南水北調(diào)配套工程有壓輸水管道水錘計(jì)算及防護(hù)措施

韓李明

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

南水北調(diào)配套工程有壓輸水管道水錘計(jì)算及防護(hù)措施

韓李明

（河北省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，天津300250）

河北省南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水管道工程中大量采用了管道、暗涵等作為輸水方式，輸水距離從幾百米到上百千米不等，水錘分析難度大、防護(hù)措施復(fù)雜。以配套工程某設(shè)計(jì)單元為例，基于Bentley－Hammer軟件建立了長距離有壓輸水管道水錘計(jì)算模型，將管道末端的閥門關(guān)閉時(shí)長作為控制條件進(jìn)行水錘數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果表明，通過合理地延長閥門關(guān)閉的時(shí)長能夠有效地減小水錘壓力。結(jié)合計(jì)算分析結(jié)果，提出了通過優(yōu)化管道縱斷布置和合理布置進(jìn)排氣設(shè)施來減少水錘壓力的防護(hù)措施，并對管道的運(yùn)行調(diào)度作了相應(yīng)的要求，為南水北調(diào)配套工程其他管線工程提供了相應(yīng)的參考。

長距離輸水；有壓管道；水錘計(jì)算；防護(hù)措施

1 工程概況

河北省南水北調(diào)配套工程引水水源為南水北調(diào)中線河北段，供水范圍包括京津以南的邯鄲、邢臺、石家莊、保定、廊坊、衡水、滄州7個(gè)設(shè)區(qū)市、92個(gè)縣（市、區(qū)）、26個(gè)工業(yè)園區(qū)。配套工程建設(shè)分為4條大型輸水干渠和7個(gè)地市水廠以上輸水管道工程，主要建設(shè)內(nèi)容包括：新建改造石津干渠、廊涿干渠、保滄干渠、邢清干渠4條大型輸水干渠，新建邯鄲、邢臺、石家莊、保定、廊坊、滄州、衡水7個(gè)設(shè)區(qū)市境內(nèi)從干渠到各供水目標(biāo)的輸水管道，輸水形式除石津干渠利用部分原有渠道外全部為管道、暗涵。

配套工程某設(shè)計(jì)單元輸水管道工程采用有壓重力輸水，進(jìn)口設(shè)計(jì)水位為73.5 m，沿線共設(shè)5個(gè)供水目標(biāo)，設(shè)計(jì)供水能力為3.76 m3/s，各目標(biāo)供水流量為0.61 m3/s、2.18 m3/s、0.305 m3/s、0.305 m3/s和0.36 m3/s。輸水管道管材選用PCCP和DIP，管徑DN1800～DN700，管道總長64.95 km。管道的輸水流量較大，輸水距離遠(yuǎn)，沿線穿過多個(gè)縣區(qū)、村鎮(zhèn)，穿越鐵路2條，高速公路2條，國道、省道6條，縣級公路3條。一旦發(fā)生水錘破壞事故，會造成嚴(yán)重的安全事故和社會影響。因此，通過水錘計(jì)算分析，采取安全、可靠的水錘防護(hù)措施和合理的運(yùn)行調(diào)度規(guī)程十分重要。

2 水錘計(jì)算原理

水錘是管道水流流速發(fā)生變化而產(chǎn)生的壓力波，與流速的變化率有關(guān)。

水錘壓力增加過大會使管道超壓破壞；水錘壓力減小過多，會使液柱分離，甚至管道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞；液柱分離后形成空泡，而空泡破滅瞬間產(chǎn)生水錘壓力也會破壞管道。應(yīng)進(jìn)行水錘分析，控制最大壓力不超過管道設(shè)計(jì)壓力；對空泡破滅水錘通過設(shè)置復(fù)合排氣閥予以消減。

水錘壓力采用特征線法進(jìn)行分析計(jì)算。特征線法是管路系統(tǒng)水力過渡過程的分析與計(jì)算的主要方法，其主要思路是將以偏微分方程式表示的水錘基本方程組，轉(zhuǎn)化為在特征線方向上的常微分方程組（特征方程），沿特征線進(jìn)行積分，將得到有限差分方程式，根據(jù)給定的初始邊界條件，應(yīng)用計(jì)算機(jī)采用有限差分進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

