Bentley Hammer軟件在長距離壓力輸水管道工程中的應(yīng)用

崔 磊

（山西省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 山西太原 030024）

1 概述

靈石縣小水網(wǎng)供水工程供水管道首部接?xùn)|山供水工程輸水線路大溝分水口（樁號(hào)DL0+000）- 輸水線路末端兩渡分水口（樁號(hào)DL27+917.81）段末端受水點(diǎn)。

自兩渡鎮(zhèn)供水起點(diǎn)開始，鋪設(shè)一條供水主管線，長約0.67 km，下穿汾河右大堤進(jìn)入汾河灘地，沿汾河左岸至三交河處。聚義供水支線在此處右轉(zhuǎn)沿著三交河向上游，至聚義焦化集團(tuán)，該支線長約9.67 km；夏門供水支線沿著汾河至下游夏門鎮(zhèn)，然后在與交口河交叉處折向交口河，沿溝向上游，至夏門支線末端，該支線長約22.77 km。沿途在玉成村布置分支管，分支長約1.9 km。夏門供水支線末端與中部引黃工程供水管線連接，連通段長5.14 km。工程布置如圖1所示。

圖1 靈石東山供水縣域小水網(wǎng)供水工程布置流程圖

2 Bentley Hammer 水錘軟件

水錘是指在有壓管道中，由于某種外界原因（如閥門突然關(guān)閉、水泵機(jī)組突然開機(jī)、停機(jī)等），使管道內(nèi)流速發(fā)生突然變化，從而引起壓強(qiáng)急劇升高或降低的交替換變化的水力現(xiàn)象。常見的水錘有停泵水錘、關(guān)閥水錘、彌合水錘等。

Hammer 軟件通過模擬水錘效應(yīng)發(fā)生的原理，可以進(jìn)行多種水錘水力計(jì)算與設(shè)計(jì)。Hammer 軟件擁有快捷的計(jì)算引擎和易于操作的界面，得到廣大用戶的信賴，可以高效識(shí)別、管理和降低與瞬態(tài)相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。Hammer 軟件同時(shí)還能進(jìn)行瞬態(tài)分析計(jì)算、具有良好的數(shù)據(jù)兼容性等優(yōu)勢。Hammer 軟件主要有以下功能和特點(diǎn)：

1）所使用的解法是對(duì)水擊動(dòng)態(tài)分析較為成熟可靠的特征線數(shù)值解法。

2）包含了多種水錘控制裝置比如空氣罐等，可以為多種水力控制裝置建立計(jì)算模型。

3）能夠仿真模擬一系列完整的水擊瞬時(shí)現(xiàn)象，可以為大多數(shù)常見水擊現(xiàn)象建立模型。

4）具有初始穩(wěn)態(tài)流計(jì)算引擎，可以計(jì)算模型的初始穩(wěn)態(tài)水力條件。

5）自動(dòng)計(jì)算每一個(gè)時(shí)間步驟的瞬時(shí)水擊對(duì)管道的沖擊力的大小及方向。

6）可以進(jìn)行水泵反轉(zhuǎn)速、水力渦輪模擬。

3 模擬工況

本工程從兩渡分水口開始可以分成總干線、聚義支線、廈門支線、玉成分支和連通段五部分，整個(gè)供水管路呈樹枝狀分布，各支線末端均設(shè)流量調(diào)節(jié)閥。結(jié)合工程的總體布置，選取工程運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最不利工況進(jìn)行模擬。運(yùn)行過程中由于事故末端流量調(diào)節(jié)閥突然關(guān)閉產(chǎn)生水錘的最不利工況主要包括以下幾種：

