引青濟(jì)秦管道工程防水錘措施研究

宋立鈞

（秦皇島市引青工程管理局，河北秦皇島066305）

1 引言

引青濟(jì)秦工程始建于1989年，是從青龍河桃林口水庫向秦皇島市區(qū)供水的跨流域調(diào)水工程。整個工程系統(tǒng)由桃林口小壩、引青西線、東西線對接、引青東線及北戴河支線、湯河支線、海港支線等組成，承擔(dān)著向秦皇島城市、盧龍灌區(qū)、唐山灤下灌區(qū)的供水任務(wù)。由于引青濟(jì)秦東線工程管道規(guī)格采用了多種組合，沿線存在多個分水口，水錘計(jì)算過程復(fù)雜。為了防止水錘可能產(chǎn)生的危害，從閥門關(guān)閉角度、關(guān)閉時(shí)間、快關(guān)慢關(guān)等方面提出方案，采用特征線法原理進(jìn)行水錘計(jì)算，分析成果可為引青濟(jì)秦管理部門提供指導(dǎo)。

2 研究方法

采用特征線法計(jì)算水錘，按照彈性水拄理論，建立管道瞬變流（水錘）過程的運(yùn)動方程和連續(xù)方程。經(jīng)過簡化求解，得到水錘計(jì)算最重要的基礎(chǔ)方程。

2.1 特征線方程組

2.2 簡化的相容性方程（有限差分方程式）

C+:Hpi=Cp-BQpi

C-:Hpi=CM+BQpi

其中，Cp=Hi-1+BQi-1-RQi-1|Qi-1|，CM=Hi+1-BQi+1+RQi+1|Qi+1|。

2.3 初始邊界條件

管線末端的檢修閥門：

△H=CVQ2

管線首端（調(diào)壓井）：Hp1=ES

3 引青濟(jì)秦工程防水錘應(yīng)用

3.1 基本參數(shù)

3.1.1 波速a的計(jì)算與選定

水錘波速與管壁材料、厚度、管徑、管道的支承方式及水的彈性模量等有關(guān)，計(jì)算公式為：

式中K為水的體積彈性模量，一般為2.06×103MPa；E為管壁材料的縱向彈性模數(shù)（混凝土E=2.06×104MPa）；為聲波在水中的傳播速度，隨溫度和壓力的升高而加大，一般取1435m/s。

經(jīng)計(jì)算得，水錘波傳播速度選用875m/s。

3.1.2 步長與管線分段

計(jì)算管段全長36.255km。為控制住主要特征點(diǎn)，整個管線被分為213段，管段步長170m，時(shí)間步長0.195s。

3.2 方案計(jì)算

從閥門關(guān)閉角度、關(guān)閉時(shí)間、快關(guān)慢關(guān)等方面提供以下6種方案進(jìn)行分析比較。

3.2.1 方案1——快關(guān)1min、慢關(guān)4min的關(guān)閥程序

方案1采用快關(guān)1min、慢關(guān)4min的關(guān)閥程序，經(jīng)過該過程的水力瞬變計(jì)算，閥門處最高暫態(tài)水頭值達(dá)98.11m，壓頭92.73m，發(fā)生于t=248.99s時(shí)。從圖1看出，壓力波動非常明顯，并且壓力波振蕩的衰減相當(dāng)緩慢，從圖2看出，越靠近管線末端最高暫態(tài)水頭值越大，并且部分管段最低暫態(tài)水頭值較低，管線中管內(nèi)水壓強(qiáng)基本未出現(xiàn)負(fù)壓，不會出現(xiàn)水柱分離，但最高暫態(tài)水頭值較高。

3.2.2 方案2——均速8min的關(guān)閥程序

從方案1可知，由于快關(guān)后，反射波（負(fù)壓波）未返回至閥端，閥門處水錘升壓值很高，故需將關(guān)閥歷時(shí)延長，方案2采用均速8min的關(guān)閥程序。

方案2閥門處關(guān)閥水錘暫態(tài)過程線見圖3。從圖3看出，壓力波動仍較明顯，壓力波振蕩的衰減仍較緩慢，但比方案1有所改觀。閥門處最高暫態(tài)水頭值97.0m，壓頭91.62m；最低暫態(tài)水頭值為19.07m。從圖4看出，全線最高暫態(tài)水頭值略有降低，最低暫態(tài)水頭值略有上揚(yáng)，并且管線中管內(nèi)水壓強(qiáng)基本未出現(xiàn)負(fù)壓。

3.2.3 方案3——均速15min的關(guān)閥程序

從方案2可知，將關(guān)閥歷時(shí)延長，閥端最大水錘升壓值降低，全線最高、最低水頭有所改觀，但壓力波動仍較明顯，最高暫態(tài)水頭偏高。故方案3將繼續(xù)延長關(guān)閥歷時(shí)，采用均速15min的關(guān)閥程序。

