珠江三角洲水资源配置工程输水隧洞糙率取值范围研究

秦晓川

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510635)

1 工程背景

珠江三角洲水资源配置工程输水线路总长为 131.2 km，取水点为佛山市顺德区杏坛镇西江干流中央的鲤鱼洲岛端部，设有3级泵站，其中第一级鲤鱼洲取水泵站—高新沙水库段双线压力输水隧洞长为 41 km，采用D6.0 m盾构隧洞内衬DN4.8 m钢管的结构形式。泵站前池和交水点水库设计水位分别是 0.39 m和4.2 m，几何高差为3.81 m，本工程设计流量为 80 m3/s，最小流量为20 m3/s，按照管道糙率n=0.014计算，设计扬程为42.2 m，隧洞沿程水头损失占总扬程的比例为91.0%。小流量和小糙率情况下，最小扬程为10.7 m，因此，隧洞糙率的变化将对泵站设计扬程产生很大影响，该段线路压力坡度线示意见图1。第二级泵站高新沙水库—东莞沙溪分水口段单线压力输水隧洞长为28.3 km，采用D8.3 m盾构隧洞内衬D6.4 m预应力混凝土结构形式，泵站前池和沙溪分水口水位分别是4.2 m和44.75 m，几何高差为40.55 m，设计流量Q=60 m3/s，按照管道糙率n=0.014计算，设计扬程为55.5 m，隧洞沿程水头损失占总扬程的比例为26.9%。

图1 压力输水隧洞压力坡度线示意

由于南方地区输水管道中普遍容易附着生长一种淡水壳菜(俗称沼蛤，别名“死不了”或“死不丢”)，导致管道糙率在运行初期和运行一段时间后发生变化，淡水壳菜1 a有3次繁殖，每次繁殖有2个高峰，1 a有6个繁殖高峰，幼虫的生长速度大约2 mm/月。当前采用的防治方法有过滤、防生物涂料、机械清除、化学杀灭等手段，但都存在弊端，效果有限或成本较大，现状研究成果存在以下不足之处：一是目前研究投入及采用的技术手段较为有限，尚未找到能推广应用的有效防治方法，尤其在供水工程中更没有成功案例；二是大部分研究是针对小流量工程进行，其成果即使成功也可能无法在大流量供水工程中实施或应用；三是相关研究没有结合长距离输水建筑物的经济效益、砼(钢)结构安全保护、水质安全等需求进行，实用性不强。特别是针对长距离大流量输水工程的生物附着目前没有根本的解决办法。经过多年的试验表明，淡水壳菜无论对输水钢管还是混凝土管，或者对于涂有普通防腐涂料的管道，均会大面积附着生长，因此，本工程对于鲤鱼洲一级泵站和高新沙二级泵站等输水隧洞，均要考虑输水隧洞的糙率范围。由于本工程每年只有1次1个月的检修期，取水泵站必然要面对输水隧洞糙率变化导致的扬程变化问题。如果机组选择不当，在每年的后期，有可能使机组处于非最优运行工况，甚至影响供水能力。由于输水隧洞距离长，工作区间即相邻工作井之间的距离长达3.5 km，人员进出和长时间管道内作业存在诸多困难，在每年的清理期很难完全清除干净，所以需要在设计之初从泵组设备选型上考虑输水隧洞动态糙率的影响。

2 糙率取值范围

考虑到管道内壁随着运行时间的增加和淡水壳菜的繁殖[1-2]，管道糙率会逐步增加；经过停水检修期，附着在隧洞内壁的淡水壳菜死亡和脱落，人工对管道内淡水壳菜清理后管道糙率又恢复到或接近最初的糙率，管道糙率需按一定范围进行选择。目前规范和有关论文里针对长距离输水工程的糙率范围研究主要是基于施工工艺、测量和管材[3-4]，针对生物生长的动态糙率未能引起足够的重视。

对于输水隧洞的最小糙率nmin，本工程输水隧洞内衬钢管采用熔结环氧粉末作为防腐层，由于涂层非常光滑，根据《室外给水设计规范》，按照涂塑钢管，糙率最小取n=0.010。实际涂层施工后的初期运行工况下，糙率会低于0.010，这就要求系统具有弹性，在更低糙率下，同样能保证系统稳定运行。

