南水北调东线穿黄河工程水力过渡过程模拟计算

李福超，郭学博，任泽俭，傅题善

(1.南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109；2.山东润鲁工程咨询集团有限公司，山东 济南 250100)

南水北调东线一期穿黄河工程滩地埋管、穿黄隧洞、穿引黄渠埋涵有压输水管道，当工作闸门开启或关闭时，洞内水流流速发生变化，引起水体动量交换，导致冲量改变，对工作闸门产生一定冲击力，在水体惯性和可压缩性、洞壁弹性以及系统阻力作用下，会产生水击现象，造成洞内水流压力和密度不断交替变化，压强时大时小，严重时会对工程管道造成损伤甚至破坏。本文针对穿黄工程有压输水管道，采用数值模拟方法进行分析，并从工程安全运行的角度提出了建议。

1 工程概况

南水北调东线一期穿黄河工程主要由湖内引渠、南岸明渠、滩地埋管、穿黄隧洞、穿引黄渠埋涵和北岸明渠等构筑物组成，其中滩地埋管、穿黄隧洞和穿引黄渠埋涵为有压输水管道。滩地埋管全长3943m，内径7.5m，为C25F100W8内圆外门洞型现浇钢筋混凝土结构，滩地埋管设2个检修井(1#、2#检修井)，顶部高程分别为43m和43.5m(85高程，下同)；穿黄隧洞包括南岸竖井、过河平洞、北岸斜井及进、出口埋管，总长585.38m，内径7.5m，采用钢筋混凝土结构衬砌；隧洞出口设隧洞出口闸，闸前后设置检修井(3#检修井)和通气孔，顶部高程均为41m；隧洞出口闸后接穿引黄渠埋涵，长度为360m，两孔一联，每孔5m×5m，为有压钢筋混凝土箱涵。南水北调东线一期穿黄河工程共设置四座节制闸，黄河南北岸各2座，从输水中第1座及第4座闸出湖闸和穿引黄渠埋涵出口闸)主要参与运行调度，工程设计流量为100m3/s。

2 模型建立

2.1 初始条件

在输水流量一定的情况下，渠埋涵出口闸上下游水位落差越大，开、关闸门时产生的水击压力越大。选取埋涵出口闸上游水位40.00m、下游水位31.00m(接近渠底高程)、流量为100m3/s，作为闸门运行的最不利条件，模拟结果可作为制定闸门启闭运行规则的主要依据。

2.2 建立模型

2.2.1管道与节点

以有压管道模拟穿黄河有压输水管路，以滩地埋管入口为管道为0点，穿引黄渠埋涵出口为管道终点，在有压输水管道上建立66个节点，将其划分为65段，划分管段最长108.19m，最短29.93m。起点管道中心线高程为32.63m，终点中心线高程为31.29m，隧洞平洞高程为-33.09m。

2.2.2闸门流量系数

以出湖闸和埋涵出口闸2013—2019年实测运行数据为基础，根据淹没孔流形式分别对闸门流量系数进行率定。已知流量、上下游水位差ΔH、闸孔净宽b、开闸孔数n、开闸高度e，对流量系数μ和相对开度e/ΔH进行多项式拟合，分别得出出湖闸流量系数μ1和埋涵出口闸流量系数μ2的计算公式：

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

选取东平湖出湖闸和穿引黄渠埋涵出口闸的部分实测数据，对水力过渡过程计算模型进行率定，调整模型中管道糙率等参数，使模型计算结果与实测结果之间的误差处于合理范围之内。率定结果两者最大误差分别为2.32%、-2.97%，均处于合理范围之内，表明模型率定效果良好。拟合效果分别如图1—2所示。

图1 出湖闸流量系数拟合效果

图2 埋涵出口闸流量系数拟合效果

3 水力过渡过程分析

3.1 穿引黄渠埋涵充水过程计算

在开启穿引黄渠埋涵出口闸输水之前，需要先开启隧洞出口闸对穿引黄渠埋涵进行充水，使其满足有压输水条件。分别采用隧洞出口闸线性完全开启和固定开度小流量充水的方式对穿引黄渠埋涵充水过程进行模拟计算，以提出合适的充水方案。