特征線方程組：

有限差分方程式為：

上面兩式相減得：F=HB－HA+B（2QP－QA－QB）+R[（QA+QP）│QA+QP│+（QP+QB）│QP+QB│]/4=0，經(jīng)試算求得QP，再求HP.管線末端采用的調(diào)流閥門，參見《工業(yè)管道中的水錘》，選用活塞式閥門，過流特性曲線為直線，計(jì)算公式為：QP=－BCV+（CV2B2+2CVCP）0.5，管線首端取設(shè)計(jì)水頭，HP為相對于管道出口高程的水位。

3 水錘壓力計(jì)算

3.1 應(yīng)用軟件介紹

本工程采用BENTLEY公司開發(fā)的HAMMER分析軟件進(jìn)行計(jì)算，確定水錘的綜合防護(hù)措施。該軟件在國際上已有15年的應(yīng)用歷史，已應(yīng)用于數(shù)百個(gè)工程實(shí)踐中。軟件使用特征線法，可動(dòng)態(tài)模擬管道全部瞬變流現(xiàn)象，并可模擬多種水錘保護(hù)設(shè)備和運(yùn)行設(shè)備的影響。

3.2 計(jì)算工況選定

根據(jù)本工程輸水管道的布置及供水流量的分配情況，選擇輸水管線最長的支管出口調(diào)流閥、分水流量最大的支管出口調(diào)流閥及整個(gè)供水管道系統(tǒng)最遠(yuǎn)端的檢修閥關(guān)閉情況，并進(jìn)行水錘壓力計(jì)算。

4 計(jì)算過程

通過擬定不同的閥門關(guān)閉時(shí)間來進(jìn)行水錘壓力計(jì)算。

4.1 支管最長調(diào)流閥關(guān)閉

4.1.1 5 min勻速關(guān)閉

管道末端最大水錘壓力水頭為158 m，較正常輸水增加122 m水壓，超出工作壓力約76 m。管道出現(xiàn)水柱分離，產(chǎn)生負(fù)壓。

4.1.2 10 min勻速關(guān)閉

管道末端最大水錘壓力水頭為115 m，較正常輸水增加78 m水壓，超出工作壓力約30 m水壓，約占工作壓力的60%，管道未出現(xiàn)負(fù)壓。

4.1.3 15 min勻速關(guān)閉

管道末端最大水錘壓力水頭為100 m，較正常輸水增加65 m水壓，超出工作壓力約18 m水壓，約占工作壓力的36%，管道未出現(xiàn)負(fù)壓。

4.1.4 20 min勻速關(guān)閉

管道末端最大水錘壓力水頭為93 m，較正常輸水增加56 m水壓，超出工作壓力約18 m水壓，約占工作壓力的20%，管道未出現(xiàn)負(fù)壓。

管線最長支管出口調(diào)流閥15 min關(guān)閉，水錘升壓約占工作內(nèi)壓的36%；20 min關(guān)閉，水錘升壓約占工作內(nèi)壓的20%，均在管材允許壓力范圍內(nèi)。為了工程運(yùn)行安全，管線最長的支管調(diào)流閥勻速關(guān)閉時(shí)間取為20 min。

