某灌區(qū)輸水干管水力及水錘計(jì)算及水錘防護(hù)研究

王學(xué)智，毛 照

(江西省水利水電建設(shè)有限公司，江西 南昌 330025)

1 工程概況

某大型灌區(qū)新增土地面積13.84多萬(wàn)畝，灌區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦、適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)，但干旱缺水，灌區(qū)內(nèi)電力提灌工程已達(dá)設(shè)計(jì)供水能力，高峰期供水緊張，已無(wú)力承擔(dān)新發(fā)展的農(nóng)業(yè)灌溉供水任務(wù)，迫切需要實(shí)施新水源工程。因此，新建引水工程是解決灌區(qū)用水問(wèn)題的唯一途徑。本次通過(guò)新建引水骨干工程，向灌區(qū)年供水量3000萬(wàn)m3，灌溉引水工程由上段、中段和下段組成，引水線路總長(zhǎng)72.5 km，上段為新建干渠段，渠線長(zhǎng)15.6 km，中段為英武水庫(kù)輸水渠利用段，渠線長(zhǎng)18.2 km，下段為新建干管段(有壓進(jìn)水池至末端受水區(qū))，管長(zhǎng)38.7 km。工程布置從英武水庫(kù)輸水渠21#洞出口設(shè)有壓進(jìn)水池1座，后接輸水干管，采用有壓重力流輸水，至平壓池(樁號(hào)33+390 m)之后沿途分別設(shè)置1#～6#分水口向灌區(qū)供水。本工程輸水干管屬于長(zhǎng)距離重力有壓輸水線路，管線的起伏變化，以及輸水運(yùn)行過(guò)程中的開(kāi)關(guān)閥、流量調(diào)節(jié)、充水和放空等工況均有可能引起水錘危害[1]。本次對(duì)輸水干管進(jìn)行水錘計(jì)算分析，并進(jìn)行防護(hù)措施的選擇。

2 管道水力計(jì)算

本工程灌溉輸水管道管徑為1400 mm～1200 mm，選擇使用球墨鑄鐵管和涂塑鋼管兩種管材，具體根據(jù)沿線壓力等級(jí)，1.0 MPa～2.0 MPa公稱壓力等級(jí)范圍內(nèi)采用球墨鑄鐵管，0.6 MPa～1.0 MPa、2.0 MPa～4.0 MPa公稱壓力等級(jí)范圍內(nèi)采用涂塑復(fù)合鋼管。

2.1 管道水頭損失計(jì)算

管道的水頭損失計(jì)算包括沿程水頭損失和局部水頭損失[2]。

(1)沿程水頭損失

謝才公式和海曾威廉公式均可用于沿程水頭損失的計(jì)算，本次設(shè)計(jì)對(duì)兩公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而選擇最終采用的公式。

①海曾威廉按下列公式進(jìn)行計(jì)算：

hj=iL

(1)

i=10.67C-1.852Q1.852d-4.87

(2)

式中：hj為沿程水頭損失，m；L為計(jì)算管段的長(zhǎng)度，m；i為單位管長(zhǎng)沿程水頭損失，m；C為海曾威廉系數(shù)；Q為管段流量，m3/s；d為管段內(nèi)徑，m。

②謝才公式按下式計(jì)算：

(3)

本次計(jì)算選用涂塑鋼管作為對(duì)比材料進(jìn)行計(jì)算，管道公稱直徑為1400 mm，糙率n取0.011，海曾威廉系數(shù)C=135，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

傳統(tǒng)課堂上往往先由教師講解中藥的性狀特征，然后讓學(xué)生觀察中藥實(shí)物標(biāo)本進(jìn)行印證，沒(méi)有充分發(fā)揮標(biāo)本的作用。筆者設(shè)計(jì)了“鏈條式應(yīng)用標(biāo)本”課例，讓學(xué)生真正圍繞標(biāo)本自主參與到教學(xué)中來(lái)。課例各環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)如下。

