深埋隧洞重力自流输水快速关停策略研究
彭志远 桂绍波 田子勤
摘要：为提高深埋隧洞重力自流输水系统应对突发事件的快速响应能力，以罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程为例，通过建立水力过渡过程数值计算仿真模型，对闸门或阀门的特性及布置等因素进行了分析，提出了一种可提高输水隧洞水流截断速度并保证系统运行安全性的有效阀门快速关停策略。研究成果对其他类似工程具有一定的参考价值。
关键词：水锤防护; 深埋隧洞; 数值计算; 关停策略
中图法分类号：TV732.5 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.06.017
文章编号：1006 - 0081（2022）06 - 0092 - 07
0 引 言
为了解决大城市缺水问题，越来越多的深埋隧洞重力自流输水工程开展建设。深埋隧洞重力流有压输水水流充满整个隧洞，输水量、水流惯性和隧洞低点受到的内水压力均较大，一旦在繁华城区发生爆管等突发事件，需要在短时间内快速关闭以减小损失。为确保输水系统安全，输水系统出口闸门关闭往往需要较长时间。为此，工程界、学术界开展了大量研究，徐燕、梅青等研究了长距离有压输水管道关阀水锤，对防护设备的选型和布置做了总结[1-2];陈聃[3]结合管线布置特点，对有连续性驼峰有压输水管路的水锤特性进行了研究，提出了有针对性的防护措施和计算方法。朱洪兵等[4]对长距离有压重力流输水管材进行了比选分析。王龙众、许从愿等对长距离有压重力流输水管道设计特点进行了归纳总结，并对水锤防护设计进行了探讨[5-6]。
为提高深埋隧洞重力自流输水系统应对突发事件的快速响应能力，本文以罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程为例，通过建立水力过渡过程数值计算仿真模型，对闸门或阀门特性及布置等因素进行分析。提出了一种可提高输水隧洞水流截断速度并保证系统运行安全性的有效阀门快速关停策略。
1 数学模型
1.1 水锤计算特征方程
任意管道中水流运动状态的基本方程为
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。
式（1）～（2）可简化为标准的双曲型偏微分方程，从而可利用特征线法将其转化成同解的管道水锤计算特征相容方程。对于管道A-B（图1），其两端点A，B边界在t时刻的瞬态水头HA（t），HB（t）和瞬态流量QA（t），QB（t）可建立如下特征相容方程：
C-：HA（t）=CM+RMQA（t） （3）
C+：HB（t）=CP-RPQB（t） （4）
式中：CM为C+方程常数;Cp为C-方程常数;RM为C+方程流量系數;Rp为C-方程流量系数。式（3）～（4）均只有两个未知数，将其分别与A，B节点的边界条件联列计算，即可求得A，B节点的瞬态参数。
1.2 进、出水池边界条件
假设进、出水池水位是常数，其边界方程为
HP=Hres=常数 （5）
式中：HP为t时刻的管道进口水头;Hres为进水池水位。
1.3 阀门边界条件
阀门的边界条件方程同管道特征线方程，其连续性方程和能量守恒方程如下：
连续性方程为
Qp1=Qp2=Qp （6）
能量守恒方程为
Hp1-ΔH=Hp2 （7）
式中：Qp1为流入流量;Qp2为流出流量;Qp为阀门流量;Hp1为阀前水头;Hp2为阀后水头;[ΔH]为阀门过流水力损失，其数学表达式为
式中：Q0为阀门全开时的流量;τ为阀门的无量纲开度。
2 工程实例
2.1 工程概况
罗田水库-铁岗水库输水隧洞连通上游水库和下游水库。上游水库水位59.70 m，下游水库水位23.00 m，输水隧洞总长度约34 km，隧洞内径5.2 m，输水流量30.10 m3/s，上、下游水库均设有闸门。在该输水隧洞距离进水口约27 km位置有一检修交通洞，后期拟将检修交通洞改建为调压室，调压室水平截面积为350 m2，调压室出口高程为62.00 m。
2.2 方案拟定
该深埋隧洞重力自流供水工程采用调流阀进行紧急关闭。为了实现快速关闭，需对不同位置调流阀关阀所引起的压力波动和流量变化进行分析。结合工程布置特点以及运行调度规则，初步拟定3种调流阀布置方案。其中，方案一在位于距离进水口10.5 km处、高程30 m位置的地面厂区布置2台并联的DN2000，PN1.6MPa调流阀;方案二在距离进水口12.0 km处、高程-20 m位置的地下阀室内布置2台并联的DN2000，PN1.6MPa调流阀;方案三在出水口闸门旁，高程18 m位置布置1台DN2000，PN1.6MPa调流阀，当调流阀工作时，出口闸门关闭。调流阀的流量特性曲线如图3所示。
