不同分水角度條件下管網(wǎng)水錘壓力分配試驗研究

魏闖，雷成霞，李明思,郭銀

(1.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運城 044004;2.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子 8320003,黃河水利委員會水文局，河南 鄭州 450000)

0 引言

中國是一個灌溉農(nóng)業(yè)大國，灌溉用水量占全國總用量的65%，占農(nóng)業(yè)用水量90%以上，節(jié)水灌溉技術(shù)對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著極為重要的意義，而影響灌溉水利用率高低的關(guān)鍵因素是輸配水過程中灌溉水的蒸發(fā)和滲漏損失，尤其在新疆表現(xiàn)更為明顯，其蒸發(fā)量是降雨量的8倍以上，明渠大部分位于沙漠邊緣地帶，多數(shù)土壤為沙性土，滲透性很大，管道輸水有效的解決了上述問題，而水錘問題是關(guān)鍵。已有學(xué)者進行了大量研究，主要集中于單管水錘的研究、流速、水頭壓力、管道特性與水錘的關(guān)系以及水錘的計算方式和防護措施等，但對不同分水角度與管網(wǎng)水錘壓力的分配研究較少，而這些關(guān)系到農(nóng)田管網(wǎng)的布設(shè)形式，同時是管網(wǎng)水錘中的重要問題。針對上述問題，文章主要分析不同分水角度與干管水錘對支管的水錘壓力分配影響關(guān)系，為農(nóng)業(yè)管網(wǎng)布設(shè)提供理論依據(jù)和支持。

1 試驗概況

1.1 試驗地點

此試驗在石河子大學(xué)兵團灌溉試驗中心站進行，2009年5月開始輸配水管網(wǎng)水錘試驗平臺的建設(shè)，同年8月開始水錘分水角度壓力分配實驗。試驗水源為試驗站地下水，采用離心泵、PVC-U管網(wǎng)和蓄水池循環(huán)供水模式。

1.2 試驗材料與方法

試驗壓力水采用KQW200/300-45/4型單級臥式離心泵提供動力，動力電源采用國家電網(wǎng)發(fā)電車單獨供電，試驗管網(wǎng)選用農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工程上常用的PVC-U管材，閥門為PVC材質(zhì)的蝶閥，均為專業(yè)PVC廠家采購。管道長度為8 m，公稱壓力0.63 MPa，公稱外徑200 mm，壁厚4.90 mm。水錘壓力動態(tài)監(jiān)測采用工業(yè)計算機和壓力變送器進行現(xiàn)場采集。流速監(jiān)測和控制采用兩套超聲波流量計進行。

水錘試驗管網(wǎng)按照工程上常用的樹狀管網(wǎng)的布置形式，鋪設(shè)方式盡量接近實際工程使用條件，管道平放于整平后的試驗大田田間地面上。試驗管網(wǎng)干管管徑200 mm，總長度32 m，設(shè)2個分支管，管徑均為200 mm，長度均為16 m。分水口位于干管中間位置，分水角度設(shè)計為90°和45°(支管管道中心線與干管管道中心線夾角)兩種情況進行試驗研究，壓力變送器安裝于干管和支管側(cè)面(選擇其中一個支管安裝)，支管分水角度90°(對置布置)試驗管網(wǎng)具體布置和監(jiān)測采集設(shè)備安裝如圖1所示，支管分水口角度45°試驗管網(wǎng)具體布置和監(jiān)測采集設(shè)備安裝如圖2所示。

圖1 分水角度90°水錘分配壓力試驗管網(wǎng)布置圖

圖2 分水角度45°水錘分配壓力試驗管網(wǎng)布置圖

進行水錘分配試驗時，首先進行支管分水角度90°(對置布置)的水錘壓力分配試驗，先將干管上的閥門A關(guān)閉，閥門B、C、D處于全開狀態(tài)，啟動水泵，壓力表讀數(shù)穩(wěn)定后，緩慢打開閥門A，試驗管網(wǎng)干、支管開始充水，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)供水運行狀態(tài)。整個管網(wǎng)運行穩(wěn)定后，通過干、支管上的超聲波流量計觀測流量動態(tài)數(shù)值，干管和支管流速分別達到3.12 m/s和0.81 m/s的穩(wěn)定數(shù)值后，啟動壓力監(jiān)測采集系統(tǒng)采集壓力數(shù)據(jù)，緊接著手動快速關(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)采集保持時間60 s，采集頻率20次/s。為確保試驗準(zhǔn)確有效，按照上述試驗程序，進行3次重復(fù)性試驗。

