小井溝水利工程長距離輸水管線水錘計(jì)算與分析

肖春麗，高星吉，畢 瑤

(1.四川省水利規(guī)劃研究院，成都，610072；2.四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072；3.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072)

1 工程概況

小井溝水庫位于自貢市西部越溪河上游，是一座以城市供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主要任務(wù)的綜合利用水利工程，小井溝水庫正常蓄水位429.00m，大壩為混凝土面板堆石壩，最大壩高87.60m。水庫總庫容1.66億m3，工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大(2)型，供水工程主要建筑物級(jí)別為3級(jí)。供水工程地震設(shè)防烈度為Ⅶ度。工程建成后，多年平均新增城市供水6800萬m3，向自貢市供水管道總設(shè)計(jì)流量為3.2m3/s，其中利用已建供水管道輸水流量為1.0m3/s，新建供水管道輸水流量為2.2m3/s，單管管線全長26.954km。

2 輸水管線布置

新建供水管道布置基本沿已建原有管道平行布置，大體由西至東，從雙河口起沿土地河右岸經(jīng)榮縣境內(nèi)雙石鎮(zhèn)、成佳鎮(zhèn)、白廟鎮(zhèn)，再經(jīng)自貢市貢井區(qū)輸水至長土水廠。

新建供水管道為兩根玻璃鋼管平行布置，在方家坪隧洞前匯合，方家坪隧洞為有壓隧洞輸水，出方家坪隧洞后仍然采用兩根玻璃鋼管道供水。

新建的兩根DN1200玻璃鋼管，糙率為0.009，不經(jīng)加壓自流輸水時(shí)，單管輸水流量為1.1m3/s。雙河口泵站取水點(diǎn)的水面高程為358.50m，自貢市長土水廠交水點(diǎn)水面高程為337.80m，高差20.70m，單管管線全長26637m。

圖1 供水管線布置示意

3 設(shè)計(jì)計(jì)算思路

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行供水管道輸水能力計(jì)算，確保系統(tǒng)在正常運(yùn)行工況下，達(dá)到單根管線輸水流量1.1m3/s、雙根管道輸水流量2.2m3/s的設(shè)計(jì)要求。

(2)根據(jù)布置計(jì)算有壓輸水系統(tǒng)水錘壓力分布，得出管道末端閥門在不同關(guān)閉時(shí)間和不同開啟時(shí)間的沿線最大壓力和最小壓力分布，確定合理的閥門關(guān)閉和開啟時(shí)間，降低最大水錘壓力，復(fù)核管道沿線高程布置，控制管道沿線負(fù)壓值滿足規(guī)范要求。

(3)依據(jù)方家坪有壓輸水隧洞最大壓力和最小壓力分布，確定隧洞結(jié)構(gòu)尺寸。

4 輸水能力計(jì)算和排氣補(bǔ)氣閥設(shè)置

小井溝供水工程具有距離長、起伏大、沿途彎道多的特點(diǎn)[1]，取水點(diǎn)水位358.50m，交水點(diǎn)水面高程337.80m，進(jìn)出口高差20.7m，新建管線路徑基本與原有管線平行。已建供水管道直徑1.0m，不加壓輸水流量約0.6m3/s，據(jù)此推算出原管道局損系數(shù)。類比已建管道局損系數(shù)，糙率0.009[2]，單管最大輸水流量為1.106m3/s，滿足設(shè)計(jì)供水要求。

根據(jù)供水工程管道布置，管線駝峰頂部或坡段頂部，設(shè)自動(dòng)排氣補(bǔ)氣裝置，管線較低部位設(shè)排污閥[3]。

5 水錘計(jì)算

5.1 計(jì)算模型

新建供水管道系統(tǒng)兩根管路平行布置，單管全長26.954km。在方家坪隧洞匯合，方家坪隧洞為有壓供水隧洞，隧洞長1312m，出方家坪隧洞后仍然采用兩根DN1200玻璃鋼管道供水。兩根供水管路計(jì)算模型，水錘計(jì)算管段分段情況如圖2所示。

圖2 新建供水管道水錘計(jì)算模型

各管段長度分別為：

L1=5642m，共142個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)；L2=5642m，共142個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)；L3=1312m，共17個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)；L4-L7=20000m，每段各126個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，全部共504個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)；L8-L11=20000m，每段各126個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，全部共504個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)。

