分水口間距對(duì)管網(wǎng)水錘壓力分配影響的試驗(yàn)研究

魏 闖 雷成霞 李明思

（1.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西運(yùn)城 044004；2.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院 新疆石河子 832000）

0 引言

黨的十九大提出要實(shí)施全民節(jié)水行動(dòng)，習(xí)近平總書記指出治水方針“十六字”，強(qiáng)調(diào)節(jié)水需要從根源抓起，其中農(nóng)業(yè)用水比例可達(dá)到60%以上，而決定灌溉水利用效率的關(guān)鍵因素是輸配水過程中損失量的多少。管網(wǎng)輸水屬于管道灌溉系統(tǒng)的一部分，首要問題是水錘負(fù)壓，前人已經(jīng)做了許多的研究[1-10]，主要集中于單水錘研究、不同連接方式與水錘壓力疊加的關(guān)系、采用特征線法對(duì)水錘的模擬以及相關(guān)防護(hù)措施等，但對(duì)不同分水口間距與管網(wǎng)中水錘壓力的分配以及疊之間的關(guān)系研究較少，而這些是管網(wǎng)水錘中的重要問題，也是本文的研究意義所在。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

于2010年4月至7月在石河子大學(xué)兵團(tuán)灌溉試驗(yàn)中心站，進(jìn)行輸配水管網(wǎng)水錘試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)，同年8月開始水錘實(shí)驗(yàn)。水源來自本試驗(yàn)站地下水，供水方式采用離心泵、PVC-U 管網(wǎng)和蓄水池循環(huán)運(yùn)行。

1.2 試驗(yàn)材料與方法

水源為蓄水池儲(chǔ)水，壓力水采用KQW200/300-45/4 型單級(jí)臥式離心泵提供，電源采用國(guó)家電網(wǎng)發(fā)電車供電，試驗(yàn)管網(wǎng)選用工程上常用的PVC-U 管材，閥門為PVC 材質(zhì)的蝶閥，均為專業(yè)PVC 廠家采購(gòu)。管道長(zhǎng)度為8 m，公稱壓力0.63 MPa，公稱外徑200 mm，壁厚4.9 mm。水錘壓力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)采用壓力變送器進(jìn)行采集。

水錘試驗(yàn)管網(wǎng)按照樹狀管網(wǎng)的布置形式，鋪設(shè)方式盡量接近實(shí)際工程使用條件，管道平放于整平后的試驗(yàn)大田田間地面上。試驗(yàn)管網(wǎng)干管管徑200 mm，總長(zhǎng)度32 m，支管管徑200 mm，2 支管的長(zhǎng)度均為16 m。分水口間距0 m（又稱對(duì)置布置，2 個(gè)支管垂直于干管對(duì)稱布置在干管兩側(cè)，分水口位于同一位置）和18.6 m（2 個(gè)支管垂直于干管錯(cuò)位布置在干管兩側(cè)，分水口距離為18.6 m）兩種情況進(jìn)行試驗(yàn)研究，壓力變送器安裝于干管和支管側(cè)面，支管分水口間距0 m（對(duì)置布置）試驗(yàn)管網(wǎng)具體布置和監(jiān)測(cè)采集設(shè)備安裝如圖1所示，支管分水口間距18.6 m 試驗(yàn)管網(wǎng)具體布置和監(jiān)測(cè)采集設(shè)備安裝如圖2所示。

圖1 支管分水口間距0 m（對(duì)置布置）試驗(yàn)管網(wǎng)圖

進(jìn)行水錘分配試驗(yàn)時(shí)，首先進(jìn)行分水口對(duì)置布置水錘壓力分配試驗(yàn)，先將干、支管上的閥門A 關(guān)閉，閥門B、C、D 處于全開狀態(tài)，啟動(dòng)水泵，壓力表讀數(shù)穩(wěn)定后，緩慢打開閥門A，試驗(yàn)管網(wǎng)干、支管充水，再通過閥門B、C、D 接入回水管道，最終返回蓄水池，形成循環(huán)供水運(yùn)行狀態(tài)。整個(gè)管網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定后，通過干、支管上的超聲波流量計(jì)觀測(cè)流量動(dòng)態(tài)數(shù)值，干管和支管流速分別達(dá)到3.12 m/s 和0.81 m/s 的穩(wěn)定數(shù)值后，啟動(dòng)壓力監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)采集壓力數(shù)據(jù)，緊接著手動(dòng)快速關(guān)閉干管末端的閥門B，并保持全關(guān)閉狀態(tài)60 s，此時(shí)閥門A、C、D 處于全開狀態(tài)，壓力變送器數(shù)據(jù)采集保持時(shí)間60 s，采集頻率20 次/s。為確保試驗(yàn)準(zhǔn)確有效，按照上述試驗(yàn)程序，進(jìn)行3 次重復(fù)性試驗(yàn)。

