东深供水工程恒定流及流量平衡测试研究

东深供水改造工程水力系统各元件的基本参数是由设计院根据规范和经验设计的。如果孤立的考察各元件, 设计是可行的, 甚至是最优的。但由于供水工程是一个系统工程, 各元件通过水力紧密的相互联系在一起, 根据规范和经验设计的各元件组成一个系统后, 能否正常、高效、经济的运行必须进行原型测试和深入研究。

1 工程概况

广东省东深供水工程属大流量、长距离的大型调水工程, 总长70多公里, 设计年供水量为24.23亿m3。工程自东江取水, 经四级泵站提水后进入深圳水库, 然后向深圳、香港供水 (如图1) 。供水系统沿线布置了36个分水点向东莞供水, 引水管路输水采用明渠 (包括渡槽、明槽、隧洞) 结合管涵 (包括倒虹吸、箱涵、圆形埋管) 输水, 泵站之间不设调蓄水库。各级泵站单泵流量大, 泵组台数多, 泵叶片可调节, 即可以依靠各泵站工作水泵台数和水泵叶片角度的调节进行等流量调节控制。东深供水工程为Ⅰ等工程, 主要建筑物为1级建筑物。

2 原型测试目的和意义

(1) 校核四期改造后的东深供水工程是否具备设计过流能力, 判断沿程无压隧洞、明槽、无压箱涵和渡槽等输水建筑物水面净空是否满足要求, 水深是否超过设计水深。

(2) 研究新系统在各种稳定供水工况下的水面线数据及水力特征;分析各段供水管渠的每公里水头损失值, 反演分析水力设计参数 (如糙率、局部手头损失系数) , 以作修正和研究。

(3) 研究供水系统流量平衡的自调节能力, 以及运行决策变化后相应的系统水力参数的变化过程。

(4) 观测压力流与重力流的过渡段水流衔接是否良好。

(5) 为实现东深供水工程科学调度及一流管理提供技术资料和建议。

3 原型测试方案设计

3.1 测试工况设计

3.1.1 恒定流测试

共测试5种工况的供水流量 (见表1) 。

3.1.2 流量平衡测试

共测试2种工况。

(1) 在设计供水流量下 (100m3/s) , 旗岭泵站分水流量分别减少5.0m3/s、10.0m3/s, 旗岭泵站和金湖泵站的水泵叶片角度作适当调整, 保持进水池水位基本不变。

(2) 在设计供水流量下 (100m3/s) , 旗岭泵站分水流量分别增加5.0m3/s、10.0m3/s, 旗岭泵站和金湖泵站的水泵叶片角度作适当调整, 保持进水池水位基本不变。

测试从最小流量20m3/s (工况1) 开始, 逐步提升抽水流量至设计流量100m3/s (工况5) 。

3.2 观测项目设计

(1) 水位观测。

水位观测点主要依据水力计算分段情况布设, 沿线共设126个水位观测断面。

(2) 流量观测。

流量观测断面主要依据流量平衡分析及水力计算分段情况布设, 沿线共设26个流量观测断面 (包括人工及自动化观测) 和36个分水口流量记录。

(3) 流态观测。

流态观测内容: (1) 压力流与重力流的过渡段水流衔接是否良好, 流态是否稳定; (2) 发生水跃的陡坡段水跃是否正常、稳定; (3) 各分水口流态是否正常、稳定; (4) 该发生均匀流的顺直无压段是否接近均匀流; (5) 输水道流量变化过程中有否引起明显的水力振荡等不利现象。