水力過渡過程計(jì)算的基本方法，基于有壓管道的非恒定流(也稱瞬變流)計(jì)算理論，其彈性水錘波計(jì)算采用特征線方法，瞬變流計(jì)算的基本方程是運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程[3-4]。

5.2 管道末端閥門關(guān)閉水錘壓力計(jì)算

5.2.1 兩根管道末端閥門同時(shí)關(guān)閉的水錘壓力計(jì)算

兩根管道正常運(yùn)行，各輸水流量1.1m3/s，管路末端取水閥門同時(shí)關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)間分別為100s、140s、180s、220s、260s、300s、400s、500s、600s。閥門關(guān)閉時(shí)間100s、600s時(shí)沿管線最大最小壓力分布曲線如圖3-圖4所示。

圖3 兩根管路末端閥門同時(shí)關(guān)閉100s時(shí)，沿管線最大最小壓力

圖4 兩根管路末端閥門同時(shí)關(guān)閉600s時(shí)，沿管線最大最小壓力

從計(jì)算結(jié)果可知，管道末端的取水閥門關(guān)閉時(shí)間不能太快，否則會(huì)有兩個(gè)危害，一是最低壓力線可能接近或低于管頂高程；二是關(guān)閥引起的最大內(nèi)水壓力(包括水錘壓力)會(huì)超過0.6MPa。即使管道末端取水閥門關(guān)閉時(shí)間600s，在管線25000m下游方向的管線低點(diǎn)位置，例如在樁號(hào)25+594.52處，其管線高程最低306.5m左右，樁號(hào)26+834.55處管線高程307.75m左右，都是屬于管線高程較低的部位，會(huì)承受較大的內(nèi)水壓力，最大內(nèi)水壓力會(huì)接近或超過0.6MPa，但是考慮到管線最低點(diǎn)的位置高程與上游管道進(jìn)口水位差已經(jīng)達(dá)到52m左右，也就是不輸水時(shí)管道最低點(diǎn)的靜壓力已經(jīng)超過0.5MPa，再通過延長閥門關(guān)閉時(shí)間來降低最大水錘壓力的實(shí)際效果不大。兩根管道同時(shí)關(guān)閉，不同關(guān)閉時(shí)間管路最低點(diǎn)承受壓力見表1。

表1 不同關(guān)閉時(shí)間管路最低點(diǎn)承受壓力計(jì)算成果(兩根管道同時(shí)關(guān)閉)

取水閥門關(guān)閉時(shí)間大于600s，除個(gè)別部位外基本可以保證供水管道全線最大內(nèi)水壓力低于0.6MPa，最小壓力高程線也都高于管頂高程2m以上。

5.2.2 一根管道末端閥門關(guān)閉的水錘壓力計(jì)算

兩根管道正常運(yùn)行，各輸水1.1m3/s，其中一根管路末端取水閥門動(dòng)作關(guān)閉，另一根管道末端取水閥門保持不動(dòng)，仍然輸水1.1m3/s。動(dòng)作閥門的關(guān)閉時(shí)間分別為100s、140s、180s、300s、400s、500s、600s，閥門關(guān)閉100s、600s時(shí)沿管線最大最小壓力分布曲線如圖5、圖6所示。

圖5 一根管道末端閥關(guān)閉100s時(shí)，管路沿管線最大最小壓力分布

圖6 一根管道末端閥關(guān)閉600s時(shí)，管路沿管線最大最小壓力分布

計(jì)算結(jié)果與兩根管道末端取水閥門同時(shí)關(guān)閉的計(jì)算曲線比較，一根管道閥門關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的最大壓力線在方家坪隧洞之前明顯降低，這是由于方家坪隧洞是兩根管線匯合的有壓引水隧洞，洞徑較大，一根管道閥門關(guān)閉產(chǎn)生的最大壓力線在方家坪隧洞下游才會(huì)顯著升高。從不同關(guān)閉時(shí)間的壓力分布圖和表2知，一根管線閥門關(guān)閉時(shí)間超過600s，基本可保證沿線供水管道最大內(nèi)水壓力低于0.6MPa，最小壓力高程線也都高于管頂設(shè)計(jì)高程，可以滿足有壓輸水管線布置要求。

表2 不同關(guān)閉時(shí)間管路最低點(diǎn)承受壓力計(jì)算成果(一根管道關(guān)閉)