分水口間距18.6 m 布置水錘壓力分配試驗(yàn)，試驗(yàn)程序同分水口間距0 m 的對(duì)置布置水錘壓力分配試驗(yàn)相同，干管流量參數(shù)控制條件相同，保持同一水流狀態(tài)下進(jìn)行3 次重復(fù)性試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 支管水錘分配壓力比率分析

支管水錘壓力的分配，有利于管網(wǎng)的穩(wěn)定的運(yùn)行，因?yàn)槠鋵?duì)干管水錘的壓力有明顯的削弱分配作用。通過試驗(yàn)采集的壓力變送器數(shù)據(jù)，計(jì)算出支管水錘壓力分配比率，具體見表1和表2。

由表1和表2可以得出，分水口間距為0 m（對(duì)置布置）和18.6 m 的水錘壓力分配比率范圍分別為0.495～0.814 和0.479～0.732，平均值分別為0.648 和0.617，極端壓力分配水頭值分別為21.63 m 和16.34 m，且對(duì)置布置的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)值均高于18.6 m 布置形式對(duì)應(yīng)的數(shù)值。同時(shí)，分水口距離0 m（對(duì)置布置）的干管水錘壓力分配值大于布置形式為18.6 m 的，支管水錘壓力同樣，這是由于水錘波在運(yùn)行中，水體對(duì)其由能量有一定的消減分配作用造成的。

表1 支管水錘壓力分配比率表（分水口間距0 m）

表2 支管水錘壓力分配比率表（分水口間距18.6 m）

2.2 不同分水口距離布置條件下的水錘壓力分配

每一種布置方式都通過3 次重復(fù)性試驗(yàn)，選取科學(xué)合理的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行深入分析，得出如圖3和圖4的關(guān)系曲線。

圖3 分水口間距0 m 水錘壓力分配

圖4 分水口間距18.6 m 水錘壓力分配

由圖3和圖4可以看出，整個(gè)試驗(yàn)管道各路的壓力變化波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，但變化幅度有差異。對(duì)置布置（分水口間距0 m）的壓力水頭分配最大值出現(xiàn)在13 號(hào)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，間距為18.6 m 出現(xiàn)在12 號(hào)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最大值均在分水口處，12 號(hào)和13 號(hào)均為2 種分水口布置的支管首端第一個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。分析水錘分配壓力情況，對(duì)于對(duì)置布置的干管而言，由干管末端閥門B 前12 號(hào)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)至首部1 號(hào)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢(shì)。其中，對(duì)置布置時(shí)，瞬態(tài)操作的閥門B 前，干管壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)12 號(hào)波動(dòng)的幅度最大。支管的水錘壓力值分布，由支管分水口處13 號(hào)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)向支管末端方向，逐漸減小。對(duì)置布置方式，由于水錘波同時(shí)傳至公共分水口處，并同時(shí)向兩個(gè)支管進(jìn)行壓力分配和傳播，壓能經(jīng)歷衰減次數(shù)僅一次，傳播距離也較短；分水口間距18.6 m 的錯(cuò)距布置時(shí)，兩個(gè)分水口均要經(jīng)歷水錘波壓能衰減，且傳播距離較遠(yuǎn)，衰減幅度也隨著增大，分水口距離干管末端閥門B 越近，分配的壓力就越大，分水口距離閥門B 越遠(yuǎn)，分配壓力就越小。

3 結(jié)論及建議

分水口間距的變化，不但影響干管水錘波的傳播距離，而且還關(guān)系到管道中壓力的分配。一般而言，分水口間距越大，水錘波的傳播距離越遠(yuǎn)，水錘壓力衰減也越多，從而壓能損失也就越多，整個(gè)管網(wǎng)的沿程壓力分配也呈逐漸減小的變化規(guī)律。經(jīng)試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)并分析得到水錘壓力分配比率（對(duì)置布置和間距為18.6 m）范圍為0.479～0.814，其平均值分別為0.648 和0.617。

干管沿程壓力的水頭最大值出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)12路，即干管末端瞬態(tài)操作閥門前，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力水頭向干管首端逐漸遞減。對(duì)于兩個(gè)支管水錘壓力水頭而言，均從干管分水口起，向支管末端閥門處，呈逐漸遞減的變化趨勢(shì)，而且位于下游支管的壓力水頭要略大于上游支管，這是由離瞬變?cè)次恢玫倪h(yuǎn)近決定的，距離越遠(yuǎn)，損失的壓能越大。水錘壓力最大值極易產(chǎn)生的地方主要集中于閥門前和分水口處，實(shí)際工程中應(yīng)該加以重視。文中數(shù)據(jù)的獲取主要來源于試驗(yàn)，為了技術(shù)進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，以后試驗(yàn)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)不同分水口間距的研究，同時(shí)通過模型驗(yàn)證，找出經(jīng)濟(jì)合理符合實(shí)際工程應(yīng)用的分水口距離。