表1 水頭損失計(jì)算比較表

由表1計(jì)算可知，兩公式計(jì)算結(jié)果基本相同，其中海曾威廉公式計(jì)算的水頭損失略大于謝才公式計(jì)算值，另外考慮到海曾威廉公式更適用于光滑的滿管流計(jì)算，而謝才公式更適用于明渠或明管流的工況，本次設(shè)計(jì)計(jì)算采用海曾威廉公式計(jì)算水頭損失的計(jì)算。

(2)輸水管的局部水頭損失

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，室外給水管網(wǎng)中的局部水頭損失一般不超過(guò)沿程水頭損失的10%～15%，因與沿程水頭損失相比很小，因此在管網(wǎng)水力計(jì)算中，可按此比例計(jì)入總水頭損失，本次計(jì)算取10%。

(3)主要參數(shù)選擇

球墨鑄鐵管和涂塑鋼管的海曾威廉系數(shù)C的取值，主要依據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)(第二版)》《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)》和廠家建議值，同時(shí)結(jié)合管道使用年限內(nèi)長(zhǎng)期運(yùn)行選取。球墨鑄鐵管，C=125，涂塑鋼管：C=135。單公里管道水頭損失計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 單公里水頭損失計(jì)算表

2.2 水力計(jì)算

管道某一點(diǎn)的工作水頭按下式計(jì)算：

(4)

式中：Hi為計(jì)算點(diǎn)的壓力水頭，m；H0為計(jì)算段起點(diǎn)總水頭，m；v為管內(nèi)流速，m/s；α為水流動(dòng)能校正系數(shù)，取1.0～1.05；h1-2為計(jì)算段起點(diǎn)至末點(diǎn)的總水頭損失，h1-2=hj+hf，m；g為重力加速度，9.81 m/s2。

表3 輸水管道水力計(jì)算表

圖1 輸水管水力計(jì)算成果圖

3 壓力輸水系統(tǒng)水錘及其防護(hù)

本次對(duì)水錘防護(hù)措施的選擇，選定在輸水干管和1#分水管線末端設(shè)置調(diào)流調(diào)壓閥，并采用合理的閥門操作規(guī)律，保證輸水管道最大水錘壓力不超過(guò)1.3倍最大內(nèi)水壓力，輸水系統(tǒng)任何部位不出現(xiàn)水柱斷裂[3]。

3.1 平壓水池前輸水干管水力過(guò)渡過(guò)程分析

(1)管道穩(wěn)態(tài)計(jì)算

根據(jù)選定的調(diào)流調(diào)壓閥設(shè)計(jì)參數(shù)，各運(yùn)行工況下的計(jì)算成果見(jiàn)表4。

表4 輸水干管穩(wěn)態(tài)計(jì)算成果表

(2)關(guān)閥水錘計(jì)算

根據(jù)選定的調(diào)流調(diào)壓閥設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)水力過(guò)渡過(guò)程仿真計(jì)算，各運(yùn)行工況下關(guān)閉管道末端閥門產(chǎn)生的最大水錘升壓不超過(guò)1.3倍最大內(nèi)水壓力，管線無(wú)負(fù)壓產(chǎn)生。從計(jì)算成果可以看出，U型倒虹吸谷底管段升壓絕對(duì)值較高，平壓池前管段升壓相對(duì)值較高，實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和設(shè)備維護(hù)。具體計(jì)算成果見(jiàn)表5和表6，計(jì)算附圖見(jiàn)圖2～圖3。

圖2 輸水干管最小流量工況關(guān)閥水錘計(jì)算成果圖

圖3 輸水干管設(shè)計(jì)流量工況關(guān)閥水錘計(jì)算成果圖

表5 輸水干管關(guān)閥水錘典型工況計(jì)算成果表

表6 輸水干管關(guān)閥水錘管道全線計(jì)算成果表

(3)開(kāi)閥水錘計(jì)算

根據(jù)選定的調(diào)流調(diào)壓閥設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)水力過(guò)渡過(guò)程仿真計(jì)算，各運(yùn)行工況下開(kāi)啟閥門時(shí)管線無(wú)負(fù)壓產(chǎn)生，未引起管道斷流彌合水錘[4]。具體計(jì)算成果見(jiàn)表7，計(jì)算見(jiàn)圖4。