3个方案调流阀布置位置以及稳态计算结果如图4所示。
在稳态条件下，方案一、方案二、方案三管线最大压力均出现在距进水口16.5 km、高程-60 m位置，压力水头分别为94.9，92.9，118.6 m;输水干线出口闸门前压力水头分别为17.2，15.2，40.7 m。方案一、方案二相较于方案三，更能有效降低活塞阀后输水干线的压力以及输水干线出口闸门前的压力。
从降低输水干线压力范围来看，方案二的减压范围比方案一要小，方案三全线不减压。
2.3 水力过渡过程计算及分析
上游水库水位59.70 m，下游水库水位23.00 m，调流阀均采用500 s一段式直线关闭规律。本文采用KYPIPE计算软件SURGE模块进行水力过渡过程仿真计算，方案一、方案二和方案三的计算结果如下。
2.3.1 方案一计算结果及分析
若无任何防护措施，方案一的瞬态计算结果见图5～7。
当方案一的两个调流阀关闭，出口闸门前最大压力水头为17.30 m，满足闸门设计强度要求。由于调流阀关闭，阀后压力骤降，管线出现负压，水中气体析出并大量聚集在阀后，当正压波返回时，聚集的气囊在阀后破灭，管线出现弥合性水锤，最大压力水头高达179.50 m，出现在距离进水口桩号16.5 km位置。调流阀的阀前最大压力水头为37.70 m，调流阀后最大负压为-10.10 m。为消除负压带来的不利影响，需要在每台调流阀后各设置1台DN500的真空破坏阀。当阀后压力骤降，真空破坏阀从外界吸入大量气体，破坏管线内的真空，当正压波返回时，管道内的气体通过真空破坏阀及时排出，避免管线出现弥合性水锤。增加真空破坏阀后的瞬态计算结果见图8～12。
设置真空破坏阀后，输水干线出口闸前最大压力水头为17.30 m。调流阀阀前最大压力水头为37.10 m，阀后最大负压为-0.3 m，管线负压控制在-2.0 m以内。管线最大压力水头为94.90 m，出现在距离进水口16.5 km位置;调压室最高涌浪为-32.13+66.30=34.17 m，远低于调压室的出口高程62.00 m。但是，真空破坏阀将大量进气直至阀后管线内的水位与下游水库水位齐平，需在下次启动充水时严格控制充水速度将气体排出。方案一对真空破坏阀的可靠性要求较高，当真空破坏阀失效后，仍然存在弥合性断流风险。
当方案二的2台调流阀同时紧急关闭时，出口闸门前最大压力水头为15.30 m。由于调流阀关闭，阀后压力骤降，但是阀门安装位置较低（-20.0 m），管线未出现负压，水中无气体析出。该方案布置条件下的调流阀前最大压力水头为88.40 m，阀后最小压力水头为35.20 m。输水干线最大压力水头为96.00 m，出现在距离进水口16.5 km位置。调压室最高涌浪为32.17 m，远低于调压室出口高程62.00 m。输水干线全线洞顶压力水头均在2.00 m正压以上，没有产生负压。因此，在调流阀紧急关闭瞬态过程中，方案二较方案一更为安全。但从经济性上比较，方案二需在地下阀室内设调流阀，将增加土建投资。
考虑方案二地下阀室内的1台调流阀失效不减压的工况作为校核工况，计算结果见图17～20。
当方案二的1台调流阀突然失效不减压，闸前最大压力水头为27.3 m，满足闸门强度设计要求。调流阀前最大压力水头为78.80 m，调流阀后压力水头由初始53.30 m增至65.50 m。输水干线最大压力水头为106.20 m，出现在距离进水口16.5 km位置。全线没有出现负压。调压室最高涌浪为44.67 m，远低于调压室出口高程62.00 m。因此，当一台调流阀突然失效不减压，输水干线全线及沿线阀门和闸门较为安全。
2.3.3 方案三计算结果及分析
方案三调流阀布置在隧洞出口，当调流阀紧急关闭时，方案三的瞬态计算结果见图21～23。
当方案三的調流阀紧急关闭，阀前最大压力水头为50.40 m，调压室最高涌浪为65.87 m，超出调压室出口高程62.00 m，需要加高调压室的出口高程。管线最大压力水头为123.60 m，出现在距离进水口16.5 km位置。由于调流阀布置在隧洞出口，阀前的隧洞长度比方案一、方案二长，具有更大的水流惯性，在相同关闭规律下，与方案一的管线最大压力水头94.90 m和方案二的管线最大压力水头106.20 m相比，方案三管线最大压力水头更大。
2.4 方案比选分析
结合上述方案一、方案二、方案三的计算结果分析，对3个方案进行如下比选。
