趙維煒

(遼寧省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，沈陽 110003)

0 引 言

我國水利“十四五”規(guī)劃明確提出，近5年的工作重點之一是優(yōu)化水資源配置格局，加強供水安全風險應對，推進重大引調(diào)水工程建設，建設一批跨流域跨區(qū)域骨干輸水通道，逐步完善國家骨干供水基礎(chǔ)設施網(wǎng)絡。文章通過對引調(diào)水工程有壓輸水隧洞在通水階段和正常運行階段中，隧洞內(nèi)發(fā)生水錘現(xiàn)象需要解決進排氣問題，工程結(jié)合施工永久支洞保溫門內(nèi)安裝專門定制的余壓閥，較好的解決了嚴寒地區(qū)永久支洞保溫和進排氣問題。

1 工程概況

省重點供水工程采用有壓輸水隧洞，隧洞全長99km，成洞斷面為7.3m圓形斷面，設計供水流量77m3/s，工程取水口為巖塞口，距取水口約4km處設置一處檢修豎井，距隧洞出口170m處設置一處調(diào)壓溢流系統(tǒng)，調(diào)壓系統(tǒng)由溢流井、連接渠、泄水井、泄水洞、箱涵組成，溢流水量最后經(jīng)閥室后尾水渠流入調(diào)節(jié)水庫。溢流井結(jié)構(gòu)斷面為圓形，直徑為16.0m，泄水井及泄水洞結(jié)構(gòu)斷面為圓形，直徑為5.0m，泄水箱涵結(jié)構(gòu)斷面為方型，斷面尺寸為5.0m×5.0m。

壓力隧洞出口設置消能設施，為2臺調(diào)流消能閥和4臺消能發(fā)電機組，工程沿線共設置5條永久支洞，支洞斷面采用圓拱直墻型，成洞斷面均為6.6m×6.0m(寬×高)。永久支洞主要功能為工程運維階段的檢修交通運輸和隧洞正常運行時的排氣和補氣，工程所在地為嚴寒地區(qū)，各永久支洞口均需設置保溫大門，通過理論計算和工程實際設計，改造永久支洞保溫大門，使其既具備保溫功能又能實現(xiàn)隧洞運行時的排氣、進氣需求。

2 支洞排氣量計算

2.1 有壓隧洞水錘計算公式的選用

非棱柱體管道有壓非恒定流基本方程：

連續(xù)方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中：H為以某一水平面為基準的測壓管水頭；V為管道斷面的平均流速；A為管道斷面面積；Ax為管道斷面面積隨x軸線的變化率；S為濕周；F為Darcy-Weisbach摩阻系數(shù)；a為水擊波傳播速度。

方程1-2是一組擬線性雙曲型偏微分方程, 可采用特征線法將其轉(zhuǎn)化為兩個在特征線上的常微分方程：

(3)

(4)

經(jīng)過方程優(yōu)化整理得：

C+QP=QCP-CQP·HP

(5)

C-：QP=QCM+CQM·HP

(6)

2.2 計算工況

工況選擇：工程運行時當供水隧洞出口消能電站2臺機組同時甩負荷時，有壓隧洞水錘對沿線永久支洞進、排氣影響最大，所需通氣量最大，因此計算工況選用2臺機組甩負荷工況，計算模型選擇離調(diào)壓井最近、影響最大的12#永久支洞，計算公式選用(5)和(6)，輔助計算軟件選用bently水錘計算軟件[1-2]。

2.3 計算成果

1)支洞流量成果

兩臺機組同時甩負荷時，12#永久支洞水力過渡過程計算成果曲線如下，其中支洞內(nèi)流量變化范圍為-2.1m3/s-4.6m3/s。

圖1 12#支洞內(nèi)流量變化

2)氣體流量轉(zhuǎn)換計算

根據(jù)《給水管道復合式高速進排氣閥 CJ/T217-2013》氣體可壓縮絕熱等熵計算公式：

(7)