分水角度45°布置水錘壓力分配試驗，試驗程序同分水角度90°的布置水錘壓力分配試驗相同，干管流量參數(shù)控制條件相同，保持同一水流狀態(tài)下進行3次重復(fù)性試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同分水角度的水錘分配壓力比率分析

按照管道布置形式，干管設(shè)12路壓力監(jiān)測點，為1路至12路，間距3.10 m，支管設(shè)6路監(jiān)測點，為13路至18路，間距3.10 m。流量監(jiān)測點為干管和支管各一處。實際試驗時，管網(wǎng)流態(tài)穩(wěn)定后，關(guān)閉干管末端閥門B。數(shù)據(jù)采集時間60 s，采集頻率20次/s。設(shè)置支管的分水角度90°(對置布置)和45°兩種情況，流速只控制干管流速，試驗管道的閥門前必須設(shè)置壓力監(jiān)測點，進行試驗研究。試驗時，要求關(guān)閉干管末端的閥門，兩個支管末端閥門保持正常過流狀態(tài)。不同分水角度的支管水錘分配壓力比率見表1和表2。

表1 水錘分配比率表(90°)

表2 水錘分配比率表(45°)

由表1和表2可以得出，分水角度為90°和45°的支管布置形式下，水錘壓力分配比率范圍分別為0.50～0.81和0.52～0.81，壓力分配比率的平均值分別為0.65和0.66，極端壓力分配水頭值分別為19.65 m和21.58 m水頭。分析比較可得，分水角度45°產(chǎn)生的干管水錘壓力和支管分配壓力水頭值，均大于分水角90°對應(yīng)的壓力水頭值，而水錘壓力分配比率表大致一樣。

2.2 不同分水角度布置條件下的水錘壓力分配

由圖3和圖4可以看出，分水角度90°和45°布置的水錘壓力變化波動整體趨勢一致，變化幅度不同，分水角45°對應(yīng)的水錘波動值滯后程度大于分水角90°，這與過流邊界有關(guān)。結(jié)合干管和支管的壓力監(jiān)測點數(shù)據(jù)分析，干管壓力水頭的最大值出現(xiàn)在干管末端操作閥門B前即12路監(jiān)測點，并向干管首端呈逐漸遞減的變化規(guī)律，而支管最大壓力水頭值出現(xiàn)在干管分水口處，并向支管末端閥門處遞減。同樣條件下，分水角度45°布設(shè)的情況下，其產(chǎn)生的干管水錘壓力水頭和支管分配壓力水頭均大于分水角度90°(對置布置)產(chǎn)生的相應(yīng)壓力水頭。這是因為90°分水角，其兩個支管與干管水流方向呈垂直關(guān)系，分水口處流態(tài)相對紊亂，分配同樣流量的情況下，90°分水角產(chǎn)生的水頭損失要比45°大得多，不利于干管流量的分配，而在水錘波分配壓力時，也會產(chǎn)生較大的壓能損失，進而影響水錘波的傳播，導(dǎo)致對應(yīng)分配的壓力值較小。

圖3 管網(wǎng)水錘分配壓力圖(90°)

圖4 管網(wǎng)水錘分配壓力圖(45°)

3 結(jié)論及建議

支管分水角度不同，不僅影響流速方向的改變，而且還會影響壓力波傳播的方向和水錘能量的分配。隨著分水角度的減小，干管水錘的壓力水頭值和支管水錘壓力的分配值均呈增加的變化規(guī)律，試驗管網(wǎng)的沿程壓力分部規(guī)律也是增大的趨勢。壓力分配的規(guī)律與操作閥門的位置有密切的關(guān)系，傳播的距離瞬變源越遠，水錘波在管道內(nèi)傳播時，壓力能量衰減的越多。

支管分水角度不同，但水錘壓力分配比率表基本相同，變化幅度不大，主要范圍為0.50～0.81之間。干管壓力水頭值隨傳播距離的增加，向干管的首端遞減，峰值出現(xiàn)在干管末端操作閥門前；干管水錘壓力水頭值由干管分水口處至支管末端閥門處，呈逐漸遞減的趨勢，這說明閥門前和分岔口處，均是水錘壓力最大值最容易發(fā)生的地方，在農(nóng)田管網(wǎng)水水中，應(yīng)加以防范和重視。文中數(shù)據(jù)的獲取主要來源于試驗，為了技術(shù)進一步推廣和應(yīng)用，以后試驗中應(yīng)加強對不同分水口間距的研究，同時通過模型驗證。