高揚(yáng)程大流量輸水工程的水錘防護(hù)研究

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司,遼寧沈陽(yáng)110166）

高揚(yáng)程大流量輸水工程的水錘防護(hù)研究

馬俊彬

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司,遼寧沈陽(yáng)110166）

本文重點(diǎn)介紹了高揚(yáng)程大流量條件下長(zhǎng)距離輸水條件下產(chǎn)生的水錘的特點(diǎn)，研究了關(guān)于水錘的主要算法。文中從管材粗糙度的選擇及高揚(yáng)程大流量輸水中的減壓?jiǎn)栴}研究了高揚(yáng)程大流量輸水的水力學(xué)問(wèn)題，介紹了高揚(yáng)程大流量輸水容易產(chǎn)生的水錘，并以某工程項(xiàng)目為例，用計(jì)算機(jī)仿真模擬的方法研究了不同措施下水錘的防止效果，對(duì)此類工程的安全運(yùn)行起到一定的指導(dǎo)作用。

高揚(yáng)程；大流量；水錘；防護(hù)措施

我國(guó)南方地區(qū)屬于多水地帶，要想合理引送水資源，就要考慮當(dāng)?shù)氐那鹆甑赜騿?wèn)題，此地形高低差距大，綿延不絕。因此，在引送水的管道建設(shè)中出現(xiàn)的安全隱患較多，其中最為嚴(yán)峻的便是水錘問(wèn)題。這類問(wèn)題一直是引水工程建設(shè)中的一大難點(diǎn)，如果發(fā)生了這樣的問(wèn)題，便會(huì)導(dǎo)致供水體系出現(xiàn)損毀，進(jìn)而為周圍的居民帶來(lái)生活上的困擾。

1 關(guān)于水錘的主要算法

在管道建設(shè)的環(huán)節(jié)中，對(duì)水錘進(jìn)行科學(xué)合理的計(jì)算是尤為必要的。而這在方面的研究中，全球統(tǒng)一采用了特征線法。筆者本著更為便捷地求出結(jié)果的想法，對(duì)簡(jiǎn)化后的特征線方程組的相容性方程式沿特征線進(jìn)行積分，進(jìn)一步得到近似有限差分方程如下：

式中：HP，HB，HA分別為P，B，A點(diǎn)的管路水頭，m；QP，QB，QA分別為P，B，A點(diǎn)的管路斷面的流量，m3/s；a為水錘波傳播速度，m/s；D為管道直徑；t為時(shí)間；f為水流摩擦阻力系數(shù)；x為距離，其正方向與流速取為一致。

2 高揚(yáng)程大流量輸水的水錘防護(hù)

2.1 水力學(xué)研究

流量范圍廣、起伏差度大、運(yùn)送距離遠(yuǎn)的引水工程可以納入重力運(yùn)輸水的范疇中，由于該工程所覆蓋的范圍廣，并且流量較大，很可能會(huì)出現(xiàn)同普通的重力運(yùn)輸水有所差異的情況。比如管道材質(zhì)的選擇關(guān)乎著該管道能否承受較大的水壓，并且在檢測(cè)管道出現(xiàn)的問(wèn)題與修理當(dāng)中，工作人員也要加倍注意，這些均在保障該地區(qū)人們生活上起到舉足輕重的作用。

2.1.1 管材粗糙度的選取

在運(yùn)送跨距離較遠(yuǎn)的水資源時(shí)，管道比較長(zhǎng)，對(duì)于水的損耗大，不計(jì)部分的水頭損耗，而是將這段路程中的水輸送損耗納入計(jì)算的范圍內(nèi)。并且，由于在施工時(shí)水源經(jīng)過(guò)的地帶一般都為阻力平方區(qū)，因此在一般的工程計(jì)算當(dāng)中以下列的公式作為參考：

