严寒地区有压输水隧洞永久支洞进排气技术研究

赵维炜

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，沈阳 110003)

0 引 言

我国水利“十四五”规划明确提出，近5年的工作重点之一是优化水资源配置格局，加强供水安全风险应对，推进重大引调水工程建设，建设一批跨流域跨区域骨干输水通道，逐步完善国家骨干供水基础设施网络。文章通过对引调水工程有压输水隧洞在通水阶段和正常运行阶段中，隧洞内发生水锤现象需要解决进排气问题，工程结合施工永久支洞保温门内安装专门定制的余压阀，较好的解决了严寒地区永久支洞保温和进排气问题。

1 工程概况

省重点供水工程采用有压输水隧洞，隧洞全长99km，成洞断面为7.3m圆形断面，设计供水流量77m3/s，工程取水口为岩塞口，距取水口约4km处设置一处检修竖井，距隧洞出口170m处设置一处调压溢流系统，调压系统由溢流井、连接渠、泄水井、泄水洞、箱涵组成，溢流水量最后经阀室后尾水渠流入调节水库。溢流井结构断面为圆形，直径为16.0m，泄水井及泄水洞结构断面为圆形，直径为5.0m，泄水箱涵结构断面为方型，断面尺寸为5.0m×5.0m。

压力隧洞出口设置消能设施，为2台调流消能阀和4台消能发电机组，工程沿线共设置5条永久支洞，支洞断面采用圆拱直墙型，成洞断面均为6.6m×6.0m(宽×高)。永久支洞主要功能为工程运维阶段的检修交通运输和隧洞正常运行时的排气和补气，工程所在地为严寒地区，各永久支洞口均需设置保温大门，通过理论计算和工程实际设计，改造永久支洞保温大门，使其既具备保温功能又能实现隧洞运行时的排气、进气需求。

2 支洞排气量计算

2.1 有压隧洞水锤计算公式的选用

非棱柱体管道有压非恒定流基本方程：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中：H为以某一水平面为基准的测压管水头；V为管道断面的平均流速；A为管道断面面积；Ax为管道断面面积随x轴线的变化率；S为湿周；F为Darcy-Weisbach摩阻系数；a为水击波传播速度。

方程1-2是一组拟线性双曲型偏微分方程, 可采用特征线法将其转化为两个在特征线上的常微分方程：

(3)

(4)

经过方程优化整理得：

C+QP=QCP-CQP·HP

(5)

C-：QP=QCM+CQM·HP

(6)

2.2 计算工况

工况选择：工程运行时当供水隧洞出口消能电站2台机组同时甩负荷时，有压隧洞水锤对沿线永久支洞进、排气影响最大，所需通气量最大，因此计算工况选用2台机组甩负荷工况，计算模型选择离调压井最近、影响最大的12#永久支洞，计算公式选用(5)和(6)，辅助计算软件选用bently水锤计算软件[1-2]。

2.3 计算成果

1)支洞流量成果

两台机组同时甩负荷时，12#永久支洞水力过渡过程计算成果曲线如下，其中支洞内流量变化范围为-2.1m3/s-4.6m3/s。

图1 12#支洞内流量变化

2)气体流量转换计算

根据《给水管道复合式高速进排气阀 CJ/T217-2013》气体可压缩绝热等熵计算公式：

(7)

式中：Qv为体积流量，m3/h；a为孔板的流量系数，无量纲；ε为孔板处空气的可膨胀性系数，无量纲；A1为孔板节流部位的面积，m2；△p为孔板差压，单位为帕，Pa；ρ为空气密度，单位为kg/m3，ρ=1.293kg/m3

换算到标准状态下(20℃, 101 325 Pa)的排气量：

(8)

式中：QVN为标准状态下的排气量(20℃、101 325Pa)，m3/h；ρN为标准状态下的空气密度，ρN=1.2041kg/m3(20℃时) 。

两台消能机组同时甩负荷时，12#支洞最大瞬时流量如表1：

表1

根据气体可压缩绝热等熵计算公式7，支洞瞬时流量换算为气体流量排气最大值为5.04 m3/s，为18144 m3/h。

3 支洞进排气设备选择

工程永久支洞保温门设计时采用设备是专门定制的余压阀，根据阀体两侧压力不同能调整阀体开度，同时通过阀体重锤的位置不同来平衡风压。

3.1 工作原理

将阀体安装在支洞保温大门上，当支洞洞内压力超过设定压力时，重锤位置发生偏移，洞内压缩气体通过阀体排向洞外，使得支洞内外气压平衡。当洞内压力小于设定压力时，重锤位置发生偏移，支洞外气体自动流入洞内，从而保持洞内与洞外的气压平衡。

3.2 余压阀分类

余压阀基本分为以下2种：

重锤型余压阀：阀体为可调式，一般开启气压差介于5Pa-30Pa，叶片开启角度最大为45°，阀体或框架为热镀锌钢板，叶片轴、平衡锤为Q235低碳钢，轴套为青铜。

自垂式余压阀：为定压差叶片，一般开启气压差介于10Pa-50Pa，，类似于自垂百叶。框架为热镀锌钢板，叶片为铝合金，轴承为工程塑料，轴为青铜。

由于上述使用环境为室内，而本工程使用部位为隧洞，水流波动很容易造成空气压差，为了避免余压阀频繁开启，在本工程中设计时提高了开启压力，按照0.5m水头计算，约为5kPa。

3.3 设计风量

由于可调式重锤型余压阀风量较小，考虑到本工程设计风量较大，因此选取自垂式余压阀。

表2 自垂式余压阀计算风量表 m3/h

当设计压差选用5KPa时，根据比选约为30Pa压力下通风量的6.7倍。

4.4 设备选型

根据进排气量，本次设计选用自垂式余压阀，结合保温大门结构，余压阀宽度应<1.0m，本次选取2个‘型号4’自垂式余压阀用于排气(一主一备，最大排气总量为6.7×3350=22445 m3/h，是计算排气量18144 m3/h的1.24倍)，2个‘型号4’自垂式余压阀用于补气[3-4]。

表3 自垂式余压阀特性表

3.5 安装示意图

安装示意图见图2。

图2 安装示意图

4 结论与建议

本次新型永久支洞排气系统已经成功应用在辽宁省某重点供水工程中，目前运行状态稳定。此系统解决了东北寒冷地区输供水工程正式运行中永久支洞的保温与进排气相统一的问题，同时，此系统工程施工便捷且工程投资较小，为今后类似工程具有一定的借鉴意义。

根据工程实际运用情况，建议工程首次通水或放空检修再次充水时，应根据工程实际预留的永久支洞数量、各类建筑物进排气能力及充水方式等情况，永久支洞本身的进排气功能(敞开洞门)和洞门进排气系统(关闭洞门)配合使用，进排气效果更佳。