廊涿干渠工程运行调度方式优化及其水锤分析计算

韩李明

（河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司，天津 300250）

1 项目概述

廊涿干渠工程从南水北调中线京石段三岔沟口门分水，输水到拟建的廊坊市广阳水库，并向沿途的涿州、松林店、固安县、固安电厂、永清县及廊坊市区供水，线路总长83.979 km。在涿州市和固安县境内走向大致为由西向东，在永清县曹家务改为由东向东北，自永定河泛区王玛村东开始基本为南北向。廊涿干渠采用2 排DN2400～DN1600 预应力钢筒混凝土管（PCCP）输水，管道工作压力以桩号LZ26+000为界，上游为0.4 MPa，下游为0.6 MPa，最大引水流量11 m3/s。

廊涿干渠工程于2011年3月开工建设，主体工程于2013 年4 月完工。水压试验于2013 年8 月完成，2014 年12 月廊涿干渠通过了通水验收，进入工程试运行阶段。在工程试运行阶段的2015 年11月，管道桩号LZ52+050 处出现爆管；在2018 年12月，固安、永清分界下游桩号LZ60+070 处右侧管道出现爆管。根据对工程沿线PCCP预应力钢丝的检测情况，本工程管道存在断丝的管节数量随时间增加，断丝管节内断丝根数也随时间增加的情况。根据对2 次爆管原因的分析和管节断丝情况的检测结果，为保证廊涿干渠能够正常输水，应对目前运行调度方式进行优化，并采取工程加固等措施。

2 运行调度方式优化

廊涿干渠工程原设计运用下调节方式，即管道自中线总干渠引水，水流无控制地自由流至各分水口调流阀，通过各调流阀的调节，控制设计取水流量。该运行方式的优点是调度管理相对简单，各用水目标水压充足，但是在目前管道输水量尚未达到设计流量、小流量供水的情况下，下游管段承受较大的工作压力，在进行流量调节时管道内产生的水压波动较大。通过对廊涿干渠投入运行以来各用水户的用水量及近年来用水量的增长情况分析，在广阳水库建设投入使用之前，廊涿干渠将长期处于小流量供水状态。

为了保证廊涿干渠供水安全，发挥正常的工程效益，对断丝数量较多的管节进行加固或更换，同时对廊涿干渠原运行调度方式进行优化。通过对廊涿干渠输水管道系统的分析和多方案比较，提出了“中控制下调节”运行方式，即在干渠的中部设置调流调压阀，根据下游的用水要求在中部调节控制下游所需的流量和压力、在各分水口调节目标水厂流量和压力的调节方式。

本方案的“中控制”需在管道中部设置一组调流调压阀，工程运行调度管理相对复杂，但可以有效减小下游段小流量供水时的工作压力。在廊涿干渠采用中控制下调节方式的情况下，为减小水压波动，应同时在下游管道合适的位置上设置调压塔，进一步有效降低因下游分水口调流调压操作时产生的水压波动。根据廊涿干渠工程实际情况，中控制下调节方案在固安支线分水口下游侧增设调流调压阀组、在永清分水口上游侧设置调压塔。

2.1 调流调压阀组布置

布置调流调压阀组位置处管道直径为DN2 400 mm，现阶段还不能生产该规格的调流调压阀，因此将干管分为两支管分别进行控制。在桩号LZ37+200 处设置分水三通，将DN2 400 mm 的管道分为2 根DN1 800 mm 管道；在DN1 800 mm 管道桩号LZ37+206 处设置检修阀井；在桩号LZ37+212处设置调压阀室，室内布设调流调压阀4 台；在桩号LZ37+224 处设置检修阀井；在桩号LZ37+230处设置三通将4 根DN1 800 mm 管道合并为2 根DN2 400 mm管道。

2.2 调压塔布置

调压塔内径2.2 m，顶高程以满足向下游供水8.0 m3/s 时的水位确定为41.0 m。调压塔溢流管设置近、远期两个高程，由泄水管汇流排出至渗水坑。上部溢流管高程以满足向下游供水8.0 m3/s 时水位确定为37.0 m；下部溢流管高程以满足向下游供水5.0 m3/s 时水位确定为27.0 m。调压塔溢流水排至渗水坑内，渗水坑初定有效容积325 m3。

3 水锤计算原理

水锤压力一般采用特征线法进行分析计算，该方法是管路系统水力过渡过程的分析与计算的主要方法。特征线法的主要思路是建立水锤偏微分基本方程组，将偏微分方程组转化为在特征线方向上的常微分方程组（特征方程），然后沿特征线进行积分，得到有限差分方程式，最后根据给定的初始边界条件，依靠计算机采用有限差分法进行数值计算。沿特征线方向水锤全微分方程组如式（1）。

式中：V为管道中的流速，向下游为正；H为压力水头；x为距离，以管道进口为原点，向下游为正；t为时间；a、g为水锤波速和重力加速度；D、α为管道直径和纵坡；f为摩阻系数。

