彭志远 桂绍波 田子勤 王豪

摘要：针对长距离重力自流输水管线末端控流设施关闭的情形，以罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程为例，采用Surge-2000计算软件建立水力过渡过程数值仿真计算模型，对施工支洞改建为调压井和不设调压井的两种条件分别进行计算分析，对比输水系统在相同控制工况下，末端控流设施采用相同关闭规律下的压力变化情况以及输水系统全线压力波动情况。结果表明：① 将施工支洞改建为调压井后，能够有效遏制末端控流设施在快速关闭条件下的末端控流设施以及输水管线系统全线的压力振荡，加速压力收敛，有利于长距离重力自流输水管线在发生水力过渡过程的系统稳定，使得系统更加安全；② 在相同允许压力上升值的条件下，采用将施工支洞改建为调压井后的重力自流管线系统，其末端的控流设施可加快动作速率，提高系统的灵活性和快速响应能力。研究成果已成功应用于罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程，使其更加安全、灵活、可靠。研究成果可为今后类似工程项目提供参考。

關 键 词：

输水隧洞； 施工支洞； 调压井； 长距离重力自流； 末端控流； 水锤影响; 罗田水库； 铁岗水库

中图法分类号： TV672.1

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.045

0 引 言

针对长距离重力自流输水管线末端控流设施的关闭情形［1-3］，为遏制末端控流设施关闭过程中的压力波动，通常采用的技术手段有：① 延长末端控流设施的关闭时间［4-6］；② 调整末端控流设施的流量特性曲线，使其开度-流量曲线尽可能接近比例型阀门［7-8］；③ 在末端增设泄压措施，当压力超过一定限值时进行泄压［9-10］。但是，延长末端控流设施的关闭时间，将降低输水系统的运行调度灵活性，特别是在应对紧急突发事件时，不利于快速响应；调整末端控流设施的流量特性曲线，开发难度大，设计、制造周期长；在末端增设泄压措施，不得不考虑泄压排水，对于一些深埋隧洞工程，泄压排水难度大，且泄压设施可能因长期不动作而发生锈蚀，运行维护风险较大。

本文依托罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程，提出一种将已有施工支洞改建为调压井的方法，通过数

值计算仿真模拟，分析论证施工支洞改调压井对末端控流设施的水锤影响。

1 工程概况

1.1 工程布置及任务

罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程（以下简称“罗-铁工程”）是珠江三角洲水资源配置工程在深圳市的配套项目之一，工程全线位于深圳市西部城区。输水隧洞自宝安区松岗镇东北部罗田水库取水，总体由北往南，将西江水引入铁岗水库。工程主要任务是将西江来水在深圳市内进行合理分配，实现新增境外水的优化配置，保障西部片区的供水安全，满足远期宝安区、光明区、南山区（部分）的供水需求。

输水系统建筑物主要包括：进水口（含罗田水厂分水支线B取水口）、输水干线、罗田阀室（靠近罗田水库取水口，含罗田水厂分水支线A取水口和干线分段检修阀室、深圳分干线供水口、1号施工支洞）、公明

检修排水井（罗田水库侧输水干线检修排水泵房）、五指耙水厂分水井（含干线分段检修阀室、五指耙分水口）、长流陂阀室（长流陂分水口以及铁岗水库侧输水干线检修排水泵房，2号施工支洞）、3号施工支洞（兼做输水干线调压室）、铁岗工作井（盾构机井，后期回填）、铁岗水库出水口建筑物等。

输水系统布置如图1所示。

1.2 设计流量及规模

罗-铁工程输水干线分区间段以及各分水支线设计流量如表1所示。

1.3 特征水位

罗田水库特征水位如下：

校核洪水位为35.89 m，

设计洪水位为35.11 m，

正常蓄水位为33.09 m，

死水位为19.00 m，

进水口设计水位为28.09 m，

罗田水厂提升泵站进水池设计运行水位为32.26 m，

珠三角工程检修期罗田水厂备用供水支线进口设计水位为25.00 m。

铁岗水位水库特征水位如下：

校核洪水位为29.29 m，

设计洪水位为28.80 m，

正常蓄水位为28.70 m，

罗铁隧洞出水口设计水位为25.00 m，

出水池最低水位为23.00 m，

反供五指耙水厂、长流陂水厂的最低水位为25.90 m。

公明水库特征水位如下：

公明水库校核洪水位为60.97 m，

设计洪水位为60.68 m，

公明水库正常蓄水位为59.70 m，

公明水库死水位为26.50 m，

向铁岗水库进行反向供水限制水位为40.00 m。

各水厂进水池水位如下：

罗田水厂为36.50 m，

五指耙水厂为23.45 m，

长流陂水厂为23.40 m。

2 数学模型

2.1 输水系统计算简图

罗-铁工程输水系统水力过渡过程计算简图如图2所示。

2.2 水锤计算的特征方程

描述任意管道中的水流运动状态的基本方程［11］为

QAHx+Ht+a2gAQx-QAsinβ=0（1）

gHx+QA2Qx+1AQt+fQ|Q|2DA2=0（2）

式中：H为测压管水头；Q为流量；D为管道直径；A为管道面积；t为时间变量；a为水锤波速；g为重力加速度；x为沿管轴线的距离；f为摩阻系数；β为管轴线与水平面的夹角。

