基于HAMMER 的斗門水庫引水管水力過渡分析

劉幫超

（陜西省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院,陜西 西安 710000）

斗門水庫是陜西省“引漢濟(jì)渭”輸配水工程重要組成部分,是一座以調(diào)蓄“引漢濟(jì)渭”工程來水,兼顧城市生活供水、灃河防洪及改善生態(tài)環(huán)境的綜合性水庫項(xiàng)目。水庫位于西咸新區(qū)灃東新城的南部,工程等級為Ⅲ等中型水利工程。斗門水庫是一座以供水、防洪為主,兼顧改善生態(tài)環(huán)境的綜合利用平原水庫。庫址位于灃河?xùn)|岸昆明池遺跡,庫區(qū)總面積10.4 km3,水庫總庫容4600 萬m3。斗門水庫南池引水管道工程作為斗門水庫重要組成部分,承擔(dān)著工程自引漢濟(jì)渭灃西、灃東支線分水口取水引至斗門水庫南池的引水任務(wù)。

1 工程概述

斗門水庫南池引水管道工程,位于西安市西南方向50 km處,工程起點(diǎn)位于引漢濟(jì)渭南干線西安西南郊分水口,向東北方向敷設(shè),末點(diǎn)位于斗門水庫南池,線路全長31.1 km,設(shè)計(jì)引水流量6.0 m3/s。工程采用全段重力流輸水,設(shè)計(jì)上水位494.8 m,設(shè)計(jì)下水位406.7 m,總水頭高差88.1 m,按照管徑全段管線共分為3 段,其中,0 km～25.4 km 采用DN1800 PCCP管,25.4 km～29.7 km 段采用DN1600 PCCP 管,29.7 km～31.1 km段采用DN1400 PCCP 管。

全段共設(shè)置3 個(gè)分水消力點(diǎn)。樁號28+452 處設(shè)1#分水消力,分水流量2 m3/s,樁號29+711 處設(shè)2#分水消力,分水流量2 m3/s,樁號31+077 處設(shè)3#分水消力,分水流量2 m3/s。在樁號27+430 處安裝1 臺DN1600 調(diào)流調(diào)壓閥。工程布局見圖1。

圖1 工程布局示意圖

2 計(jì)算原理及依據(jù)

水力計(jì)算采用《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50013-2018）,輸配水管道海森-威廉公式,PCCP 管海森威廉系數(shù)取130,局部損失按沿程損失的10%考慮。

水力過渡計(jì)算是對整個(gè)輸水管道系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析,包括管道內(nèi)節(jié)點(diǎn)與管道連接的水池、閥門等其他過流元件以及空氣閥、空氣罐、調(diào)壓井等防護(hù)設(shè)備。在計(jì)算中,對管道節(jié)點(diǎn)是基于封閉管道的連續(xù)性方程和運(yùn)動方程,利用特征線法將這兩個(gè)偏微分方程轉(zhuǎn)化成全微分方程,沿左右兩條特征線進(jìn)行迭代求解。當(dāng)所求解的節(jié)點(diǎn)不是管道節(jié)點(diǎn)時(shí),將節(jié)點(diǎn)的特征線方程與相應(yīng)的邊界條件聯(lián)立進(jìn)行求解。

水力過渡分析計(jì)算采用HAMMER 水錘計(jì)算軟件。根據(jù)線路布置及參數(shù),分別計(jì)算直線關(guān)閥工況、兩階段關(guān)閥工況、2 臺旁通閥關(guān)閥工況、1 臺旁通閥關(guān)閥工況。

3 計(jì)算分析

3.1 調(diào)流閥直線關(guān)閉工況

令27+430.00 處DN1600 調(diào)流閥直線關(guān)閉,計(jì)算不同關(guān)閉時(shí)間對應(yīng)的壓力極值,統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 調(diào)流閥直線關(guān)閉壓力極值統(tǒng)計(jì)

由表1 可知,關(guān)閥歷時(shí)越長,壓力波動幅度越小,升壓和降壓越??；當(dāng)關(guān)閥時(shí)間小于3600 s 時(shí),系統(tǒng)會出現(xiàn)負(fù)壓,故調(diào)流閥直線關(guān)閉歷時(shí)不應(yīng)低于3600 s。圖2 為整個(gè)引水管段水壓標(biāo)高包絡(luò)線,圖3 為調(diào)流調(diào)壓閥進(jìn)口流量壓力瞬變,圖4為最大壓力節(jié)點(diǎn)流量壓力瞬變。