由于本系统管径不同，在计算过程中，采用带插值的特征线法，可得近似简化积分式如式（2）、式（3）。

解上述方程可得式（4）、式（5）。

参数B、R和综合参数CP、CM可在可计算时段开始时先算出。式（4）、式（5）便是水锤分析中编入计算机程序的相容性方程。

管线末端采用的调流阀门，参照《工业管道中的水锤》［1］，选用活塞式阀门，过流特性曲线为直线，如式（5）。

管线首端取设计水头，HP为相对于管道出口高程的水位。

4 计算工况

廊涿干渠运行调度方式由下调节改为中控制下调节之后，水锤分析按近期供水和远期供水两种工况分别进行计算。

4.1 近期小流量供水情况

近期小流量供水情况下，通过新增调流阀组，将下游最高水位控制在30 m。水锤计算分析细分为新增中部调流阀组和末端阀组同步联动调节、新增调流阀组延后末端阀组1 min、3 min、5 min 等几种工况。

4.2 远期设计流量供水情况

设计流量供水情况下，通过新增调流阀组，将下游最高水位控制在35 m。水锤计算分析细分为新增中部调流阀组和末端阀组同时联动调节、新增调流阀组延后末端阀组1 min、3 min、5 min 等几种工况。

5 计算过程

5.1 近期小流量供水工况

5.1.1 中部、末端调流阀同步调节。管道最大水锤压力水头为30.5 m，调压塔溢流水量为60.36 m3/s。

5.1.2 中部调流阀滞后1 min。管道最大水锤压力水头为30.5 m，调压塔溢流水量为130.15 m3/s。

5.1.3 中部调流阀滞后3 min。管道最大水锤压力水头为30.5 m，调压塔溢流水量为281.59 m3/s。

5.1.4 中部调流阀滞后5 min。管道最大水锤压力水头为30.5 m，调压塔溢流水量为433.05 m3/s。

5.2 设计流量供水工况

5.2.1 中部、末端调流阀同步调节。管道最大水锤压力水头为38.0 m，调压塔溢流水量为3.81 m3/s。水锤压力分布图如图1所示。

5.2.2 中部调流阀滞后1 min。管道最大水锤压力水头为38.0 m，调压塔溢流水量为76.91 m3/s。水锤压力分布图如图1所示。

图1 中部、末端调流阀同步调节水锤压力分布图

5.2.3 中部调流阀滞后3 min。管道最大水锤压力水头为38.0 m，调压塔溢流水量为316.36 m3/s。水锤压力分布图如图1所示。

5.2.4 中部调流阀滞后5 min。管道最大水锤压力水头为38.0 m，调压塔溢流水量为588.48 m3/s。水锤压力分布图如图1所示。

5.3 计算结果分析

5.3.1 近期小流量供水工况。计算结果见表1。

表1 近期小流量供水工况下水锤计算结果

通过分析计算，当进行水量、压力调节时，调流阀的各种调节组合方式均能通过调压塔的溢流水量来有效控制最大水锤水头不超过31 m。考虑到操作时间的延迟性和溢流水量的大小，中部调流阀组的调节延迟时间应控制在3 min之内。溢流管管顶高程设为29 m，渗水坑容积不小于325 m3。

5.3.2 设计流量供水工况。计算结果见表2。通过分析计算，当进行水量、压力调节时，调流阀的各种调节组合方式均能通过调压塔的溢流水量来有效控制最大水锤水头不超过40 m。考虑操作时间的延迟性和溢流水量的大小，中部调流阀组的调节延迟时间应控制在3 min之内。溢流管管顶高程设为37 m，渗水坑容积不小于325 m3。

表2 设计流量供水工况下水锤计算结果

6 结语

本研究通过对廊涿干渠2 次爆管原因的分析以及对管道沿线PCCP 断丝情况检测的结果，提出了“中控制下调节”运行调度优化方式，然后通过建立水力模型进行管道水锤理论计算，根据计算结果验证了优化后的运行调度方式的有效性。在廊涿干渠之后的运行中，还应根据工程运行实际情况和实测数据，修正水锤水力模型，对运行调度方式进行进一步完善和修正。通过研究计算，得出以下结论。

①从本工程调流调压阀多种操作组合的计算结果可以看出，中部控制和调压塔有效地降低了下游管道的水锤压力，有效地避免了在用水户调节流量和压力过程中压力的升高和降低，确保了系统安全。

②运行调度优化方案采用了调压塔溢流设计，从水锤压力分布图可以看出，不同调节方法的水锤压力分布基本一致。由于将高于溢流水位的水泄放至管道系统外，使得水锤造成的管道升压能够控制在一定的范围内，从而进一步保证了管道系统的安全。

③改为中调节后，廊涿干渠管理工作略有加大。根据下游用水需求调节调流调压阀组，调节精度相对提高，且便于操作。

④由于增加了调流阀组，对管道原设计过流能力略有影响。原设计广阳水库水位23 m 充水时，管道流量8.0 m3/s。改为中控制下调节后，广阳水库水位23 m 充水时，管道流量7.95 m3/s，过流能力略有减小。