(4) 泵站机组调节及耗电记录。

主要记录输水道流量改变后所进行的机组调节及相应耗电数据, 以寻找最优流量平衡调度决策。

4 恒定流测试成果分析

测试完成后, 对原始观测资料进行可靠性检查、一致性检查、粗差及误差处理, 然后进行统计、换算和作图, 最后整编成可供分析的测试观测成果。

4.1 水面线观测成果分析

4.1.1 观测成果

(1) 在各种恒定流量供水工况下, 实测水面线保持比较稳定, 趋势平稳。

(2) 在设计供水流量下 (工况5) , 输水系统沿线无压段均有大于80cm的水面净空, 无压隧洞有大于15%的净空面积, 均大于设计值。

(3) 小流量供水工况下 (工况1) , 有4个分水口没有淹没 (实测水面线低于设计水面线) 。

4.1.2 成果分析

(1) 设计流量供水条件下, 输水系统沿程无压段水面净空大于设计要求 (实测水面线低于设计水面线) , 表明输水道具有100m3/s的设计过流能力。

(2) 输水道沿程水面净空还有一定的富余, 说明输水系统具有提升供水能力的潜力, 但实际潜力的大小需做进一步系统性研究。

(3) 小流量供水工况下, 沿程有4个分水口没有被淹没, 表明在小流量工况下分水口将发生取水困难或供水量计量不准 (文丘里管计量) , 需采取工程措施加以完善。

4.2 流态观测成果分析

4.2.1 观测成果

(1) 除竹尾田双埋管进口外, 在5种测试工况下输水系统沿程压力流与重力流过渡段水流衔接良好, 流态稳定;顺直无压段水深接近均匀流水深, 水流平顺;有压段进、出口均被淹没。

(2) 大流量供水工况下, 竹尾田双埋管进口连接段发生水跃, 但水跃不稳定。同时连接段进口出现漩涡、回流和间断性水流冲击砼墙等现象, 水流流态较差, 达不到设计要求。

(3) 小流量供水工况下, 竹尾田双埋管进口等5处陡坡段发生急流, 出现水跌和水跃现象, 但其影响在一定渠段内衰减消失。

4.2.2 成果分析

(1) 除竹尾田双埋管进口除外, 各个测试工况下输水系统水流平顺, 流态良好, 符合设计要求。

(2) 竹尾田双埋管进口流态较差, 达不到设计效果, 需要进一步研究整治措施。

4.3 水头损失计算及糙率反演分析

根据观测资料, 计算沿线各渠段的总水头损失、局部水头损失及沿程水头损失。计算结果详见表2。

从表2可以看出, 在设计流量供水工况下, 输水系统每公里总水头损失的整体平均值为68.5cm (其中沿程水头损失占81.7%) , 较设计值小4.4cm, 表明新建工程砼表面处理工艺比设计预期效果好, 有效降低了工程运行能耗, 产生了良好的经济效益。

4.3.1 糙率反演分析

根据观测成果对沿线水工建筑物糙率进行反演分析, 反演结果整理后见表3。

从表3的反演成果可以看出:

(1) 明流建筑物的平均糙率小于设计糙率n/ (0.014) , 有压建筑物大于设计糙率n/ (0.015) , 表明工程投产后明流建筑物糙率变化较小, 有压建筑物糙率变化较大 (内壁滋生附着物) 。

(2) 内壁有涂料的明流建筑物糙率远小于无涂料建筑物, 说明内壁涂料对糙率影响较大, 其降低能耗的效果良好。

(3) 上游段有压管的糙率高达0.01603, 而中下游段有压管糙率为0.01415, 说明上游段有压管滋生淡水壳菜的情况比中下游严重得多, 上游段有压管已成为控制供水系统过流能力的瓶颈。因此, 为保证过流能力和降低能耗, 须及时清理有压管中的淡水壳菜, 并应研究科学防止淡水壳菜滋生的措施。

(4) 内壁无涂料的明流建筑物平均糙率为0.01344, 比设计值小, 表明新建工程的混凝土表面处理工艺水平较高。

4.3.2 误差分析

由误差理论可知, 在各种测量中, 粗差、偶然误差的存在是不可避免的。计算成果的误差主要受水位观测误差、流量观测误差、断面局部水头损失系数取值与实际情况的差异、起始断面位置选取等传递影响。经测算, 各组观测资料序列的离散程度较小, 结果可靠。