对于输水隧洞的最大糙率nmax，即输水隧洞设计糙率n，由于当前没有现成的方法计算淡水壳菜繁殖后的输水管道糙率，只能依据现有同类工程经验假定淡水壳菜繁殖后的管道糙率。在机组选型过程中，最大糙率如果考虑不足，导致将来整个工程供水量达不到设计规模，严重影响工程效益；选取的隧洞设计糙率越大，意味着隧洞经济洞径和泵站设计扬程增加，会增加工程的建设费用；选取的最大糙率过大，如果实际运行时远远达不到，机组长期运行工况点不在最优点，效率降低，则造成浪费。设计糙率与最低糙率范围太大，可能会导致同一种机型无法满足扬程变幅需要，需要配置多种泵型，一方面厂房面积增加，土建和机组设备投资也会增加，另一方面，不同类型机组给运行管理维护带来一定的困难。因此，从经济和管理角度考虑，管道设计糙率变化应尽可能选择在合理范围内。

研究团队结合广东省水利科技创新项目“输水工程水生物侵蚀防治技术研究”的科研成果，调研了多个引水工程，包括本工程取水口附近的右滩水厂、均安水厂，广州市南洲水厂原水输水管工程、东深供水改造工程、广州蓄能水电厂引水管道、深圳市供水系统、深圳市东江引水工程等。广州市南洲水厂原水输水管，某次测量得出水量下降3.05%，泵站出口压力上升2.77%，推算糙率上升约4.2%～5%[5-6]；深圳市东江水源工程连续2～3 a不清洗管涵，淡水壳菜成体充分生长并将缩减有效管径的5%[7]，推算糙率上升约15.4%；据了解，上海某原水工程隧洞糙率也一度达到了0.018～0.022，高出设计糙率(n=0.015)约22%～39%；东深供水改造工程司马双孔有压箱涵设计糙率为0.015，冯文涛根据东深供水工程监测数据，反算出2011年1—11月司马箱涵等效糙率为0.013 7～0.015 9，随着运行时间的增加，预测司马箱涵年中不清理淡水壳菜的情况会增加至0.017 5以上[8]；李代茂等于2004年11月—2005年11月在东深供水工程太园反虹涵段进行了水力试验，结果显示不同月份的糙率变化较大，最小值为0.011 4，最大值为0.016 7[9]。

通过对淡水壳菜的有关特性进行研究表明，淡水壳菜以水体中的有机质颗粒为食，需要消耗水体中的氧气，具有显著的趋暗性[10]。由于输水管道中有机质、氧气等淡水壳菜生长要素的含量随管道长度递减，淡水壳菜附着密度也随距离发生变化。通过对深圳东江水源工程和东深供水改造工程沿线淡水壳菜统计发现，前者淡水壳菜主要分布在距离取水口10 km之内的输水管道中[11]，后者主要集中在倒虹吸和压力箱涵中，如距离桥头镇太园泵站取水口200 m的太园反虹涵，距离取水口600 m的潼湖反虹涵，直至距离取水口7.34 km的司马有压箱涵，生长厚度为1～3 cm，局部聚集处达4～5 cm厚。其余53 km的明槽、渡槽等光线充足的地方以及压力箱涵均生长很少或没有生长[12]。本工程鲤鱼洲取水泵站后压力管道长40 km，根据前述工程，通过假定淡水壳菜生长厚度为2 cm，根据雷诺数Re和绝对粗糙度Δ=2 cm，由尼古拉兹公式计算水力粗糙区沿程水头损失系数λ=0.028 7，根据相对粗糙度Δ/d=0.004查莫迪图所得结果一致，再试算出相当于糙率n=0.019 8。因此，对于前段10 km隧洞糙率上升到最高0.019 8，其余段生长相对较少，糙率取0.013，水头损失基本相当于全线糙率为n=0.014。因此，通过以上对同类工程局部最大糙率和综合整条管道的淡水壳菜繁殖分布情况来考虑，确定本工程鲤鱼洲至高新沙段输水隧洞基本糙率为0.012，最低糙率为0.010，设计糙率为0.014，将n=0.015作为系统最大糙率进行校核，即机组要保证在最大糙率的扬程下，仍然能够基本满足设计规模的抽水流量。

