黃花灘灌區(qū)重力流管道水力計算

廖敏忠

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院 甘肅 蘭州 730000）

1 概況

黃花灘灌區(qū)位于古浪縣北部的黃花灘、西靖兩鄉(xiāng)，黃花灘灌區(qū)渠系由干渠、分干渠、支渠3級渠（管）道組成，其中黃花灘干渠30.56km，南分干渠 14.535km，北分干渠22.107km，提灌分干渠8.629km，南分干所屬3條支渠16.278km，北分干所屬2條支渠10.61km。本文以南分干為例，進行工況分析和計算。

2 基本參數(shù)

2.1 供水方式

黃花灘干渠末端出水池至各分干、支渠管網(wǎng)間有100m左右的高差，選擇重力流供水。

2.2 設(shè)計供水規(guī)模

根據(jù)灌區(qū)供需平衡分析結(jié)果，確定南分干設(shè)計流量為1.12m3/s。

2.3 輸水管道的布置

根據(jù)工程區(qū)的地形條件由黃花灘干渠末端出水池從高到低輸水，采用重力流方式輸水。南分干管網(wǎng)布置詳見管網(wǎng)節(jié)點示意圖。

南分干輸水管道起點從黃花灘干渠末端出水池引水，向西南輸水，全長14.535km，沿途設(shè)3個支渠分水口，12個斗口。

3 水力仿真計算

3.1 水力仿真計算簡介

水力仿真計算是采用限元法（FEM）、離散元法（DEM）以及計算流體動力學（CFD）方面的數(shù)值模型和算法研究及其在水利工程數(shù)值計算與仿真領(lǐng)域的應(yīng)用，主要研究內(nèi)容包括：固體結(jié)構(gòu)靜動力分析、復(fù)雜流動數(shù)值模擬、流固耦合問題分析、高性能并行計算。

本項目水力過程分析主要應(yīng)用的軟件包為PIPE2000流體力學工程計算軟件包系統(tǒng)。Pipe2000結(jié)合了所有流行的建模優(yōu)勢，形成了數(shù)個強大的功能體系。在Windows（98/NT4/NT5/2000/XP）GUI系統(tǒng)當中完成恒態(tài)、瞬變態(tài)、氣體以及蒸氣模型，并與強大的圖紙軟件有機地結(jié)合成智能化方案型軟件。

3.2 計算方法

3.2.1 穩(wěn)態(tài)計算

對管網(wǎng)水力過渡過程的研究通常是建立在穩(wěn)定流態(tài)的基礎(chǔ)上，穩(wěn)態(tài)管網(wǎng)計算的基礎(chǔ)方程有壓降方程、節(jié)點連續(xù)性方程、能量方程以及虛環(huán)方程。管網(wǎng)計算時，消去h，以q為未知量的計算方法，稱為流量法；消去q，以節(jié)點水壓H為未知量的計算方法，稱為水壓法，是管網(wǎng)計算的兩種主要方法。

按照流量最大取水口最多，距離管線末端最遠，高差最大的基本原則確定的最不利工況，將最不利工況作為控制工況對系統(tǒng)中采用的各種管材的承壓能力進行校核。通過在管網(wǎng)設(shè)置減壓閥，調(diào)整相關(guān)過流閥門的開度控制管段流量，使得各個管段的流量均在最大流量最小流量、設(shè)計流量工況下運行，同時使得各管段均能滿足承壓要求，計算并繪制不同工況管網(wǎng)壓力線。分析最大壓力出現(xiàn)位置和壓力變化情況。本文采用恒定流穩(wěn)態(tài)水力計算方法

圖1 南分干管網(wǎng)節(jié)點示意圖

表1 南分干渠控制工況

3.2.2 瞬態(tài)計算

瞬態(tài)水力計算，采用明渠非恒定流計算模型。對所有過流斗口閥門的開度都進行適當?shù)恼{(diào)整，使得其閥前壓力可以滿足穩(wěn)態(tài)計算中工況一加大流量下的要求，在這種運行工況下，所有過流斗口的閥門均采用線性規(guī)律關(guān)閉。對管網(wǎng)不同工況下加大流量運行情況進行關(guān)閥工況的計算，然后對其最小流量和設(shè)計流量的情況進行校核計算。關(guān)閥計算工況包括關(guān)閉所有過流出口閥和工況間切換的計算。

4 恒定流水力仿真計算

首先確定出最不利工況，將最不利工況作為控制工況對系統(tǒng)中采用的各種管材的承壓能力進行校核。根據(jù)提供的基本資料按照流量最大取水口最多，距離管線末端最遠，高差最大的基本原則確定的最不利的控制工況主要有以下兩種，分別稱為工況一和工況二，表1即為在最不利工況下的南分干系統(tǒng)的流量分配。

