長距離重力流輸水工程多支管運(yùn)行方案水錘研究

徐 燕，李 江

(新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局， 新疆 烏魯木齊 830000)

新疆地處祖國西部邊陲，年降雨量少，蒸發(fā)能力強(qiáng)，是典型的干旱地區(qū)，且新疆水資源分配不均，整體分布呈現(xiàn)北疆大于南疆，山區(qū)大于平原，西部大于東部，地下水資源主要分布在山丘和平原區(qū)[1]。隨著近些年新疆經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，長距離重力流輸水工程也越來越多。特別是2005年前后，隨著西部大開發(fā)政策引導(dǎo)及新疆工業(yè)化發(fā)展需求，一大批供水工程上馬，解決因高程差較大等諸多水源無法滿足正常的生產(chǎn)生活需求的問題，因此管道供水工程開始大量實施，其中重力流輸水項目占據(jù)了一定的比例。

重力流輸水工程需要一定的地形高差，在保證防凍要求的情況下，管線沿地形起伏變化，平行鋪設(shè)。一般在輸水管線中下游會因地勢落差較大，出現(xiàn)壓力過高的現(xiàn)象[2-3]。一般情況下，長距離輸水管道沿線的用水戶較多，這就造成管網(wǎng)系統(tǒng)更為復(fù)雜，在做過渡分析計算時，會發(fā)生很多難以確定因素。若多支管在較短的時間內(nèi)同時關(guān)閉或開啟，會比單一管道造成的水錘升壓或負(fù)壓更為嚴(yán)重[4]；如果多支管末端不加限制，也會引起管道出現(xiàn)問題，嚴(yán)重的可能造成分水口引不上水或某些管段出現(xiàn)半管流，威脅管道安全[5]。本文針對新疆長距離多支管的水錘防護(hù)問題，結(jié)合工程實例進(jìn)行研究計算，提出防護(hù)措施。

1 多支管重力流輸水工程末端關(guān)閥的影響

在有壓輸水管道中，由于流速的劇烈變化和水流的慣性而引起一系列急驟的壓力變化和密度變化，稱為水錘。水柱分離是管流中出現(xiàn)空穴(空管段)時的一種水擊現(xiàn)象[6-15]。

對多分支重力流輸水問題與1條主干管的重力流工程相比，管路內(nèi)的情況更為復(fù)雜。多分支重力流輸水工程由于主干管及不同分支管末端閥門的關(guān)閉，管道中任意一點的水錘壓力變化就變得更為復(fù)雜，關(guān)閥影響的程度受各分支管末端的流量大小、關(guān)閥時間的長短、各分支管如何組合等影響較大，在產(chǎn)生關(guān)閥水錘時，會使得水錘升壓更高，造成管道的耐壓等級也會相應(yīng)的提高，因此選擇最佳的水錘防護(hù)措施的復(fù)雜程度也會明顯增加,在計算防護(hù)措施的過程中，應(yīng)注意管道的排氣閥的安裝位置，并應(yīng)預(yù)防主管道及不同支管道末端閥門在不同關(guān)閉情況下引起水錘升壓[7-8]；還會造成較低的負(fù)壓，進(jìn)而引發(fā)彌合水錘，發(fā)生更為嚴(yán)重的爆管事故[9]。因此多分支的長距離輸水工程的水錘壓力變化問題更為突出[10-11，16]。本文對多支管運(yùn)行的具體情況進(jìn)行不同工況的關(guān)閥水錘分析研究。

2 案例分析

2.1 工程概況

重力流輸水主干管全長32.28 km，最大落差132.3 m，管徑為DN1000，進(jìn)水池水位1 010.4 m，設(shè)計流量3 384.04 m3/h，沿線共有五處分水口。主要計算參數(shù)為：主干管為球墨鑄鐵管，管徑DN1000，壁厚8.1 mm～13.5 mm，威廉姆斯系數(shù)120，承壓等級為1.6 MPa。支管有4條，其中PE管管徑為DN90～500，威廉姆斯系數(shù)140，承壓等級為0.8 MPa；球墨鑄鐵管管徑為DN800，威廉姆斯系數(shù)120。輸水主管道管線高程及各支線分水口位置示意圖見圖1，分水口詳細(xì)參數(shù)見表1。

圖1 B廠區(qū)方向輸水主管道管線高程及各支線分水口位置示意圖

2.2 管道水錘分析計算原理

本文計算采用美國肯塔基州大學(xué)開發(fā)的KYPipe2010水錘分析軟件。該軟件水錘波特征方程基于彈性水柱理論的兩個基本方程，數(shù)值求解方法采取的是拉格朗日波特性法，而非特征線法。

2.2.1 計算模型

水錘波特征方程基于彈性水柱理論的兩個基本方程，分別為運(yùn)動方程和連續(xù)方程[12]。

運(yùn)動方程：

(1)