4.2 流量最大支管末端調(diào)流閥關(guān)閉

4.2.1 干管運(yùn)行+支管5 min勻速關(guān)閉

輸水干管最大水錘壓力出現(xiàn)在支管分水口處，最大水錘壓力水頭為98 m，較正常輸水增加30 m水壓，未超出工作壓力，管道產(chǎn)生負(fù)壓。

輸水支管最大水錘壓力出現(xiàn)在支管末端，最大水錘壓力水頭為99 m，較正常輸水增加32 m水壓，未超出工作壓力，管道產(chǎn)生負(fù)壓。

4.2.2 干管運(yùn)行+支管10 min勻速關(guān)閉

輸水干管最大水錘壓力水頭為84 m，較正常輸水增加17 m水壓，未超出工作壓力，管道未出現(xiàn)負(fù)壓。

輸水支管最大水錘壓力水頭為86 m，較正常輸水增加20 m水壓，未超出工作壓力，管道未出現(xiàn)負(fù)壓。

4.2.3 干管運(yùn)行+支管15 min勻速關(guān)閉

輸水干管最大水錘壓力水頭為80 m，較正常輸水增加12 m水壓，未超出工作壓力，管道未出現(xiàn)負(fù)壓。

輸水支管最大水錘壓力水頭為81 m，較正常輸水增加15 m水壓，未超出工作壓力，管道未出現(xiàn)負(fù)壓。

4.2.4 干管運(yùn)行+支管20 min勻速關(guān)閉

輸水干管最大水錘壓力水頭為78 m，較正常輸水增加10 m水壓，未超出工作壓力，管道未出現(xiàn)負(fù)壓。

輸水支管最大水錘壓力水頭為79 m，較正常輸水增加12 m水壓，未超出工作壓力，管道未出現(xiàn)負(fù)壓。

輸水干管運(yùn)行、支管末端調(diào)流閥5～20 min關(guān)閉，水錘壓力均未超過管道工作壓力。為了工程運(yùn)行安全，流量最大支管末端調(diào)流閥勻速關(guān)閉時(shí)間取為15 min。

4.3 管線最遠(yuǎn)端檢修閥關(guān)閉

4.3.1 5 min勻速

輸水干管最大水錘壓力出現(xiàn)在干管末端，最大水錘壓力水頭為142 m，較正常輸水增加105 m水壓，超出工作壓力約60 m水壓。管道出現(xiàn)水柱分離，產(chǎn)生負(fù)壓。

流量最大支管最大水錘壓力出現(xiàn)在支管分水口附近，最大水錘壓力水頭為79 m，較正常輸水增加12 m水壓，未超出工作壓力。管道未出現(xiàn)負(fù)壓。

4.3.2 10 min勻速

輸水干管最大水錘壓力水頭為101 m，較正常輸水增加64 m水壓，超出工作壓力約19 m水壓，約占工作壓力的38%，管道未出現(xiàn)負(fù)壓。輸水支管最大水錘壓力水頭為69 m，較正常輸水增加3 m水壓，未超出工作壓力。管道未出現(xiàn)負(fù)壓。

4.3.3 15 min勻速

輸水干管最大水錘壓力水頭為88 m，較正常輸水增加52 m水壓，超出工作壓力約6 m水壓，約占工作壓力的12%，管道未出現(xiàn)負(fù)壓。輸水支管最大水錘壓力水頭為68 m，較正常輸水增加2 m水壓，未超出工作壓力。管道未出現(xiàn)負(fù)壓。

4.3.4 20 min勻速

輸水干管最大水錘壓力水頭為84 m，較正常輸水增加46 m水壓，超出工作壓力約2m水壓，約占工作壓力的4%，管道未出現(xiàn)負(fù)壓。輸水支管最大水錘壓力水頭為68 m，較正常輸水增加1 m水壓，未超出工作壓力。管道未出現(xiàn)負(fù)壓。

輸水管道最遠(yuǎn)端檢修閥15～20 min關(guān)閉干管水錘升壓均小于管道工作壓力的40%，流量最大支管水錘壓力均未超過管道工作壓力。為了工程運(yùn)行安全，最遠(yuǎn)端檢修閥勻速關(guān)閉時(shí)間取為20 min。

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

4.4.1 閥門關(guān)閉時(shí)間及水錘壓力關(guān)系分析

通過上述計(jì)算可以看出，隨著干管、支管末端閥門關(guān)閉時(shí)間的延長，水錘壓力超過最大靜水壓的數(shù)值在減小，當(dāng)末端調(diào)流閥的關(guān)閉時(shí)間為20 min時(shí)，水錘升壓約占工作內(nèi)壓的20%.如果管道內(nèi)壓設(shè)計(jì)值為工作壓力的1.4～1.5倍，則20 min關(guān)閉閥門的水錘壓力可控制在管道設(shè)計(jì)壓力之內(nèi)。