式中：hf——管道沿程損失，m；V——管理水流的平均流速，m/s；R——水力半徑，m；n——管材粗糙度；L——管長(zhǎng)，m。

根據(jù)以上的公式得知，運(yùn)輸環(huán)節(jié)的水管在路途中的損耗同水流的速度以及水管表面的粗糙程度的平方呈正相關(guān)的關(guān)系，如果水流的流量和管道的橫截面積已經(jīng)知曉，那么水資源的損耗則只跟水管表面的粗糙程度有關(guān)聯(lián)。

2.1.2 減壓?jiǎn)栴}

大高差重力流輸水工程，其原理主要是通過(guò)自然形成的地貌特點(diǎn)，從而依靠重力對(duì)水進(jìn)行輸送。一般情況下，測(cè)壓管的水壓會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于靜水壓，可一旦水管中的閥門被鎖定，水管內(nèi)的壓力便跟高低的起伏有著十分緊密的關(guān)聯(lián)。此間，地勢(shì)的起伏越大，管道中的壓力也會(huì)隨之攀升。這就對(duì)水管抵御強(qiáng)壓的品質(zhì)提出了較高的要求，而且資金的投入也是一大難點(diǎn)。所以，科學(xué)合理地設(shè)立減少壓力的蓄水池，同時(shí)對(duì)閥門的松緊程度作出適當(dāng)調(diào)整都是解決該類問(wèn)題的有效辦法。

2.2 容易產(chǎn)生的水錘

2.2.1 關(guān)閥水錘

在一般的運(yùn)行狀態(tài)下，承載利用重力輸送水資源的管道所有地方的靜水壓都遠(yuǎn)高于測(cè)壓管的水壓；如果水管中的閥門被鎖定，那么重力流管道從起始到終止的高度差距便會(huì)小于管道中的所能承受的靜水壓值，同時(shí)，地勢(shì)的起伏越大，管道中的壓力也會(huì)隨之攀升。一旦有操作上的失誤，便會(huì)導(dǎo)致瞬間管道內(nèi)的水壓激增，水管中的水錘波便會(huì)成為先從頭傳導(dǎo)到尾的負(fù)壓波，而負(fù)壓波也會(huì)讓水管中一些地方的壓力遠(yuǎn)小于汽化壓，從而導(dǎo)致水流汽化，進(jìn)而產(chǎn)生斷流水錘；當(dāng)傳導(dǎo)至尾端時(shí)，還會(huì)重新以正壓波的形式進(jìn)行傳導(dǎo)，這樣下來(lái)，不斷碰撞中，水管便會(huì)經(jīng)受一波又一波的沖擊，從而對(duì)管道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成了極大的損毀。

2.2.2 斷流彌合水錘

對(duì)于管道的直徑較大，起伏差值高，距離長(zhǎng)遠(yuǎn)的重力引水工程建設(shè)中，由于高度的干擾，水流也隨著受到很大的影響。根據(jù)上述文段的原理可得，改變水流的流速必然會(huì)引發(fā)水管內(nèi)部的壓力陡升，而當(dāng)負(fù)壓波使得水管中的一些地方的壓力遠(yuǎn)小于汽化壓時(shí)，便能夠?qū)е滤髌?，進(jìn)而產(chǎn)生斷流水錘，對(duì)水流的連續(xù)性提出了重大挑戰(zhàn)，并且在后續(xù)的不斷沖擊中，會(huì)形成斷流彌合水錘，更會(huì)對(duì)管道的內(nèi)部結(jié)果造成極大的損害。斷流彌合水錘一般是出現(xiàn)于泡沫較少的地帶，而其所能導(dǎo)致的壓力陡升情況非常明顯，實(shí)際狀態(tài)下能夠提高到2~4倍。因此，施工人員在該地帶的管道材質(zhì)選取上務(wù)必要嚴(yán)格地把關(guān)質(zhì)量。從而科學(xué)推測(cè)出斷流彌合水錘發(fā)生的位置尤為必要，這樣能夠事前對(duì)其加以防范，進(jìn)而規(guī)避不必要的事故的發(fā)生[8]。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某工業(yè)區(qū)的引水建設(shè)工程可劃分為前后兩期建成。此間，第1期工程主要是通過(guò)某河流出口上的6km地帶進(jìn)行水流的引導(dǎo)，依靠長(zhǎng)為46.675 km的管道路線到達(dá)工業(yè)區(qū)，總體的長(zhǎng)度為51.482 km，而具體的高低差距達(dá)到682m。施工方將引導(dǎo)水源的流量設(shè)置為1.0m3/s。第2期工程主要是從該河出口上游河流處向該河調(diào)動(dòng)水源，并且在目標(biāo)河的上游設(shè)立蓄水的水庫(kù)，從而為工業(yè)區(qū)足夠的水資源提供保障。第1期只是將該河水引入，計(jì)算得出的引水總量可以達(dá)1175萬(wàn)m3/a。對(duì)于管道的水量安排則是保證能夠在第1次引水中就能達(dá)到2期的效果，從而可以得到該河每月的具體引導(dǎo)水量圖，見(jiàn)圖1。