圖2 引水管段水壓標(biāo)高包絡(luò)線（直線關(guān)閥3600 s）

圖3 調(diào)流閥進(jìn)口流量壓力瞬變（直線關(guān)閥3600 s）

圖4 最大壓力節(jié)點(diǎn)流量壓力瞬變（直線關(guān)閥3600 s）

3.2 調(diào)流閥兩階段關(guān)閉工況

由直線關(guān)閥計(jì)算結(jié)果可知,當(dāng)調(diào)流閥直線關(guān)閉時(shí),關(guān)閥歷時(shí)不應(yīng)低于3600 s,對于直徑DN1600 的閥門比較難以實(shí)現(xiàn),為縮短關(guān)閥歷時(shí),令調(diào)流閥兩階段關(guān)閉。通過調(diào)算,計(jì)算采用調(diào)流閥600 s 關(guān)閉94%,1200 s 關(guān)完。圖5 為整個(gè)引水管段水壓標(biāo)高包絡(luò)線,圖6 為調(diào)流調(diào)壓閥進(jìn)口流量壓力瞬變,圖7為最大壓力節(jié)點(diǎn)流量壓力瞬變。

圖5 引水管段水壓標(biāo)高包絡(luò)線（兩階段關(guān)閥600 s 關(guān)閉94%,1200 s 關(guān)完）

圖6 調(diào)流閥進(jìn)口流量壓力瞬變（兩階段關(guān)閥600 s 關(guān)閉94%,1200 s 關(guān)完）

圖7 最大壓力節(jié)點(diǎn)流量壓力瞬變（兩階段關(guān)閥600 s 關(guān)閉94%,1200 s 關(guān)完）

由計(jì)算結(jié)果知,當(dāng)閥門兩階段關(guān)閉時(shí),關(guān)閥總歷時(shí)可以從3600 s 縮短到1200 s,且系統(tǒng)升壓和降壓幅度都有效減小。引水管道自上游至下游升壓逐漸變大,最大壓力出現(xiàn)在樁號22+386.79,Hax=115.4 m,為此處靜壓的1.07 倍；最小壓力1.8 m,出現(xiàn)在樁號27+899.98 處。各節(jié)點(diǎn)與調(diào)流閥進(jìn)口壓力瞬變趨勢相同,從閥門開始關(guān)閉到500 s 左右壓力升高很小,在快速關(guān)閉階段最后100 s,即500 s～600 s 壓力迅速升高,開始緩閉時(shí),壓力有小幅下降,隨后緩慢升高,閥門完全關(guān)閉后,壓力在靜壓上下周期性震蕩,并由于管道阻尼作用,振幅越來越小,最后趨于靜壓。

3.3 設(shè)旁通閥兩階段關(guān)閉工況

為達(dá)到兩階段關(guān)閉效果,且易于工程操作,在DN1600調(diào)流閥旁設(shè)旁通支管及旁通閥。通過模擬分析,建議設(shè)2 根DN400 旁通支管或1 根DN600 旁通支管,關(guān)閥時(shí),先關(guān)閉DN1600 主閥,再關(guān)閉旁通閥。

3.3.1 設(shè)2 根DN400 旁通支管,兩階段關(guān)閉工況

令主閥480 s 關(guān)閉,2 臺DN400 旁通閥依次300 s 關(guān)閉,關(guān)閥總歷時(shí)1080 s。圖8 為整個(gè)引水管段水壓標(biāo)高包絡(luò)線,圖9、圖10、圖11 為調(diào)流調(diào)壓閥進(jìn)口流量壓力瞬變,圖12為最大壓力節(jié)點(diǎn)流量壓力瞬變。

圖8 引水管段水壓標(biāo)高包絡(luò)線（主閥480 s 關(guān)閉,2 臺旁通閥300 s 關(guān)閉）

圖9 調(diào)流閥進(jìn)口流量壓力瞬變（主閥480 s 關(guān)閉,2 臺旁通閥300 s 關(guān)閉）

圖10 旁通閥1 進(jìn)口流量壓力瞬變（主閥480 s 關(guān)閉,2 臺旁通閥300 s 關(guān)閉）

圖11 旁通閥2 進(jìn)口流量壓力瞬變（主閥480 s 關(guān)閉,2 臺旁通閥300 s 關(guān)閉）

圖12 最大壓力節(jié)點(diǎn)流量壓力瞬變（主閥480 s 關(guān)閉,2 臺旁通閥300 s 關(guān)閉）

由該工況計(jì)算結(jié)果知,引水管道自上游至下游升壓逐漸變大,最大壓力出現(xiàn)在樁號22+386.79 處,Hax=126.0 m,為此處靜壓的1.17 倍；最小壓力0.8 m,出現(xiàn)在主閥進(jìn)口。旁通閥進(jìn)口流量隨著主閥關(guān)閉逐漸升高,當(dāng)主閥完全關(guān)閉時(shí)達(dá)到最大流量點(diǎn),然后隨著旁通閥關(guān)閉流量變小。各節(jié)點(diǎn)與主閥、旁通調(diào)流閥進(jìn)口壓力瞬變趨勢相同,從閥門開始關(guān)閉到400 s 左右壓力升高很小,在主閥最后關(guān)閉80 s,即400 s～480 s 壓力迅速升高,主閥完全關(guān)閉后,旁通閥開始關(guān)閉時(shí),壓力有小幅下降,然后隨著緩閉閥關(guān)閉緩慢升高,當(dāng)緩閉閥完全關(guān)閉后,壓力在靜壓上下周期性震蕩,并由于管道阻尼作用,振幅越來越小,最后趨于靜壓。