4.4.2 水錘類型的劃分

水錘特性系數(shù)ρ=a×V0/（2×g×H0）＞1，由正常運(yùn)行狀態(tài)關(guān)閉末端閥門時(shí)ρ×τ0＞1，水錘類型為末相極限水錘，極值出現(xiàn)在關(guān)閉終了，閥門前端出現(xiàn)最大值。對直線關(guān)閉的末相水錘，水錘壓力極值沿管長直線分布。

5 防護(hù)措施

5.1 無水錘防護(hù)措施

輸水管道沿線無任何水錘防護(hù)措施時(shí)，從多種關(guān)閥程序的試算結(jié)果可以看出，關(guān)閥過程必須緩慢。末端調(diào)流閥緩慢關(guān)閥，可以有效地避免關(guān)閥水力過渡過程中壓力升高，控制水錘升壓，確保系統(tǒng)安全。

5.2 排氣閥

壓力輸水管線排氣和進(jìn)氣不暢是管線發(fā)生事故的重要原因之一，排氣閥的作用有以下2個(gè)：①隨時(shí)排出管道內(nèi)積氣，并方便檢修。②防止水錘壓力減小過多，使液柱分離后致使管道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞；液柱分離后形成空泡，而空泡破滅瞬間產(chǎn)生水錘壓力也會破壞管道，設(shè)置排氣閥對空泡破滅水錘予以消減。本工程在輸水管道的豎向突起點(diǎn)設(shè)置了排氣閥，另外，在管道平緩段長度大于1 km時(shí)的適當(dāng)位置也設(shè)有排氣閥。排氣閥采用多功能復(fù)合式排氣閥，可隨管道內(nèi)的壓力情況而進(jìn)行排氣、進(jìn)氣，以保證輸水管道的安全運(yùn)行。

5.3 嚴(yán)格執(zhí)行管道運(yùn)行調(diào)度規(guī)程

有壓輸水管道工程應(yīng)由具備相應(yīng)資格的人員負(fù)責(zé)閘（閥）門、水量等調(diào)度，運(yùn)行人員必須服從調(diào)度指令，在得到調(diào)度指令后，方可按照操作規(guī)程進(jìn)行相應(yīng)水量（壓）控制設(shè)備的操作。

6 結(jié)束語

從本工程多種關(guān)閥程序的試算結(jié)果可以看出，關(guān)閥過程必須緩慢。末端調(diào)流閥、檢修閥關(guān)閥程序?yàn)榫?0 min緩慢關(guān)閥，可以有效地避免關(guān)閥水力過渡過程中壓力升高，控制水錘升壓，確保系統(tǒng)安全。

除末端閥外，管線上其他的檢修閥、切換閥及泄水閥等的操作同樣應(yīng)遵循“緩開、緩閉”的操作原則，控制閥門關(guān)閉時(shí)間不短于1個(gè)傳播周期（310 s），宜為10 min。

流量最大支管（Q=2.18 m3/s）引水出現(xiàn)故障，或其中某段檢修流量減少為設(shè)計(jì)流量的70%情況出現(xiàn)，且關(guān)閉閥門時(shí)間為10 min時(shí)，干管的水錘壓力超工作壓力小于20 m，不影響管材的選擇。由于閥門關(guān)閉曲線為參照數(shù)據(jù)，因此，與實(shí)際可能存在誤差，所以，計(jì)算結(jié)果只能作為閥門操作程序的一種趨勢分析，但延長關(guān)閉閥門時(shí)間是減小水錘危害的有效途徑。

［1］王學(xué)芳，葉宏開，湯榮銘，等.工業(yè)管道中的水錘［M］.北京：科學(xué)出版社，1995.

［2］李煒.水力計(jì)算手冊［M］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［3］劉啟釗，胡明.水電站［M］.北京：中國水利水電出版社，2010.

〔編輯：張思楠〕

TV68

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.013

2095－6835（2017）19－0013－03

韓李明（1984—），男，河北涉縣人，碩士研究生，從事水利水電工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。