超长有压隧洞的段中控制后段减压系统及充排水控制方法与流程

1.本发明涉及土木工程中的水利工程建筑领域，具体涉及一种超长有压隧洞的段中控制后段减压系统及充排水控制方法。


背景技术：

2.随着经济社会的发展，水资源问题日益突出，许多地区跨流域调水的需求日益强烈。长距离调水工程主要有无压输水和有压输水两种方式，无压输水可通过渠道或无压隧洞实现，有压输水主要是使用有压隧洞的方式。隧洞以其灵活的布置、对地面环境的较小影响成为目前长距离调水工程的主要实现手段，其中又以无压隧洞较为常见。目前国内已建和在建的长距离调水工程中，引大济湟工程、大伙房水库输水工程、北疆供水工程、引汉济渭工程、新疆abh工程、滇中引水工程等工程主体建筑物均为超长无压隧洞，仅辽宁引松工程长春干线丰满水库-饮马河段隧洞，以及千岛湖配水工程干线为超长有压隧洞。
3.与无压隧洞相比，有压隧洞具有布置更加灵活、开挖断面较小、超泄能力大等优点。布置上有压隧洞在保持洞内水头的情况下受水面线影响较小，可以灵活转弯以避开环境敏感区域、地质复杂区域等；由于无压隧洞需要保持洞内净空，而有压隧洞充分利用了洞内断面过水，因而有压隧洞的开挖断面较小，开挖施工难度略低，经济性较好；大型水利工程的设计使用年限一般在100年及以上，为了充分应对随着后续经济发展而继续增长的水资源需求，有压隧洞的输水能力可随着上下游水头差的加大而增大，更好的适应未来发展的需求。同时有压隧洞也有一些缺点，如内水压力大、水力过渡过程复杂、水锤防护问题等。
4.有压隧洞后段接近出口受水区，埋深常较浅，若采用传统末端控制的方式，当末端检修闸门关闭时，后段隧洞需要承受上游库水位带来的静水压力，遇到围岩条件不理想、埋深较浅的情况，常需要设置钢内衬来抵抗内水压力，会大大影响工程投资和工期。以引江补汉工程后段浅埋段为例，若采用末端控制方案，由于工程的最高取水水位为三峡水库正常蓄水位175.0m，工程末端位于丹江口坝下，后段浅埋段隧洞底高程约70～76m，最大内水压力超过100m，根据结构计算的结果，约14km长的隧洞需要设置钢内衬。钢衬施工时难以同步进行隧洞的钻爆法开挖，施工工序上由于洞内工作面受限，洞内钢管运输、焊接安装等工序占压直线工期。为了避免钢衬段制约工期，还需要额外增设施工支洞。
5.传统有压隧洞的控制设施设在隧洞末端，来保证隧洞内的有压流状态(如图1)。当控制闸门关闭时，可以迅速切断水流，闸门前会出现正压水锤，闸门后压力为下游水压力，整条隧洞都要承受上游水位带来的巨大静水压力，给隧洞结构尤其是浅埋洞段的结构带来了挑战，且存在一定的安全隐患。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种超长有压隧洞的段中控制后段减压系统及充排水控制方法，突破传统的有压隧洞末端控制方式，解决隧洞后段内水压力高的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
8.一方面，本发明提供一种超长有压隧洞的段中控制后段减压系统，所述有压隧洞入口与上游水库相连，其出口与下游河道相连；所述减压系统包括：
9.控制闸门，所述控制闸门设置于所述有压隧洞中段并将其分隔为前后两段，通过控制闸门开度来控制通过系统的输水流量；
10.稳压室，所述稳压室设于控制闸门之后并与所述有压隧洞的后段连通，用于稳定水跃后的水面波动以及在所述有压隧洞的后段有负压趋势时向其补水；以及
11.两个检修闸门，两个所述检修闸门分别设于所述有压隧洞的入口和出口处。
12.优选的是，所述有压隧洞的后段采用逆坡设计，所述稳压室底高程需低于所述后段有压隧洞的末端底高程。
