設(shè)為5m3/s。不同分級關(guān)閘方案下水力過渡過程計算結(jié)果，見表2。

表2 不同關(guān)閘方案水力過渡過程計算結(jié)果

4 工程運行建議

通過以上水力過渡過程模擬計算結(jié)果，從工程安全的角度提出以下3條建議。

4.1 充水過程

開啟隧洞處水閘對穿引黃渠埋涵進(jìn)行充水時，應(yīng)采用固定小流量充水方案，待通氣孔水位與上游水位相平并且穩(wěn)定之后，再完全開啟隧洞出口閘。建議充水流量為5m3/s，一方面，超過此充水流量會產(chǎn)生一定的水擊波，造成檢修井和通氣孔的少量溢流；另一方面，由于通氣孔設(shè)置在穿引黃渠埋涵進(jìn)口端，采用大流量充水容易發(fā)生排氣不暢現(xiàn)象。

4.2 開閘過程

開啟穿引黃渠埋涵出口閘時，應(yīng)采取分級開閘方式，以免檢修井和通氣孔產(chǎn)生吸入大量空氣使穿引黃渠埋涵形成長時間的無壓流或明滿流交替狀態(tài)；每次增加的流量應(yīng)控制在5m3/s之內(nèi)，防止管道內(nèi)壓力產(chǎn)生較大波動，造成檢修井和通氣孔產(chǎn)生溢流；對于分級開閘，分級間隔時間長短對于壓力以及水位的變化幅度及趨勢影響很小，建議時間1min以上，可根據(jù)上級調(diào)度運行指令進(jìn)行確定。

4.3 關(guān)閘過程

關(guān)閉穿引黃渠埋涵出口閘時，應(yīng)采取分級關(guān)閘方案，以免產(chǎn)生較大水擊壓力，使得檢修井和通氣孔產(chǎn)生大量溢流；每次減小的流量應(yīng)控制在5m3/s之內(nèi)，防止管道內(nèi)壓力產(chǎn)生較大波動，同時避免下游渠道水位降落過快；對于分級開閘，分級間隔時間長短對于壓力以及水位的變化幅度及趨勢影響較小，建議時間1min以上，可根據(jù)上級調(diào)度運行指令進(jìn)行確定。

5 結(jié)語

通過模擬穿黃工程水力過渡過程，分析出了造成有壓管道水擊的主要因素，采用分級調(diào)節(jié)、控制分級流量和間隔時間的方式，能夠有效降低水擊發(fā)生的概率，減少工程溢流。據(jù)此，提出了穿黃工程調(diào)度運行方案建議，為保障工程安全平穩(wěn)運行提供了有力的理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐，對類似工程具有重要借鑒意義。由于長距離輸水管道水力過渡過程比較復(fù)雜，涉及的理論和問題較多，在模型計算精確度和效率方面還需要進(jìn)一步提升。