5.3 管道末端閥門開啟水錘壓力計(jì)算

5.3.1 兩根管道末端閥門同時(shí)開啟的水錘計(jì)算

小井溝供水系統(tǒng)兩根管路末端取水閥門開啟時(shí)將產(chǎn)生降壓波，當(dāng)兩根管路的閥門同時(shí)開啟時(shí)，一定是從管路中流量為零開始啟動(dòng)，計(jì)算閥門不同開啟時(shí)間時(shí)的最低壓力高程線是否低于管頂高程，從而制訂出控制管道末端閥門開啟的操作時(shí)間。分別計(jì)算了兩根管道末端閥門同時(shí)開啟時(shí)間分別為180s、220s和300s。開啟時(shí)間300s時(shí)沿管線最大最小壓力分布曲線如圖7所示。

圖7 兩根管路末端閥門同時(shí)開啟時(shí)間300s時(shí)，管線最大最小壓力分布

從計(jì)算結(jié)果表明，兩根管道末端的取水閥門同時(shí)開啟的時(shí)間過快，將引起管路的最低壓力線低于管頂高程。取水閥門開啟時(shí)間超過300s后，基本可以保證管線最低壓力高程線高于管頂高程，說明若兩根管路同時(shí)開啟，最快時(shí)間需要超過300s。

5.3.2 兩根管道初始停運(yùn)，其中一根管道末端閥門開啟的水錘計(jì)算

小井溝兩根輸水管道初始處于停運(yùn)狀態(tài)，其中一根輸水管道末端取水閥門開啟，輸水流量1.1m3/s，當(dāng)閥門開啟時(shí)間180s時(shí)，兩根管道沿線的最大壓力值均在0.6MPa內(nèi)，最小壓力高程線在17.5km、23km段穿過管頂高程，出現(xiàn)負(fù)壓。當(dāng)閥門開啟時(shí)間220s時(shí)，兩根管道沿線的最大壓力值均在0.6MPa內(nèi)，可以保證管線全長范圍內(nèi)最低壓力高程線均高于管線高程，說明一根管路末端取水閥門的開啟時(shí)間不應(yīng)小于220s。

圖8 一根管道末端閥開啟時(shí)間220s時(shí)，管線最大最小壓力分布

5.3.3 一根管道正常運(yùn)行，另一根管道末端閥門開啟的水錘計(jì)算

一根管道處于正常輸水運(yùn)行狀態(tài)，輸水流量1.1m3/s，另一根管道由停運(yùn)狀態(tài)開啟末端取水閥門，輸水流量也為1.1m3/s，當(dāng)閥門開啟時(shí)間180s時(shí)，兩根管道沿線的最大壓力值均在0.6MPa內(nèi)，最小壓力高程線部分接近甚至部分穿過管頂高程，出現(xiàn)負(fù)壓。當(dāng)閥門開啟時(shí)間220s時(shí)，兩根管道沿線的最大壓力值均在0.6MPa內(nèi)，最小壓力高程線基本都能保證在管頂設(shè)計(jì)高程以上，不會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，滿足有壓管道輸水要求。

6 結(jié)論

為確保管道安全運(yùn)行，操作控制時(shí)間須統(tǒng)一，兩根管路供水閥門同時(shí)關(guān)閉和單獨(dú)關(guān)閉的時(shí)間都不小于600s；雙根管道同時(shí)開啟和單根管道開啟的操作時(shí)間都不小于300s?？紤]到計(jì)算和實(shí)際操作的誤差以及數(shù)學(xué)模型的局限性，在管路末端取水閥門上游側(cè)設(shè)置水錘泄放閥，作為整個(gè)供水管路的安全儲(chǔ)備。

操作控制時(shí)間統(tǒng)一的情況下，供水管路末端閥門關(guān)閉和開啟對(duì)方家坪有壓隧洞的壓力變化影響較小(壓力變幅小于10m)。

長距離輸水管道閥門開啟、關(guān)閉或其他操作工況，發(fā)生水錘的情況下，通過水錘計(jì)算分析確定合理的閥門開啟和關(guān)閉時(shí)間，保證管頂在最高壓力高程線以上，并有效降低最大水錘壓力，控制了管道工程投資。

目前供水管線已試運(yùn)行近2年，管道過流能力滿足設(shè)計(jì)過流要求，壓力測試值在控制操作時(shí)間的條件下，壓力值未超出計(jì)算值，工程運(yùn)行安全穩(wěn)定。