連續(xù)方程：

(2)

式中：H為測壓管水頭，m；c為水錘波速度，m/s；x，t分別為水錘波沿直線傳播的距離和時間；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2；f(v)是速度的非線性函數(shù)。

結(jié)合運(yùn)動方程和連續(xù)方程，考慮邊界條件(閥門、水池等)，使用拉格朗日波特性方法進(jìn)行計算。

波特性法是美國肯塔基大學(xué)土木工程系的Don.J.Wood教授提出的，以瞬態(tài)管流源于管道系統(tǒng)水力擾動所產(chǎn)生的壓力波動的發(fā)生和傳播這一物理概念為理論基礎(chǔ)，通過追蹤水錘波的發(fā)生、傳播、反射和干射，來計算各節(jié)點不同時段的瞬態(tài)壓力值。拉格朗日波特性法具有特征線法所不具備的高效的計算速度，主要體現(xiàn)在大型管網(wǎng)進(jìn)行水力計算時的速度優(yōu)勢非常大[13]。

2.2.2 管道計算工況選擇

重力流管道中分水口流量越大，末端關(guān)閥引起的流速改變量越大，導(dǎo)致的水錘危害也最大。管道沿線5個分水口，分水流量見表1，其中 5#分水口樁號26+470處的分水流量最大，4#分水口樁號19+950處的分水流量第2大。

本文對最危險的5#分支管及4#、5#分支管同時或依次關(guān)閉的關(guān)閥水錘進(jìn)行模擬分析，選取工況見表2。

表2 不同工況計算表

2.3 穩(wěn)態(tài)分析

各分水口按照不同流量組合的穩(wěn)態(tài)工況見表2。圖2、圖3為這兩種工況下計算的水力坡度線及壓力變化圖。

圖2 不同設(shè)計工況水力坡度線

圖3穩(wěn)態(tài)工況下壓力變化曲線

根據(jù)穩(wěn)態(tài)分析計算結(jié)果，可以看出2種工況的管道壓力均滿足設(shè)計要求，但各支管處出水壓力均較高，工況1管道末端壓力為83 m，工況2末端出水壓力水頭達(dá)70.6 m。

2.4 分支管關(guān)閥水錘分析

2.4.1 不同關(guān)閥工況下水錘壓力變化

(1) 5#支管末端關(guān)閥或4#支管、5#支管同時或依次末端關(guān)閉工況的關(guān)閥時間分析

關(guān)閥水錘分析計算工況見表2。通過計算得出不同關(guān)閥水錘工況下主干管的最大壓力發(fā)生位置和發(fā)生的時間，見表3。

表3 不同關(guān)閥工況下主干管管線最大壓力位置

圖4、圖5、圖6為三種關(guān)閥水錘分析工況下不同位置處的壓力變化。從圖4、圖5中我們可以發(fā)現(xiàn)5#支管閥門關(guān)閉時間越長，5#分水口、4#分水口的第一個水錘升壓波幅越小，即水錘升壓越小，這就說明關(guān)閥時間對管道的安全影響很大；從圖4、圖5中還可以看出，5#、4#分水口分水管道末端300 s同時關(guān)閉，造成的第一個水錘波幅升壓較只關(guān)閉5#支管300 s的方案的水錘波幅上升了25 m左右，且在管道運(yùn)行到400 s時再次出現(xiàn)一個明顯的水錘波幅，該波幅比只關(guān)閉5#支管300 s的方案的水錘波幅上升了30 m左右，從這些數(shù)據(jù)我們可以明顯的判斷出，隨著支管關(guān)閉數(shù)量增加，流量改變量變大，造成的水錘升壓越嚴(yán)重，因此，設(shè)計人員在設(shè)計時，應(yīng)盡量的延緩末端閥門的關(guān)閉時間，本次計算將末端閥門的關(guān)閉時間設(shè)定為300 s，并且要求盡量避免多條支管同時關(guān)閉。

圖4 不同工況下4#分水口處壓力變化

圖5 不同工況下5#分水口處壓力變化

圖6不同工況下末端隔斷閥處壓力變化

從圖7中我們可以看出，只關(guān)閉5#支管末端的閥門300 s工況的最小水力包絡(luò)線明顯高于5#、4#分水口分水管道末端300 s同時或依次關(guān)閉的最小水力包絡(luò)線，從圖8中我們發(fā)現(xiàn)只關(guān)閉5#支管末端的閥門300 s工況的管道最大壓力包絡(luò)線明顯低于5#、4#分水口分水管道末端300 s同時關(guān)閉工況的管道最大壓力包絡(luò)線，這也反映了隨著支管關(guān)閉數(shù)量增加，造成的水錘升壓越嚴(yán)重。從圖7還可以看出，主管道末端的超壓比較嚴(yán)重，且1#(樁號4+700)、2#(樁號15+765)、3#(樁號15+765)、4#(樁號19+950)四處分水口壓力雖未超出主管道承壓的壓力，但均超過了分支管PE管材的承壓等級，需要進(jìn)一步的采取防護(hù)措施，降低水錘壓力，確保管道的安全。