表7 輸水干管開(kāi)閥水錘典型工況計(jì)算成果表

圖4 輸水干管設(shè)計(jì)流量工況開(kāi)閥水錘計(jì)算成果圖

3.2 平壓水池后1#分水管線水力過(guò)渡過(guò)程分析

根據(jù)工程實(shí)施計(jì)劃安排，平壓水池后2#～6#分水管線，僅在分水口處設(shè)隔斷閥，管線調(diào)節(jié)設(shè)備在后續(xù)階段實(shí)施。本階段僅對(duì)1#分水管線進(jìn)行水力過(guò)渡過(guò)程分析[5]。

(1)管道穩(wěn)態(tài)計(jì)算

根據(jù)選定的調(diào)流調(diào)壓閥設(shè)計(jì)參數(shù)，各運(yùn)行工況下的計(jì)算成果見(jiàn)表8。

表8 1#分水管穩(wěn)態(tài)計(jì)算成果表

(2)關(guān)閥水錘計(jì)算

根據(jù)選定的調(diào)流調(diào)壓閥設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)水力過(guò)渡過(guò)程仿真計(jì)算，各運(yùn)行工況下關(guān)閉管道末端閥門產(chǎn)生的最大水錘升壓不超過(guò)1.3倍最大內(nèi)水壓力，管線無(wú)負(fù)壓產(chǎn)生。具體計(jì)算成果見(jiàn)表9，計(jì)算附圖見(jiàn)圖5。

表9 1#分水管關(guān)閥水錘典型工況計(jì)算成果表

圖5 分水管最設(shè)計(jì)量工況關(guān)閥水錘計(jì)算成果圖

(3)開(kāi)閥水錘計(jì)算

根據(jù)選定的調(diào)流調(diào)壓閥設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)水力過(guò)渡過(guò)程仿真計(jì)算，各運(yùn)行工況下開(kāi)啟閥門時(shí)管線無(wú)負(fù)壓產(chǎn)生，未引起管道斷流彌合水錘。具體計(jì)算成果見(jiàn)表10，計(jì)算見(jiàn)圖6。

表10 1#分水管開(kāi)閥水錘典型工況計(jì)算成果表

圖6 分水管最設(shè)計(jì)量工況開(kāi)閥水錘計(jì)算成果圖

4 結(jié)論及建議

本工程輸水管線距離長(zhǎng)、壓力高，且樁號(hào)0+000～33+435段為U型倒虹吸布置，U形管線谷低樁號(hào)19+732，最大落差289 m，對(duì)管線的安全運(yùn)行和水錘防護(hù)要求較高。根據(jù)選定的調(diào)流調(diào)壓閥設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)水力過(guò)渡過(guò)程仿真計(jì)算，建議輸水干管調(diào)流調(diào)壓閥全行程開(kāi)關(guān)時(shí)間(全開(kāi)到全關(guān)時(shí)間或全關(guān)到全開(kāi)時(shí)間)不小于900 s，1#分水管調(diào)流調(diào)壓閥全行程開(kāi)關(guān)時(shí)間(全開(kāi)到全關(guān)時(shí)間或全關(guān)到全開(kāi)時(shí)間)不小于500 s。本階段仿真計(jì)算中缺乏防護(hù)設(shè)備的特性曲線和參數(shù)，僅采用估算值進(jìn)行了典型分析，建議對(duì)關(guān)鍵控制和防護(hù)設(shè)備采用進(jìn)口品牌，要求供貨商提供所供設(shè)備在本工程輸水系統(tǒng)中的水力過(guò)渡過(guò)程仿真復(fù)核計(jì)算，并對(duì)調(diào)流調(diào)壓閥進(jìn)行直徑和開(kāi)度優(yōu)化，降低開(kāi)關(guān)閥過(guò)程中的管段壓力波動(dòng)幅度。