4.4 恒定流测试结论

(1) 输水系统具有设计过流能力100m3/s, 且有进一步提升供水能力的潜力。

(2) 大流量供水条件下, 除竹尾田双埋管进口外, 输水系统沿程流态良好, 符合设计要求。竹尾田双埋管进口连接段的流态较差, 不满足设计要求, 需进行流态整治。

(3) 单机小流量供水工况下, 沿程共有3个分水口没有淹没, 需要整治。

(4) 在设计供水流量下, 新供水系统每公里总水头损失较设计值小, 有效降低工程能耗。

(5) 输水道糙率小于设计糙率, 水工建筑物整体能耗超越设计预期。

(6) 内壁涂料对建筑物糙率影响较大, 其降低能耗的效果良好。

(7) 上游段有压管已滋生淡水壳菜, 为保证过流能力和降低能耗, 须及时清理, 并应尽快研究科学防治措施。

5 流量平衡调节能力分析

东深供水工程在运行过程中, 由于工况变化会造成系统中的流量不平衡, 需要采用合理的控制规律来调节系统中流量平衡。本次流量平衡测试的主要目的在于了解输水系统的自调节能力, 了解运行决策变化后相应的系统水力参数的变化过程。

5.1 旗岭泵站进水池分水流量减小后流量平衡调节能力分析

(1) 测试结果表明, 调整太园泵站和莲湖泵站的运行状况能很快在各水道中形成稳定运行状态, 不会导致各站进出水池中出现过高或过低水位。

(2) 旗岭泵站进水池分水流量减少5m3/s和10m3/s后按调整方案运行的各泵站出水道水位变化过程比较平缓。

5.2 旗岭泵站进水池分水流量增加后流量平衡调节能力分析

(1) 测试结果表明系统有较好的流量平衡调节能力。在上述开机决策下, 分水流量的变化对太园泵站出水道水位影响较小;莲湖泵站出水道上游水位变化不大, 但旗岭泵站进水池水位逐渐降低;旗岭泵站出水道整体水位下降, 当分水流量增加5m3/s时, 在t=288min后金湖泵站进水池水位下降到20.5m, 此时进行运行调节, 当分水流量增加10m3/s时, 在t=163min后金湖泵站进水池水位下降到20.5m, 此时进行运行调节;金湖泵站出水道水位在泵站调整运行方案后有所下降, 最终趋于稳定。

5.3 流量平衡与调节测试结论

通过对测试资料的计算分析, 旗岭泵站进水池分水流量改变后, 系统水力变化正常, 并最终达到稳定, 没有出现异常现象, 这表明系统具有较好的流量平衡调节能力。测试主要结论如下。

(1) 从测试成果分析可知, 当系统用水需求的改变导致站与站间流量出现较大的变化时, 可以采用泵组运行台数的变化来实现流量的平衡, 但对于较小范围内的流量变化则应充分利用泵组的叶片角度调节进行调度决策, 以减少水泵的频繁起动, 同时避免弃水, 实现梯级泵站系统的经济运行。

(2) 测试结果表明, 东深供水工程具有较好的自调节能力, 当旗岭泵站的分水流量分别减小或增加5.0和10.0m3/s时, 通过全调节叶片泵的不同叶片角度的组合, 即可以寻求最佳的工况配合与流量的匹配。

(3) 当旗岭泵站进水池分水流量减小或增加时, 流量平衡应以不超过原输水道的输水能力为原则。

6 结语

综观东深供水工程恒定流及流量平衡测试成果, 可以看出, 作为国内大型梯级调水工程, 东深供水工程输水道具备100m3/s的设计供水能力, 并具有很强的流量平衡调节能力。系统的自调节能力为泵站的优化调度和经济运行提供了强有力的技术支持。未来需进一步完善梯级泵站全系统经济运行方式, 尽快研究防治淡水壳菜的有效措施, 为创建世界一流的跨流域大型调水泵站工程奠定更加坚实的基础。

摘要：通过全系统恒定流测试, 由水面曲线验证了池岸渠顶、洞顶 (包括箱涵) 等高程的合理性及系统具备设计过流能力。同时对泵站、水库及泵站间连接管、渠、洞的稳态及非稳态的流量进行了流量平衡测试, 分析了系统流量平衡的调节能力和机组最优调节方式。

关键词：供水工程,恒定流,流量平衡,原型测试,糙率,反演分析