13.优选的是，所述稳压室顶高程需高于下游河道常水位。
14.优选的是，所述稳压室顶部设有通气井，用于平衡稳压室中的气压。
15.优选的是，所述稳压室采用大容积、大长度的结构设计。
16.另一方面，本发明提供一种超长有压隧洞的段中控制后段减压系统的充排水控制方法，所述充排水控制方法包括：
17.隧洞充水时，保持控制闸门关闭状态，分别从有压隧洞的进口和出口向隧洞前段和后段内充水，充水完成后开启控制闸门，前段隧洞中的水流经过控制闸门流入稳压室，随着稳压室水位的升高，后段隧洞内水流开始加速流向下游出口，稳压室水位波动后趋于稳定，前段隧洞流入稳压室的水量和稳压室流入后段隧洞的水量达到平衡，即为整个隧洞系统的输水流量，隧洞充水过程完成，隧洞进入正常运行状态；
18.隧洞排水时，缓慢关闭控制闸门，阻隔前段隧洞内的水流，稳压室中的水补充进入后段隧洞，后段隧洞内水体继续流向下游，稳压室水位下降。随着稳压室水位的下降，后段隧洞内水流变缓，直至水流停止；经过波动后，稳压室水位与后段隧洞出口河道或水库的水位相同，后段隧洞仅承受下游河道或库水位带来的内水压力，待隧洞内水位稳定后，关闭隧洞进口和出口的检修闸门，将隧洞内剩余水体采用水泵抽出，完成隧洞排水过程。
19.本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
20.(1)本发明专利突破了有压隧洞末端控制的传统思路，采用段中控制方案大大减小了后段隧洞的最大内水压力，减小了工程风险、施工难度和工程投资。
21.(2)本发明专利采用的段中控制+稳压室+后段逆坡设计，有效改善了闸后隧洞流态，避免了明满流交替的问题，可使下游隧洞保持稳定的有压流态。
附图说明
22.图1是常规的末端控制方案的布置及运行条件示意图，图中a为隧洞进口处，c为隧洞出口处，h0为隧洞进口底高程，h1为上游水库最高供水水位，h2为上游水库最低供水水位，h3为下游出口常水位，h7是有压隧洞末端底高程，d1为正常运行状态下隧洞进口到控制闸门处的最高总水头线(上游水库处于最高供水水位)，e1为正常运行状态下隧洞进口到控制闸门处的最低总水头线(上游水库处于最低供水水位)；
23.图2是本发明段中控制方案的布置及运行条件示意图；图中b为控制闸门处，h4为稳压室内最高瞬态水位，h5为稳压室内正常运行高水位(上游水库处于最高供水水位)，h6
为稳压室内正常运行低水位(上游水库处于最低供水水位)，h8为稳压室底高程，h9为有压隧洞前段末端底高程，d2为正常运行状态下隧洞进口经控制闸门到隧洞出口处的最高总水头线(上游水库处于最高供水水位)，e2为正常运行状态下隧洞进口经控制闸门到隧洞出口处的最低总水头线(上游水库处于最低供水水位)，a、c、h0、h1、h2、h3、h7与图1中对应标号的含义相同；
24.图3是本发明稳压室处的详细结构示意图。
25.图中标号：1、稳压室；2、控制闸门；3、检修闸门；4、通气井。
具体实施方式
26.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
27.对于有压隧洞传统的末端控制方式，当闸门关闭时，可以迅速切断水流，闸门前会出现正压水锤，闸门后就是下游开敞的受水河道或水库；而采用段中控制的方式，当关闭闸门时，闸后水体由于惯性会继续涌向下游，有产生负压的可能，需要采取措施避免。
28.本发明的技术方案是通过将有压长隧洞的控制建筑物前移到中段，来减小后段隧洞承受的最大内水压力，同时设置稳压室结合逆坡以避免闸后由于水流惯性拉空而带来的负压问题，其具体方案如下：
29.如图2和3所示，本发明提供一种超长有压隧洞的段中控制后段减压系统，所述有压隧洞入口与上游水库相连，其出口与下游河道相连；其特征在于，所述减压系统包括：