3 对机组选型和运行的影响

鲤鱼洲取水泵站计入糙率变化后(n=0.010～0.014)管道糙率与扬程关系见表1。

表1 管道糙率与扬程关系

按高糙率下的扬程选机，管道糙率与机组功率关系见表2，机组功率增加16.67～37.5%，设备投资增加4.01%～12.79%。当满足最大糙率n=0.015时，设备增加投资仅占泵站总投资的1.244%，影响很小。因此，按高糙率选型虽然水泵的功率增加了，但投资增加有限。

为适应低糙率情况下的运行需要，需为水泵设置变频装置，降速至约87%，按照水泵性能曲线，变频后的运行功率和运行效率与按基本糙率n=0.012选型基本一致，对运行费用无影响，只是存在一些变频器自身的损耗。

同时，当管道糙率继续上升至0.015后，根据水泵曲线，设计流量稍有下降，在工程允许范围内，仍然满足工程供水需要。

表2 管道糙率与机组功率关系

4 利用工程措施解决小糙率机组扬程问题

在极端工况下，取水口最高运行水位7.78 m和末端水库最低水位-1.7 m，管道在最小糙率情况下，机组扬程为0 m，大大低于目前国内外该种立式离心泵的扬程变幅范围，必须采用工程措施解决。通常的做法是在泵站出口增加高位水池，即，将机组的最小扬程限制在一个固定值。而高位水池的设置会带来至少2个方面问题：一是增加了小糙率的运行电费；二是小糙率情况下，溢流堰会跌水，将掺气带入隧洞，给运行带来隐患。因此，本工程在鲤鱼洲泵站后设置高位水池，通过水力模型试验显示，高位水池的内径尽量大，以便降低池内水流通过的流速，减少掺气潜入输水隧洞数量，增加水池直径，投资会增加，大直径高耸水池采用预应力混凝土结构，也会带来施工不便，因此，应尽可能降低溢流堰与最低水位之间的高差，要求机组的扬程范围尽量宽。本工程在水泵和电机招标中，所选中的机组最低可降速至50%额定转速，根据这个范围，取水口水位最高7.78 m时，水泵最低扬程为10.7 m。堰顶高程根据机组适应性降至18 m，最大落差降低为14 m，最终确定高位水池直径由为24 m，同时，在溢流堰高程上，布置特殊结构的整流格栅，很好地解决了高位水池掺气问题。

5 结语

1)通过对输水工程中的淡水壳菜调查、研究，认为在珠三角水资源配置工程中，将管道设计糙率适当提高，以应付淡水壳菜附着于管道内壁造成的水头损失增加。通过对已建工程的糙率反演分析，以及根据本工程特点，将隧洞糙率区间确定为n=0.010～0.014，并将n=0.012作为基本糙率进行方案比较，将n=0.014作为机组设计点，将n=0.015作为最大糙率来进行系统校核，相对于n=0.012固定糙率情况下，鲤鱼洲取水泵站机组功率和投资增加，但对投资影响和泵站运行费用影响很小，即使长期运行于低糙率，对能耗也无影响。从提高工程的抗风险能力方面考虑，按高管道糙率系数进行机组选型是必要的。

2)长距离输水工程的水生物防治研究也越来越受到重视，2015年度广东省水利科技创新项目“输水工程水生物侵蚀防治技术研究”，主要是通过现场验证的方式来筛选效果好的防淡水壳菜附着的涂料，从目前试验情况看，低表面能(憎水型)涂料和专门的防贝涂料有效果，效果最好的是仿生涂料，但考虑到淡水壳菜的选择性特性，需要继续跟踪验证涂料的长期防贝效果及物理耐久性。

3)随着科技的发展，水下机器人可以在线进行洞壁附着生物的清理[13]，将为节约整个输水系统的能耗做出贡献。