圖1 某河逐月調(diào)水過(guò)程（p=95%）

3.2 解決方案

對(duì)于樁號(hào)7個(gè)地方可以分別設(shè)置1臺(tái)箱式雙向調(diào)壓塔，而在樁號(hào)4個(gè)地方分別設(shè)置1臺(tái)超壓泄壓閥，同時(shí)根據(jù)情況1中相同的位置設(shè)置用于緩沖的排氣裝置，將其流速控制在0.8m/s，同時(shí)把關(guān)閉閥門的時(shí)長(zhǎng)控制在300～420s。這樣的條件下，參照計(jì)算機(jī)的輔助計(jì)算可以得出如圖2所示圖像。

由圖2可以看出：緩沖排氣裝置的具體流速為0.8m/s，在較為合適的地方安裝一個(gè)超壓泄壓閥，同時(shí)再找一個(gè)合適的地方安置箱式雙向調(diào)壓塔，關(guān)閉閥門的時(shí)長(zhǎng)控制在300～420s的前提下，我們可以知道：首先，可以保證水管的承壓能力可以抵御水錘的最大壓強(qiáng)：其次，在彼此差異較大的工作當(dāng)中，關(guān)閉閥門的時(shí)長(zhǎng)并沒(méi)有對(duì)水管內(nèi)的壓力變化造成任何影響：最后，相較于方案1，此次方案對(duì)水錘的壓力調(diào)控更為到位。值得工作人員注意的一點(diǎn)便是要將閥門的滯后效果納入考察的范圍內(nèi)，因?yàn)樗苤泻艽蟪潭壬蠒?huì)在極短時(shí)間發(fā)生壓強(qiáng)暴增的情況，所以對(duì)于超壓泄壓閥的滯后效果務(wù)必要控制在1s內(nèi)。如果無(wú)法保證，將會(huì)出現(xiàn)極其嚴(yán)重的后果。

圖2 指定樁號(hào)處安裝緩沖排氣閥時(shí)壓力變化趨勢(shì)圖

4 結(jié)論

上文對(duì)流量范圍廣，起伏差度大，運(yùn)送距離遠(yuǎn)的重力引水工程進(jìn)行了深入探究，從而得出了有關(guān)環(huán)境下解決水錘防治問(wèn)題的有效辦法。對(duì)于運(yùn)輸水資源的工程建設(shè)環(huán)節(jié)，施工方不單單需要將符合當(dāng)?shù)鼐用袼啃枨蟮牧髁恐导{入考察的范圍，同時(shí)也要在生態(tài)的保護(hù)上作出努力，從而促使整個(gè)建設(shè)環(huán)節(jié)不斷完善。而距離較長(zhǎng)、起伏較大的重力引水工程作為高壓輸水中的一類，由于其流量范圍廣的原因，人們很難對(duì)其具體情況進(jìn)行調(diào)控，而科學(xué)合理地設(shè)立減少壓力的蓄水池，同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制水流的效果，并且積極對(duì)各個(gè)分級(jí)的水利條件進(jìn)行穩(wěn)固，設(shè)立流量水位雙控閥不失為控制水流的一個(gè)有效辦法。

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