式中：Qv為體積流量，m3/h；a為孔板的流量系數(shù)，無量綱；ε為孔板處空氣的可膨脹性系數(shù)，無量綱；A1為孔板節(jié)流部位的面積，m2；△p為孔板差壓，單位為帕，Pa；ρ為空氣密度，單位為kg/m3，ρ=1.293kg/m3

換算到標準狀態(tài)下(20℃, 101 325 Pa)的排氣量：

(8)

式中：QVN為標準狀態(tài)下的排氣量(20℃、101 325Pa)，m3/h；ρN為標準狀態(tài)下的空氣密度，ρN=1.2041kg/m3(20℃時) 。

兩臺消能機組同時甩負荷時，12#支洞最大瞬時流量如表1：

表1

根據(jù)氣體可壓縮絕熱等熵計算公式7，支洞瞬時流量換算為氣體流量排氣最大值為5.04 m3/s，為18144 m3/h。

3 支洞進排氣設備選擇

工程永久支洞保溫門設計時采用設備是專門定制的余壓閥，根據(jù)閥體兩側(cè)壓力不同能調(diào)整閥體開度，同時通過閥體重錘的位置不同來平衡風壓。

3.1 工作原理

將閥體安裝在支洞保溫大門上，當支洞洞內(nèi)壓力超過設定壓力時，重錘位置發(fā)生偏移，洞內(nèi)壓縮氣體通過閥體排向洞外，使得支洞內(nèi)外氣壓平衡。當洞內(nèi)壓力小于設定壓力時，重錘位置發(fā)生偏移，支洞外氣體自動流入洞內(nèi)，從而保持洞內(nèi)與洞外的氣壓平衡。

3.2 余壓閥分類

余壓閥基本分為以下2種：

重錘型余壓閥：閥體為可調(diào)式，一般開啟氣壓差介于5Pa-30Pa，葉片開啟角度最大為45°，閥體或框架為熱鍍鋅鋼板，葉片軸、平衡錘為Q235低碳鋼，軸套為青銅。

自垂式余壓閥：為定壓差葉片，一般開啟氣壓差介于10Pa-50Pa，，類似于自垂百葉?？蚣転闊徨冧\鋼板，葉片為鋁合金，軸承為工程塑料，軸為青銅。

由于上述使用環(huán)境為室內(nèi)，而本工程使用部位為隧洞，水流波動很容易造成空氣壓差，為了避免余壓閥頻繁開啟，在本工程中設計時提高了開啟壓力，按照0.5m水頭計算，約為5kPa。

3.3 設計風量

由于可調(diào)式重錘型余壓閥風量較小，考慮到本工程設計風量較大，因此選取自垂式余壓閥。

表2 自垂式余壓閥計算風量表 m3/h

當設計壓差選用5KPa時，根據(jù)比選約為30Pa壓力下通風量的6.7倍。

4.4 設備選型

根據(jù)進排氣量，本次設計選用自垂式余壓閥，結(jié)合保溫大門結(jié)構(gòu)，余壓閥寬度應<1.0m，本次選取2個‘型號4’自垂式余壓閥用于排氣(一主一備，最大排氣總量為6.7×3350=22445 m3/h，是計算排氣量18144 m3/h的1.24倍)，2個‘型號4’自垂式余壓閥用于補氣[3-4]。

表3 自垂式余壓閥特性表

3.5 安裝示意圖

安裝示意圖見圖2。

圖2 安裝示意圖

4 結(jié)論與建議

本次新型永久支洞排氣系統(tǒng)已經(jīng)成功應用在遼寧省某重點供水工程中，目前運行狀態(tài)穩(wěn)定。此系統(tǒng)解決了東北寒冷地區(qū)輸供水工程正式運行中永久支洞的保溫與進排氣相統(tǒng)一的問題，同時，此系統(tǒng)工程施工便捷且工程投資較小，為今后類似工程具有一定的借鑒意義。

根據(jù)工程實際運用情況，建議工程首次通水或放空檢修再次充水時，應根據(jù)工程實際預留的永久支洞數(shù)量、各類建筑物進排氣能力及充水方式等情況，永久支洞本身的進排氣功能(敞開洞門)和洞門進排氣系統(tǒng)(關(guān)閉洞門)配合使用，進排氣效果更佳。