2.3 双向调压井的数学模型

双向调压井数学模型［11］为

HD，t=Zt+αQD，tQD，t（3）

Zt=Zt-Δt+QD，t+QD，t-ΔtΔt/2F（4）

式中：HD，t和QD，t为D点t时刻的水头和流量；

Zt为t时刻的调压室水位；F为调压室面积；

α为阻抗孔损失系数；Δt为时间步长。

2.4 施工支洞的近似模拟

考虑施工支洞有条件改建为调压井［12］，且调压井离出口闸门越近，抑制水锤压力效果越显著［13］，罗-铁工程中的一处施工支洞在输水干线桩号16+227.65 位置接入输水干线，具备改建为调压井的有利条件，初步考虑将该施工支洞改建为调压井。

该施工支洞的截面为城门洞形，截面积约46.62 m2，按9.1%坡度由输水干管向外延伸，如图3和图4所示。

考虑调压井中的水位波动是重力波，因此把该施工支洞改为调压井后，调压井的断面应按施工支洞截面的水平投影面积来取，约715 m2。

2.5 输水干线及分水支线阀（闸）门特性

各阀门、闸门布置详见图1，阀门、闸门配置参数如表2所列。

本工程所采用的各口径调流阀的流量特性曲线如图5所示。

2.6 计算程序說明

本文采用PIPE2010：Surge开展水锤防护计算分析［14］，该计算软件是由美国Kentucky大学研发的水锤分析软件，可以输出每个水力元件、管道节点每个时刻的压力变化历时曲线、水泵转速（流量）变化历时曲线、空气阀内空气体积变化历时曲线、管道内稳态流速、管道瞬态流量变化历时曲线、稳态水力坡度线和各种瞬态流的水击包络线等，并输出各个节点最大值、最小值和稳态值及其相应的发生时间等。软件输出结果可为优化水泵启泵开阀、停泵关阀及掌握重力流末端流量调节阀开阀、关阀规律等提供依据，并借此提出一套技术可靠、经济合理而且管理方便的综合水锤防护方案，防止输水系统发生破坏性的水锤危害。

3 施工支洞改调压井方案对比分析

3.1 控制工况

闸门最大压力的控制工况为：罗田水库最高水位33.09 m，铁岗水库最低运行水位23.00 m，调流阀A1、A2、B1、B2、C1、C2、E、F1、F2关闭，仅闸门D正常开启，流入铁岗水库流量为设计流量，闸门D初始开度为18.5%，然后按1 200 s一段式直线关闭规律（由全开度关至0）突然关闭。

3.2 对比分析

在控制工况下，出口闸门仍采用1 200 s一段直线关闭规律，分别在设置调压井和不设置调压井两种条件下进行水力过渡过程计算，计算结果如图6～8所示。

由图6可知，在控制工况下，当输水干管出口闸门采用1 200 s一段直线关闭规律时，若不设置调压井，闸前最大压力水头为28.10 m；若设置调压井，闸前最大压力水头为21.90 m，小于不设置调压井时的闸前最大压力水头。

由图7和图8对比分析可知，在控制工况下，若不设置调压井，输水干线沿线压力波动范围更大；设置调压井后，输水干线沿线压力波动范围变窄，输水干线全线压力更易收敛，输水系统更加稳定。

因此，施工支洞改调压井方案对闸门关闭过程中水锤的波动幅度有一定抑制作用，且有利于输水干线系统的稳定。

4 闸门关闭规律优化设计

由第3节计算分析可知，将施工支洞改为调压井后，闸门在关闭过程中阀前压力水头上升和下降极值得到明显改善，且输水干线全线压力水头波动更易收敛。考虑闸门关闭时间越短，闸前压力水头上升幅度越大［15-17］，施工支洞改为调压井后的闸门关闭时间存在一定的优化空间。

对闸门的关闭时间进行敏感性分析，分别计算900，600，300，200，180，150，120，100，60 s一段直线关闭规律下闸前压力，计算结果如图9所示。

由图9可知，设调压井方案下，在200～900 s闸门关闭时间范围内，随着关闸时间逐步减小，闸前最大压力没有太大变化，主要是因为闸门在200 s以上的时间内关闭，闸前最大压力受调压井涌浪遏制，所以变化很小；在60～200 s区间，随着关闸时间逐步减少，闸前的压力上升速度逐渐超过涌浪上升速度，闸前最大压力变化显著。

综上，施工支洞改建为调压井后，末端闸门的关闭时间可相应优化至200 s，有助于提高输水隧洞运行调度的灵活性，提高罗-铁工程的紧急避险、快速响应能力。

5 结 论

本文依托罗-铁工程，针对长距离重力自流输水管线末端控流设施关闭情形，提出将施工支洞改建为调压井的水锤防护措施，通过分析对比，可得到以下结论。

（1） 施工支洞改建为调压井后，其获得的调压井面积远大于交通洞的断面面积。

（2） 施工支洞改建为调压井，能够有效遏制末端控流设施在快速关闭条件下的末端控流设施以及输水管线系统全线的压力振荡，加速压力收敛，有利于长距离重力自流输水管线在水力过渡过程中的系统稳定，系统更加安全。

（3） 在相同允许压力上升值的条件下，采用将施工支洞改建为调压井的重力自流管线系统，其末端控流设施的动作速率更快，系统的灵活性和快速响应能力得到提升。

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（编辑：郭甜甜）