（1） 从降低输水干线压力效果来看，方案一、方案二均能够有效消减上游水库高水头引起的高内水压力，而方案三全线不减压，管线以及阀门、闸门将承受上游水库高水头引起的高内水压力。对于输水干线负压控制，方案一需在调流阀后设置DN500真空破坏阀，可将管线负压控制在-0.3 m以内;但当真空破坏阀失效，仍然存在弥合性断流风险。方案二的管线全线没有产生负压，在调流阀紧急关断过程中，输水干线最大压力值在规范规定的合理范围内，较方案一更为安全。
（2） 从调压室涌浪对比来看，方案一和方案二瞬态过程中调压室最高涌浪均低于调压室的出口高程，而方案三瞬态过程中调压室最高涌浪高于调压室的出口高程，需加高检修交通洞出口高程。
（3） 从输水干线调节效果的灵活性来看，方案一紧急关闭调流阀后，真空破坏阀吸入大量气体，管线在下次启动充水时需及时排气，运行灵活性较差。
（4） 从工程投资比较来看，由于方案二调流阀布置在地下阀室内，将使地下阀室长度增加，总体投资较大。综上所述，在技术上，方案二更优;在经济上，方案一更优。经综合考虑，该工程推荐采用方案二，将调流阀布置在地下阀室内，实现输水线路快速关停。
3 結 语
本文以罗田水库-铁岗水库深埋隧洞重力自流供水工程为例，采用KYPIPE计算软件建立水力过渡过程数值计算仿真模型，通过对调流阀布置方案进行比选，分析比较管线沿线正压、负压，以及相应的防护措施，提出了一种可提高输水隧洞水流截断速度并保证系统运行安全性的有效阀门快速关停策略，对其他类似工程具有一定的参考意义。
参考文献：
[1] 徐燕，李江.长距离有压流输水管道水锤计算及防护设备研究进展[J].水利规划与设计，2020（9）：117-123.
[2] 梅青，邱文新，姚左钢.某长距离重力原水输水管道关阀水锤分析及防护措施[J].城镇供水，2020（4）：51-56，93.
[3] 陈聃. 长距离连续性驼峰有压输水管路的水锤特性研究[D].杭州：浙江大学，2020.
[4] 朱洪兵，双凤龙，黄孝刚，等.长距离有压重力流输水管线管材比选分析[J].住宅与房地产，2018（22）：85-87.
[5] 王龙众.浅谈长距离有压重力流输水管道的设计特点[J].江西建材，2017（4）：37.
[6] 许从愿，王娟，陶光辉.重力流输水管道水锤防护设计的探讨[J].城镇供水，2017（1）：81-84.
Study on quick shut down strategy for gravity water delivery
of deep-buried tunnel
PENG Zhiyuan，GUI Shaobo，TIAN Ziqin
（Changjiang Survey， Planning， Design and Research， Co.， Ltd.，Wuhan 430010，China）
Abstract：To improve the rapid response of the gravity water delivery system of deep-buried tunnel to emergencies， such as pipe burst occurs in the downtown area， the water diversion tunnel project from Luotian Reservoir to Tiegang Reservoir was taken as an example， and the numerical simulation model of the hydraulic transient process was established to analyze the characteristics and position of the gate or valve. An effective strategy of quick shut down was put forward， which can speed up the shut down process and ensure the safety of the pipe line. It has reference value for similar projects.
Key words：
water hammer protection; deep-buried tunnel; shut down strategy; numerical simulation
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