30.控制闸门2，所述控制闸门2设置于所述有压隧洞中段并将其分隔为前后两段，通过控制闸门开度来控制通过系统的输水流量；其中，控制闸门在整个隧洞中的位置应根据地形地质和运行调度条件综合考虑，因为控制闸门越靠前，后段隧洞的水体质量越大，惯性越大，造成负压脱空的可能性越大；而控制闸门越靠后，则后段减压部分的长度越小，高内压洞段的长度越大，衬砌支护的工程量就越大。
31.稳压室1，所述稳压室1设于控制闸门2之后并与所述有压隧洞的后段连通，用于稳定水跃后的水面波动以及在所述有压隧洞的后段有负压趋势时向其补水；稳压室1可以减小流量调节时在所述后段隧洞产生的水锤压力；稳压室1顶高程应高于后段隧洞最高运行水位，底板与后段隧洞平顺连接，有较大的长度(底板采用长缓坡设计)，使闸后水跃产生的水面波动在稳压池里消减，且有较大的调节能力即容积，保证后段隧洞的最小运行内水压力仍高于隧洞顶2米以上。
32.两个检修闸门3，两个所述检修闸门3分别设于所述有压隧洞的入口和出口处。
33.其中，所述有压隧洞的后段采用逆坡设计，所述稳压室1底高程需低于所述有压隧洞的后段末端底高程。在隧洞出口位置和高程固定的条件下，采用逆坡降低了整个洞线高程，有利于保证后段隧洞的有压运行状态。逆坡的坡度应根据地质情况和运行调度条件综合考虑后确定，因为在隧洞出口位置和高程固定的情况下，逆坡越大越容易保证后段隧洞的有压运行状态，但控制闸及稳压室的埋深越大，可能会带来额外的支护工程量。
34.如图3所示，在具体的实施过程中，控制闸门2可采用弧形闸门。为了快速补气，在控制室末端顶部设置通气井，通气井向外延伸至地面与外界大气相通。
35.其中，根据《水工隧洞设计规范》(sl279-2016)，有压隧洞不应出现明满流交替的流态，在最不利运行条件下，全线洞顶处最小压力水头不应小于2.0m。稳压室1的体积按此标准设计，确保所述稳压室1最低运行水位比所述后段有压隧洞起点顶高程高2m以上。
36.对比图1和图2中的总水头线可以看出，代表正常运行状态(控制闸门2处于开启状态)的最高总水头线d1和d2以及最低总水头线e1和e2在整体上变化较小，仅在ab段略微变小，bc段略微变大。当控制闸门2处于关闭状态时，有压隧洞内的静水压力前后段不同，即在ab段没有变化(如图1和2，ab段仍然承受上游水库的水压力)，在bc段从与上游水位相同(如图1，bc段承受上游水库的水压力)变为了与下游水位相同(如图2，稳压室1内的静水位与下游河道或库水位相同，bc段仅承受下游水位带来的水压力)，大大减少了bc段承受的最大内水压力。
37.基于上述结构，本发明提供一种超长有压隧洞的段中控制后段减压系统的充排水控制方法，包括：
38.工程运行中，当需要关闭隧洞时，则先缓慢关闭图1中b处控制闸门2，ab段的水体流动受阻(往隧洞进口传播正水锤压力)，波动后缓慢停止流动；bc段的水体则继续往下游流动，稳压室1里的水补充进bc段隧洞，稳压室内水面逐渐降低，bc段内流速减缓，波动后缓慢静止。待隧洞中水停止流动后，ab段、bc段隧洞分别与a处上游水位、c处下游水位平压，此时ab段隧洞的内水压力达到最大，等于上游水库的最高供水水位h1与隧洞底板高程之差，bc段隧洞的内水压力等于下游河道的常水位h3与隧洞底板高程之差。之后再关闭隧洞入口和出口处的检修闸门3，将洞内水体用水泵抽出，完成隧洞排空，以创造检修条件。