工況一：僅給聚義支線供水，其它支線分水口末端關(guān)閉。

工況二：僅給廈門支線供水，其它支線分水口末端關(guān)閉。

工況三：僅給玉成支線供水，其它支線分水口末端關(guān)閉。

工況四：僅給連通段東方鋁業(yè)供水，其它支線分水口末端關(guān)閉。

4 模型建立

根據(jù)工程總體布置，共布設(shè)檢修閥14 個(gè)，其中大溝支線4 個(gè)，總干線1 個(gè)、廈門支線4 個(gè)、聚義支線2個(gè)、玉成分支1 個(gè)、連通段2 個(gè)。排氣閥63 個(gè)，其中大溝支線31 個(gè)，總干線1 個(gè)、廈門支線18 個(gè)、聚義支線9 個(gè)、玉成分支1 個(gè)、連通段3 個(gè)。流量調(diào)節(jié)閥5 個(gè)，其中總干線1 個(gè)、廈門支線1 個(gè)、聚義支線1 個(gè)、玉成分支1 個(gè)、連通段1 個(gè)。末端出水池6 座，其中大溝支線1 座、廈門支線1 座、聚義支線2 座、玉成分支1 座、連通段1 座。管網(wǎng)中平面拐點(diǎn)和豎向拐點(diǎn)總共586個(gè)，兩節(jié)點(diǎn)間連接的管道共661 節(jié)，將所有的管道拐點(diǎn)坐標(biāo)及各種控制閥、出水池坐標(biāo)輸入excel 表格導(dǎo)入Hammer 軟件建立管網(wǎng)模型。隨后將設(shè)計(jì)好的管道參數(shù)、各種控制閥參數(shù)及流量參數(shù)輸入軟件，利用初始穩(wěn)態(tài)流計(jì)算引擎，計(jì)算模型的初始穩(wěn)態(tài)水力條件，驗(yàn)證模型的正確性，為后期模擬計(jì)算各種關(guān)閥水錘做準(zhǔn)備。

5 模擬分析

模型建立好以后，輸入?yún)?shù)選擇合適的關(guān)閥曲線，對(duì)各種工況進(jìn)行模擬計(jì)算分析，各種工況的壓力水頭線計(jì)算結(jié)果如下所示。

1）工況一：僅給聚義支線供水，其它支線分水口末端關(guān)閉。計(jì)算參數(shù)：設(shè)計(jì)流量Q=0.561 m3/s，末端關(guān)閥時(shí)間T=360 s，關(guān)閥曲線為直線型。計(jì)算結(jié)果見圖2～圖5：

圖2 東山調(diào)蓄池到聚義出水池

圖3 東山調(diào)蓄池到廈門出水池

圖4 東山調(diào)蓄池到玉成出水池

圖5 東山調(diào)蓄池到連通段出水池

分析結(jié)果見表1。

表1 工況一分析結(jié)果

2）工況二：僅給廈門支線供水，其它支線分水口末端關(guān)閉

計(jì)算參數(shù)：設(shè)計(jì)流量Q=0.209 m3/s，末端關(guān)閥時(shí)間T=360 s，關(guān)閥曲線為直線型。計(jì)算結(jié)果見圖6～圖9：

圖6 東山調(diào)蓄池到聚義出水池

圖7 東山調(diào)蓄池到廈門出水池

圖8 東山調(diào)蓄池到玉成出水池

圖9 東山調(diào)蓄池到連通出水池

分析結(jié)果見表2。

表2 工況二分析結(jié)果

3）工況三：僅給玉成支線供水，其它支線分水口末端關(guān)閉。計(jì)算參數(shù)：設(shè)計(jì)流量Q=0.073 m3/s，末端關(guān)閥時(shí)間T=360 s，關(guān)閥曲線為直線型。計(jì)算結(jié)果見圖10～圖13：

圖10 東山調(diào)蓄池到聚義出水池

圖11 東山調(diào)蓄池到廈門出水池

圖12 東山調(diào)蓄池到玉成出水池

圖13 東山調(diào)蓄池到連通出水池

分析結(jié)果見表3。

表3 工況三分析結(jié)果

4）工況四：僅給連通段東方鋁業(yè)供水，其它支線分水口末端關(guān)閉。計(jì)算參數(shù)：設(shè)計(jì)流量Q=0.282 m3/s，末端關(guān)閥時(shí)間T=360 s，關(guān)閥曲線為直線型。計(jì)算結(jié)果見圖14～圖17：

圖14 東山調(diào)蓄池到聚義出水池

圖15 東山調(diào)蓄池到廈門出水池

圖16 東山調(diào)蓄池到玉成出水池

圖17 東山調(diào)蓄池經(jīng)連通段到東方鋁業(yè)出水池

分析結(jié)果見表4。

表4 工況四分析結(jié)果

6 結(jié)語

運(yùn)用Bentley Hammer 水錘軟件對(duì)靈石東山供水縣域小水網(wǎng)供水工程壓力輸水管道工程進(jìn)行事故關(guān)閥水錘模擬，從以上分析結(jié)果可知合理的設(shè)置排氣閥及末端流量調(diào)節(jié)閥關(guān)閥時(shí)間可以有效的避免長距離壓力輸水管道工程中事故水錘的發(fā)生。同時(shí)還可以為工程實(shí)際運(yùn)行提供理論支持，一定程度上也驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。