3.1.1隧洞出口闸线性开启

对隧洞出口闸采用线性完全开启的方式进行埋涵充水，闸门高度为4m，启闭速度为1.8m/min，完全开启需要133.3s。随着闸门开度的增大，充水流量逐渐增大，闸前管道压力由于水流的泄放开始降低，最低处为1.39m H2O。在123s后埋涵充满，管线压力开始上升，最高处达71.9m H2O，检修井和通气孔开始产生溢流，产生溢流总量检修井溢流量为4820.31m3，通气孔溢流量为4739.71m3。由于通气孔设置在穿引黄渠埋涵进口端，采用大流量充水容易发生排气不畅现象。因此，不推荐采用此方式进行充水。

3.1.2固定开度小流量充水

采用5m3/s的固定流量对穿引黄渠埋涵进行充水，待闸后通气口水面基本稳定后完全开启隧洞出口闸。采用小流量充水方案，历时2655s充水完毕，充水过程中整条管线压力较为平稳，且检修井和通气孔无溢流产生。

3.2 开闸水力过渡过程分析

因穿黄河工程线路长度短、结构复杂，根据以往运行经验，穿引黄渠埋涵出口闸与东平湖出湖闸采用同步联动控制的模式。分别模拟同步连续开闸、分级开闸2种方式，计算有压管路的最大、最小压力分布、闸门处的瞬时压力变化以及管道上检修井和通气孔的水位变化情况。

3.2.1同步连续开闸方式

在穿引黄渠埋涵出口闸上下游最大落差水位、输水流量为100m3/s最不利工况下，埋涵出口闸的开度为1.53m。穿引黄渠埋涵出口闸启闭速度为1.85m/min，采用线性连续开闸方式，闸门开启时间为49.69s。出湖闸采用联动控制的模式同步开启。计算可知，线性连续开闸方式下整条管路最大压力为69.202m H2O，最小压力为-0.343m H2O。由于开闸速度过快，导致检修井及通气孔吸入空气，造成了穿引黄渠埋涵短时间内的无压输水，因此不建议采用同步连续开闸方式。

3.2.2分级开闸方式

在穿引黄渠埋涵出口闸上下游最大落差水位、输水流量为100m3/s最不利工况下，闸门开度为1.53m，采用分级开闸方式，出湖闸采用同步联动模式分级开闸。首先，以5m3/s为分级流量，时间间隔为1min，闸门总开启时间分别为1189.70s，经模拟计算得出，开闸过程中最大压力为70.321m H2O，最小压力为4.635m H2O，管道全线无负压产生。

分级流量保持不变，再将时间间隔分别增至3、10min进行模拟，开闸所形成的最大、最小压力包络线基本一致。可以看出，以5m3/s为分级流量，保持一定的时间间隔，可以有效缓解埋涵出口闸出水流量增长过快导致通气孔进气而产生穿引黄渠埋涵无压输水的现象，不同的时间间隔对水力过渡过程影响不明显。

以此类推，当分级流量设为10m3/s时，时间间隔分别取1、3、10min进行模拟，隧洞出口闸检修井和通气孔处将产生少量溢流，因此建议将分级流量设为5m3/s。

不同分级开闸方案下的水力过渡过程计算结果见表1。

表1 不同分级开闸方案水力过渡过程计算结果

3.3 关闸水力过渡过程分析

同理分别模拟穿引黄渠埋涵出口闸与东平湖出湖闸在同步连续关闸、分级关闸2种不同方式下的有压管路最大、最小压力分布、闸门处的瞬时压力变化，以及管道上检修井和通气孔的水位变化情况。