4.1 工況一

4.1.1 無任何防護措施

根據(jù)提供的基本資料對系統(tǒng)進行建模計算，整個系統(tǒng)是一個重力流的管網(wǎng)系統(tǒng)，在邊界條件的設(shè)置上，首先采用每個斗口或者取水口的末端壓力為20m。根據(jù)計算的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，如果將斗口的壓力設(shè)置為20m，那么整個管線中的壓力都會相應(yīng)的升高，如果要滿足相應(yīng)的設(shè)計流量的話，那么在穩(wěn)態(tài)運行時，管線的很多位置都不能滿足承壓要求；如果要滿足承壓要求，那么管線中的流量就不能滿足設(shè)計要求，因此將每個取水斗口末端的壓力設(shè)置為0m。而最靠近管線末端的取水斗口不在管線末端的支渠，對其管線末端采取的邊界條件是流量為0。對南分干渠進行計算，在沒有任何防護措施的情況下，在加大流量工況運行時，南分干渠的管線壓力包絡(luò)線見下圖2。管線中的最大壓力出現(xiàn)在管線末端的樁號11+472.41處，最大壓力為95.42m，在整個管線中絕大部分范圍內(nèi)都不能滿足承壓要求。

4.1.2 加大流量

鑒于上節(jié)中穩(wěn)態(tài)時，在整個南分干渠中絕大部分范圍內(nèi)管路都不能滿足承壓要求，同時在南三支管中出現(xiàn)了負壓，在南分干渠上設(shè)置一個減壓閥，定義為南一減壓閥，其樁號為10+726.71。將相關(guān)過流閥門的開度進行了適當?shù)恼{(diào)整，使得各個管段的流量均在設(shè)計的加大流量工況下運行，同時，使得各管段均能滿足承壓要求，此時系統(tǒng)最大壓力出現(xiàn)在南分干渠樁號9+791.21處，其值為49.55m，最小壓力為0m。

圖2 南分干渠管線壓力線

圖3 南分干渠管線壓力線

圖4 南分干渠管線壓力線

圖5 南分干渠管線壓力線

南分干渠減壓：南一減壓閥閥前壓力49.39m，閥后壓力1.91m，減壓47.79m。穩(wěn)態(tài)運行時整個南分干渠干管的壓力包絡(luò)線見圖3。從圖中可以看到由于在南分干渠上減壓閥的設(shè)置，在管線中間的位置，管線中的壓力均出現(xiàn)了明顯的直線型下降，而在管線末端由于其邊界條件設(shè)置的出口壓力是0m，所以在此處的壓力從閥前的接近50m也變?yōu)?m。

圖6 南分干渠管線壓力線

圖7 南分干渠管線壓力線

圖8 南分干渠管線壓力線

4.1.3 設(shè)計流量

在南分干渠上設(shè)置一個減壓閥，定義為南一減壓閥，其樁號為10+726.71的基礎(chǔ)上，將相關(guān)過流閥門的開度進行了適當?shù)恼{(diào)整，使得各個管段的流量均在設(shè)計的設(shè)計流量工況下運行，且均能滿足承壓要求，此時系統(tǒng)最大壓力出現(xiàn)在南三支渠末端樁號7+941.4處，其值為52.57m，最小壓力為0m。

南分干渠減壓：南一減壓閥閥前壓力52.13m，閥后壓力1.73m，減壓50.4m。穩(wěn)態(tài)運行時整個南分干渠干管的壓力包絡(luò)線見圖4從圖中可以看到由于在南分干渠上減壓閥的設(shè)置，在管線中間的位置，管線中的壓力均出現(xiàn)了明顯的直線型下降，而在管線末端由于其邊界條件設(shè)置的出口壓力是0m，所以在此處的壓力從閥前的接近50m也變?yōu)?m。

4.1.4 最小流量

在南分干渠上設(shè)置一個減壓閥，定義為南一減壓閥，其樁號為10+726.71的基礎(chǔ)上，將相關(guān)過流閥門的開度進行了適當?shù)恼{(diào)整，使得各個管段的流量均在設(shè)計的最小流量工況下運行同時，使得各管段均能滿足承壓要求，此時系統(tǒng)最大壓力出現(xiàn)在南三支渠末端樁號7+941.4處，其值為80.23m，最小壓力為0m。

南分干渠減壓：南一減壓閥閥前壓力55.18m，閥后壓力1.49m，減壓53.69m；穩(wěn)態(tài)運行時整個南分干渠干管的壓力包絡(luò)線見圖5從圖中可以看到由于南分干渠上減壓閥的設(shè)置，在管線中間的位置，管線中的壓力均出現(xiàn)了明顯的直線型下降，而在管線末端由于其邊界條件設(shè)置的出口壓力是0m，所以在此處壓力從閥前的接近53m也變?yōu)?m。