從圖5看出，壓力波動較前方案明顯減弱，暫態(tài)過程線比較平緩，最大波動值不高，壓力波振蕩的衰減較快。閥門處最高暫態(tài)水頭值為73.16m，最低暫態(tài)水頭值為23.61m。從圖6看出，最高水頭包絡(luò)線和最低水頭包絡(luò)線均較平緩，全線最高暫態(tài)水頭值較高，最低暫態(tài)水頭值上揚(yáng)，并且最低水頭包絡(luò)線全部位于輸水管道軸線之上。

3.2.4 方案4——均速25min的關(guān)閥程序

從上述方案看，將關(guān)閥歷時(shí)延長，閥端最大水錘升壓值降低，壓力波動減小，但最高暫態(tài)水頭值仍然存在偏高現(xiàn)象，即使采用勻速20min的關(guān)閉程序，最高暫態(tài)水頭仍達(dá)65.62m。故方案4將繼續(xù)延長關(guān)閥歷時(shí)，采用均速25min的關(guān)閥程序。

從圖7看出，壓力波動較前方案明顯減弱，暫態(tài)過程線比較平緩，壓力波振蕩衰減較快。閥門處最高暫態(tài)水頭值60.64m，壓頭55.26m，最低暫態(tài)水頭值23.61m。最高暫態(tài)壓力水頭低于輸水管線的試驗(yàn)壓力0.6MPa。從圖8看出，最高水頭包絡(luò)線和最低水頭包絡(luò)線均較平緩，全線最高暫態(tài)水頭值較低，最低暫態(tài)水頭值上揚(yáng)，并且最低水頭包絡(luò)線全部位于輸水管道軸線之上。所以該方案關(guān)閥程序可基本保證關(guān)閥時(shí)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.2.5 方案5——均速30min的關(guān)閥程序

方案5采用均速30min的關(guān)閥程序。從圖9看出，壓力波動較前方案明顯改善。閥門處最高暫態(tài)水頭值59.69m，壓頭54.31m，最低暫態(tài)水頭值18.23m。與方案4比較，計(jì)算成果接近。從圖10看出，最高水頭包絡(luò)線和最低水頭包絡(luò)線均較平緩，與方案4基本一致。

3.2.6 方案6——快關(guān)1min、慢關(guān)30min的關(guān)閥程序

方案4、5比較可知，延長關(guān)閥時(shí)間對管線壓力降低效果已不明顯，故本方案采用快關(guān)1min，慢關(guān)30min的關(guān)閥程序。

從圖11看出，壓力波動較前方案明顯減弱，壓力波振蕩的衰減較快。閥門處最高暫態(tài)水頭值56.02m，壓頭50.64m，最低暫態(tài)水頭值23.61m。最高暫態(tài)壓力水頭低于輸水管線的試驗(yàn)壓力0.6MPa。從圖12看出，最高水頭包絡(luò)線和最低水頭包絡(luò)線均較平緩，全線最高暫態(tài)水頭值較低，最低暫態(tài)水頭值上揚(yáng)，并且最低水頭包絡(luò)線全部位于輸水管道軸線之上。該方案關(guān)閥程序可基本保證關(guān)閥時(shí)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.3 最優(yōu)關(guān)閥程序選取

從多種關(guān)閥程序的試算結(jié)果看出，關(guān)閥過程采用先快關(guān)1min，后緩慢關(guān)閉方案較優(yōu)。最佳關(guān)閥程序?yàn)榭礻P(guān)1min至60（°），后勻速30min緩慢關(guān)閥，可以有效地避免關(guān)閥水力過渡過程中壓力升高，控制水錘壓力升高，確保系統(tǒng)安全。

4 結(jié)語

從閥門關(guān)閉角度、關(guān)閉時(shí)間、快關(guān)慢關(guān)等方面提出方案，采用特征線法原理進(jìn)行水錘計(jì)算。根據(jù)分析計(jì)算成果及工程實(shí)踐總結(jié)，為防治水錘對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，提出以下幾點(diǎn)措施：

（1）最佳關(guān)閥程序采取快關(guān)1min至60（°），后勻速30min緩慢關(guān)閥，可以有效地避免關(guān)閥水力過渡過程中壓力升高，控制水錘壓力升高，確保系統(tǒng)安全。

（2）除末端閥外，管線上其他的檢修閥、切換閥及泄水閥等的操作同樣應(yīng)遵循緩開、緩閉的操作原則。

（3）建議根據(jù)實(shí)際情況制定管道末端閥門操作規(guī)程，確保輸水管道安全。

（4）建議各凈水廠關(guān)閉閥門前，應(yīng)及時(shí)與引青管理局聯(lián)系，采取統(tǒng)一協(xié)調(diào)行動，以保證工程安全運(yùn)行。

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