3.3.1同步连续关闸方式

在穿引黄渠埋涵出口闸上下游最大落差水位、目标输水流量为100m3/s最不利运行工况下，穿引黄渠埋涵出口闸闸门开度为1.53m，启闭速度为1.85m/min，采用线性连续关闸方式，闸门关闭时间为49.69s。出湖闸采用联动控制的模式同步关闭。经计算，管道产生最大压力为71.506mH2O，最小压力为5.414mH2O。闸门关闭过程中，隧洞出口闸和穿引黄渠埋涵出口闸以及管道内的压力都呈逐渐增加趋势，至闸门完全关闭时，压力达到最大，分别为10.852mH2O和14.803mH2O，穿引黄渠埋涵出口闸处的流量减小至零，闸前压力开始振荡并递减，隧洞出口闸由于水击波的振荡而导致前后检修井和通气孔持续溢流。检修井和通气孔的总溢流量分别为3288.64m3和3472.85m3。因此不建议采取同步连续关闸方式。

3.3.2分级关闸方式

在穿引黄渠埋涵出口闸上下游最大落差水位运行工况、目标输水流量为100m3/s最不利工况下，闸门开度为1.53m，采用分级关闸方式，出湖闸采用联动控制的模式同步分级关闭。首先，以5m3/s为分级流量，时间间隔为1min，闸门总关闭时间分别为1189.70s。经计算，输水管道压力包络线最大压力为70.349mH2O，最小压力为4.328mH2O，检修井和通气孔溢流量分别为142.36m3和46.72m3。

分级流量保持不变，再将时间间隔分别增至3、10min进行模拟，关闸所形成的最大、最小压力包络线基本一致，检修井和通气孔溢流量变化不大。可以看出，以5m3/s为分级流量，保持一定的时间间隔，可以有效缓解埋涵出口闸出水流量降低过快导致输水管道内压力增长过快造成的检修井和通气孔溢流现象，分级关闸方式对于减小溢流作用十分明显，但不同时间间隔对水力过渡过程影响不明显。

以此类推，当分级流量设为10m3/s时，时间间隔分别取1、3、10min进行模拟，关闸所形成的最大、最小压力包络线基本一致，但检修井和通气孔处溢流量明显增大，因此建议将分级流量设为5m3/s。不同分级关闸方案下水力过渡过程计算结果，见表2。

表2 不同关闸方案水力过渡过程计算结果

4 工程运行建议

通过以上水力过渡过程模拟计算结果，从工程安全的角度提出以下3条建议。

4.1 充水过程

开启隧洞处水闸对穿引黄渠埋涵进行充水时，应采用固定小流量充水方案，待通气孔水位与上游水位相平并且稳定之后，再完全开启隧洞出口闸。建议充水流量为5m3/s，一方面，超过此充水流量会产生一定的水击波，造成检修井和通气孔的少量溢流；另一方面，由于通气孔设置在穿引黄渠埋涵进口端，采用大流量充水容易发生排气不畅现象。

4.2 开闸过程

开启穿引黄渠埋涵出口闸时，应采取分级开闸方式，以免检修井和通气孔产生吸入大量空气使穿引黄渠埋涵形成长时间的无压流或明满流交替状态；每次增加的流量应控制在5m3/s之内，防止管道内压力产生较大波动，造成检修井和通气孔产生溢流；对于分级开闸，分级间隔时间长短对于压力以及水位的变化幅度及趋势影响很小，建议时间1min以上，可根据上级调度运行指令进行确定。

4.3 关闸过程

关闭穿引黄渠埋涵出口闸时，应采取分级关闸方案，以免产生较大水击压力，使得检修井和通气孔产生大量溢流；每次减小的流量应控制在5m3/s之内，防止管道内压力产生较大波动，同时避免下游渠道水位降落过快；对于分级开闸，分级间隔时间长短对于压力以及水位的变化幅度及趋势影响较小，建议时间1min以上，可根据上级调度运行指令进行确定。

5 结语

通过模拟穿黄工程水力过渡过程，分析出了造成有压管道水击的主要因素，采用分级调节、控制分级流量和间隔时间的方式，能够有效降低水击发生的概率，减少工程溢流。据此，提出了穿黄工程调度运行方案建议，为保障工程安全平稳运行提供了有力的理论指导和技术支撑，对类似工程具有重要借鉴意义。由于长距离输水管道水力过渡过程比较复杂，涉及的理论和问题较多，在模型计算精确度和效率方面还需要进一步提升。