4.2 工況二

4.2.1 加大流量

在南分干渠上設(shè)置一個減壓閥，定義為南一減壓閥，其樁號為10+726.71。將相關(guān)過流閥門的開度進行了適當?shù)恼{(diào)整，使得各個管段的流量均在設(shè)計的加大流量工況下運行。同時，使得各管段均能滿足承壓要求，此時系統(tǒng)最大壓力出現(xiàn)在南分干渠樁號11+472.71處其值為48.62m，最小壓力為0m。

南分干渠減壓：南一減壓閥閥前壓力44.17m，閥后壓力3.02m，減壓41.15m。穩(wěn)態(tài)運行時整個南分干渠干管的壓力包絡(luò)線見圖6從圖中可以看到由于在南分干渠上減壓閥的設(shè)置，在管線中間的位置，管線中的壓力均出現(xiàn)了明顯的直線型下降，而在管線末端由于其邊界條件設(shè)置的出口壓力是0m，所以在此處的壓力從閥前的接近48m也變?yōu)?m。

4.2.2 設(shè)計流量

在南分干渠上設(shè)置一個減壓閥，定義為南一減壓閥，其樁號為10+726.71的基礎(chǔ)上，將相關(guān)過流閥門的開度進行了適當?shù)恼{(diào)整，使得各個管段的流量均在設(shè)計的設(shè)計流量工況下運行，同時使得各管段均能滿足承壓要求，此時系統(tǒng)最大壓力出現(xiàn)在南三支渠末端樁號7+941.4處，其值為52.63m，最小壓力為0m。

南分干渠減壓：南一減壓閥閥前壓力49.39m，閥后壓力0.65m，減壓48.74m。穩(wěn)態(tài)運行時整個南分干渠干管的壓力包絡(luò)線見圖7。從圖中可以看到由于在南分干渠上減壓閥的設(shè)置在管線中間的位置，管線中的壓力均出現(xiàn)了明顯的直線型下降，而在管線末端由于其邊界條件設(shè)置的出口壓力是0m，所以在此處的壓力從閥前的接近50m也變?yōu)?m。

4.2.3 最小流量

在南分干渠上設(shè)置一個減壓閥，定義為南一減壓閥，其樁號為10+726.71的基礎(chǔ)上，將相關(guān)過流閥門的開度進行了適當?shù)恼{(diào)整，使得各個管段的流量均在設(shè)計的最小流量工況下運行，同時使得各管段均能滿足承壓要求，此時系統(tǒng)最大壓力出現(xiàn)在南三支渠末端樁號7+941.4處，其值為80.69m，最小壓力為0m。

南分干渠減壓：南一減壓閥閥前壓力54.95m，閥后壓力1.37m，減壓53.58m。圖8中可以看到由于在南分干渠上減壓閥的設(shè)置，在管線中間的位置，管線中的壓力均出現(xiàn)了明顯的直線型下降，而在管線末端由于其邊界條件設(shè)置的出口壓力是0m，所以在此處的壓力從閥前的接近53m也變?yōu)?m。

5 結(jié)論及建議

本文對管道水力仿真計算方法進行簡介，以黃花灘灌區(qū)南分干渠為例，系統(tǒng)的介紹了恒定流下設(shè)計工況和其它工況下管網(wǎng)水力仿真計算。首先確定最不利工況，分為工況一、工況二，將最不利工況作為控制工況對系統(tǒng)中采用的各種管材的承壓能力進行校核。通過在南分干上設(shè)置減壓閥，調(diào)整相關(guān)過流閥門的開度控制管段流量，工況一又分為無任何防護、加大流量、設(shè)計流量和最小流量，工況二又分加大流量、設(shè)計流量和最小流量，分別計算7種工況下管道的壓力線，判斷最大壓力值出現(xiàn)位置及壓力大小，分析管道壓力變化，為后續(xù)管網(wǎng)安裝、運行和維護提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

根據(jù)上述計算結(jié)果，主要有以下幾點建議：

（1）在南分干渠上設(shè)置一個減壓閥，定義為南一減壓閥，其樁號為10+726.71。

（2）在南分干渠局部凸高點裝設(shè)2個進排氣口徑相同的普通式進排氣閥，其樁號及具體尺寸為6+18.75（150mm/150mm）,10+726.71（150mm/150mm）。

（3）在整個系統(tǒng)啟動過程中，鑒于南分干渠的管道承壓能力有限，為了保證系統(tǒng)的安全，鑒于每一次啟動都采用空管啟動，即要求在關(guān)閥的過程中將整個系統(tǒng)放空，在啟動過程中慢慢注水同時將所有的過流斗口的閥門都打開這樣逐漸啟動。

（4）為了保證系統(tǒng)的安全運行，整個系統(tǒng)中的一切設(shè)備例如管道、減壓閥、截斷閥、進排氣閥等相應(yīng)的設(shè)備在投入運行之前都必須進行耐壓現(xiàn)場試驗。陜西水利

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