3.3.2 設(shè)1 根DN600 旁通支管,兩階段關(guān)閉工況

主閥480 s 關(guān)閉,1 臺DN600 旁通閥600 s 關(guān)閉,關(guān)閥總歷時(shí)1080 s。圖13 為整個(gè)引水管段水壓標(biāo)高包絡(luò)線,圖14、圖15 為調(diào)流調(diào)壓閥、旁通閥進(jìn)口流量壓力瞬變,圖16 為最大壓力節(jié)點(diǎn)流量壓力瞬變。

圖13 引水管段水壓標(biāo)高包絡(luò)線（主閥480 s 關(guān)閉,旁通閥600 s 關(guān)閉）

圖14 調(diào)流閥進(jìn)口流量壓力瞬變（主閥480 s 關(guān)閉,旁通閥600 s 關(guān)閉）

圖15 旁通閥進(jìn)口流量壓力瞬變（主閥480 s 關(guān)閉,旁通閥600 s 關(guān)閉）

由該工況計(jì)算結(jié)果知,引水管道自上游至下游升壓逐漸變大,最大壓力出現(xiàn)在樁號22+386.79 處,Hax=127.5 m,為此處靜壓的1.19 倍；最小壓力0.8 m,出現(xiàn)在主閥進(jìn)口。旁通閥進(jìn)口流量隨著主閥關(guān)閉逐漸升高,當(dāng)主閥完全關(guān)閉時(shí)達(dá)到最大流量點(diǎn),然后隨著旁通閥關(guān)閉流量變小。各節(jié)點(diǎn)與主閥、旁通調(diào)流閥進(jìn)口壓力瞬變趨勢相同,從閥門開始關(guān)閉到400 s左右壓力升高很小,在主閥最后關(guān)閉80s,即400 s～480 s 壓力迅速升高,主閥完全關(guān)閉后,旁通閥開始關(guān)閉時(shí),壓力有小幅下降,然后隨著緩閉閥關(guān)閉緩慢升高,當(dāng)緩閉閥完全關(guān)閉后,壓力在靜壓上下周期性震蕩,并由于管道阻尼作用,振幅越來越小,最后趨于靜壓。

4 結(jié)論及建議

4.1 計(jì)算結(jié)論

按照各工況計(jì)算結(jié)果,將不同工況閥門動作規(guī)律對應(yīng)的最大、最小壓力值及發(fā)生位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 各工況最大、最小壓力計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由計(jì)算結(jié)果知,當(dāng)調(diào)流閥直線關(guān)閉時(shí),需要關(guān)閥歷時(shí)過長,閥門設(shè)備需要突破規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)定制；兩階段關(guān)閉可大大縮短關(guān)閥歷時(shí),但歷時(shí)仍然較長,工程要實(shí)現(xiàn)對關(guān)閥時(shí)間及關(guān)閉過程的精確控制,閥門也需要特殊定制；在主閥旁設(shè)置旁通支管和旁通閥,通過依次關(guān)閉主閥和旁通閥,可以達(dá)到兩階段關(guān)閉的效果,且易于工程操作,通過調(diào)算,建議設(shè)置2 條DN400 的旁通支路或1 條DN600 旁通支路關(guān)閥歷時(shí)及關(guān)閥后引起的水錘結(jié)果相當(dāng)。為使工程布置簡易,運(yùn)行維護(hù)便利,工程投資較經(jīng)濟(jì),綜合比選,推薦設(shè)置1 條DN600 旁通支路（主閥480 s 關(guān)閉,1 臺DN600 旁通閥600 s 關(guān)閉,關(guān)閥總歷時(shí)1080 s）。

4.2 建議

隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展,采用有壓管流進(jìn)行長距離重力輸水已廣泛應(yīng)用于水利工程實(shí)踐中。為保障壓力管道安全,提高壓力管道使用壽命,降低工程安全風(fēng)險(xiǎn),對于大口徑輸水管道,在管道末端采用旁通管式兩階段關(guān)閉控制出口閥門,對管道運(yùn)行及閥門安全是十分有利的,可大大提高工程運(yùn)行的安全性。