39.检修完毕重新启动隧洞输水时，先用隧洞入口a处和出口c处的充水阀分别从两端向洞内充水，使ab段隧洞与上游水库平压，bc段隧洞与下游河道或水库平压，水流静止。之后根据流量需求和调度方案缓慢启动b处的控制闸门2至需要的开度，ab段隧洞水流启动，流进稳压室1，稳压室1内水位升高，bc段隧洞内水体开始向下游出口流动。随着稳压室1水位的升高，ab段隧洞的水头差减小，流量减小；bc段隧洞的水头差增大，流量增大。流入稳压室与流出稳压室的流量逐渐稳定相等后，稳压室1中水位达到稳定状态，隧洞完成启动，进入正常运行状态。
40.从图2可以看出，ab段隧洞最大内水压力出现在b处控制闸门2挡水工况，bc段隧洞最大内水压力出现于输水运行工况。由于控制闸门2前移到了中段b处，使得bc段隧洞与上游水库之间的连通被控制闸门2隔断，后段隧洞承受的最大内水压力远远小于末端控制的方案。对于浅埋洞段，由于承受的最大内水压力大大减小，无需再设置钢衬，显著节约了工程投资和工期。
41.为了更好的说明本发明的技术效果，现结合具体实施案例进行详细说明。
42.以引江补汉工程为例，按传统有压隧洞末端控制的方式，整段隧洞在静水下均要承受上游三峡水库高达175m的最高供水水位带来的最大102m的静水压力，这对于围岩较好、外水压力较大的深埋隧洞来说不属于控制工况，但对于围岩破碎的浅埋段，就需要大大的加强隧洞支护措施。经过计算约有14km长的后段浅埋隧洞需设置钢内衬。采用段中控制方案后，后段30km的隧洞承受的最大内水压力对应三峡水库水位175m，此时隧洞运行水位
最高约103m并往隧洞出口递减至下游河道水位约88m，启门瞬态稳压室内最高水位约105.8m，考虑后段隧洞的底板高程为70～76m逆坡，则后段隧洞最大内水压力为35.8m，较末端控制方案减小了60余m。经结构计算，采用末端控制方案，后段隧洞基本可以取消钢内衬，由此节约的直接工程投资超过10亿元，并可大大加快施工进度，减小了工程风险。
43.对于有压隧洞来说，明满流交替带来的空化空蚀、振动等问题会严重威胁隧洞结构耐久性。传统的有压隧洞末端控制方式保证了隧洞的有压状态，闸门启闭时由于闸后接水库或者出口河道等开扩的空间，仅会在闸前产生水锤压力。随着压力波的反射，洞内压力会上下波动一段时间，但容易保证洞内的有压流态。将控制闸前移后，闸后的洞段在隧洞关闭过程中由于前段隧洞的来水减少，后段隧洞内水体在惯性的影响下继续流出，容易产生负压，可能产生明满流交替，带来一系列安全问题，这是《水工隧洞设计规范》(sl 279-2016)以强制性条文的形式规定不允许出现的情况。以引江补汉工程为例，将控制闸前移至桩号164km处，把约194km长的有压隧洞分成了前后分别164km和30km长的两段，在闸后设置了高40m，运行容积约4.3万方的地下稳压室。在闸门开度减小的操作下，后段隧洞内水体继续流向下游，稳压室向后段隧洞补水，并随着稳压室内水位的下降而逐渐减缓。后段隧洞内水流缓慢减速，产生负水锤向下游传播，经过约27秒到达隧洞出口河道之后转变为正水锤，从隧洞出口向上游传播，在稳压室的有限空间内反射，产生正水锤波叠加向出口传播，到达出口后转变为负水锤波再往上游传播，由此完成水锤波传播的一个周期四个阶段。根据引江补汉工程可行性研究阶段的工程布置和调度方式进行模拟计算，稳压室内闭门瞬态最低水位为84.5m，随着上游三峡水库以及下游汉江水位变化，稳态运行水位范围为96.0m～101.0m。通过设置后段隧洞约1:5000的逆坡，将后段隧洞的高程降低，使后段隧洞洞顶始终低于最小瞬态最低水头线3.3m以上，使后段隧洞可保持稳定的有压流态。
44.以上所述仅仅是本发明的优选实施方案，但是本发明并不局限于上述的具体实施方案。在本领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干修改、补充或改用类似的方法替代，这些也应视作本发明的保护范围。