圖7 水力包絡(luò)線

圖8最大/最小壓力包絡(luò)線

2.4.2 防護(hù)方案選擇

(1) 持壓穩(wěn)壓閥。從5#、4#分水口分水管道末端300 s同時或依次關(guān)閉的最小水力包絡(luò)線圖7中可以看出，管道沿線駝峰處的水力坡降線距駝峰高點處的內(nèi)水壓力不大，各支管及主管道末端流量如不加控制，造成總體輸水流量過大時，可能會出現(xiàn)較大的壓降，造成駝峰高點處出現(xiàn)負(fù)壓，還會出現(xiàn)部分支管由于供水壓力過低，造成引水困難，產(chǎn)生半管流或明滿流交替的問題，影響整個管道系統(tǒng)的安全，因此考慮在主管道末端要設(shè)置持壓穩(wěn)壓閥，以保證整個管路系統(tǒng)的水壓力。

當(dāng)所有支管按照設(shè)計流量正常運(yùn)行時，持壓穩(wěn)壓閥閥前壓力低于閥門設(shè)定壓力，閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，使閥前自動維持一定背壓，防止末端壓力過低影響分支管流量；當(dāng)支管用水量減小，持壓穩(wěn)壓閥閥前壓力上升，超過持壓穩(wěn)壓閥設(shè)定壓力時，閥門自動打開，泄放多余的流量。當(dāng)發(fā)生關(guān)閥水錘時，持壓穩(wěn)壓閥可具有泄壓閥的功能，及時泄放管道內(nèi)多余的壓力，降低水錘危害。

(2) 減壓措施。當(dāng)發(fā)生關(guān)閥水錘時，減壓閥可以使進(jìn)入支管的壓力在管道的承壓范圍之內(nèi)，本文在每條支管分水口處安裝可調(diào)式減壓閥，控制各支管分水口的壓力，對5#與4#支管同時或依次關(guān)閉300 s工況下5#支管設(shè)計流量、最小流量兩種情況的支管關(guān)閉工況進(jìn)行進(jìn)一步的水錘分析計算[14]。

經(jīng)計算，2種工況下，5#與4#支管同時或依次關(guān)閉，主管道水力包絡(luò)線、最大/最小壓力包絡(luò)線、重要分水口及最大壓力點壓力變化、末端管道流量變化曲線如圖9—圖12所示。

圖9 4#分水口壓力變化

圖10 5#分水口壓力變化

從計算結(jié)果可以看出，在各分水口設(shè)置可調(diào)式減壓閥后，當(dāng)發(fā)生關(guān)閥水錘時，控制了各分水口處的壓力，并降低了主管道的水錘壓力，使壓力均控制在主干管、支管的承壓等級內(nèi)。從圖9、圖10可以看出，4#、5#分水口處的壓力均明顯降低，且壓力較為穩(wěn)定。對比設(shè)計流量和最小流量工況分析，發(fā)現(xiàn)小流量工況關(guān)閥時產(chǎn)生的水錘壓力比設(shè)計流量工況關(guān)閥時產(chǎn)生的水錘壓力要大，這一點與實際情況也是相符的。

圖11 5#支管設(shè)計流量工況下水力包絡(luò)線

圖12 5#支管最小流量工況下水力包絡(luò)線

5#支管設(shè)計流量時，5#與4#支管同時或依次關(guān)閉，最大壓力88.4 m，發(fā)生在樁號23+294處。5#支管流量最小時，5#支管與4#支管300 s同時或依次關(guān)閉，最大壓力108.4 m，發(fā)生在樁號23+294處。

3 結(jié) 語

(1) 隨著支管關(guān)閉數(shù)量增加，流量改變量越大，造成的水錘升壓越嚴(yán)重，因此，設(shè)計人員在設(shè)計時，應(yīng)盡量的延緩末端閥門的關(guān)閉時間，并且要求盡量避免多條支管同時關(guān)閉。

(2) 管道沿線駝峰處的水力坡降線距駝峰高點處的內(nèi)水壓力不大，各支管及主管道末端流量如不加控制，會造成駝峰高點處出現(xiàn)負(fù)壓，還會出現(xiàn)部分支管由于供水壓力過低，造成引水困難，需要在主管道末端增設(shè)持壓穩(wěn)壓閥來解決，這是重力流中多支管研究的一個關(guān)鍵點。

(3) 通過對多支管末端的關(guān)閥水錘分析，分水口處的水錘壓力偏高，設(shè)置可調(diào)式減壓閥可有效降低分水口處的水錘升壓。設(shè)計人員在多支管管道系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)關(guān)注此問題，確保支管的運(yùn)行安全。