長距離多支線重力原水輸水管道關(guān)閥水錘分析及防護(hù)措施

楊　雯，歐陽于藍(lán)，宋子明，孫亞全

(中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢　430000)

目前，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)建設(shè)的需求日益增加，長距離管道調(diào)水工程已經(jīng)成為解決區(qū)域性缺水和水質(zhì)性缺水必不可少的一部分。長距離輸水管(渠)道工程，是距離超過10 km的用管(渠)輸送原水、清水的建設(shè)工程[1]。在長距離重力輸水和長距離壓力輸水中，長距離重力輸水具有工程投資少、維護(hù)管理方便、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在條件許可的情況下應(yīng)優(yōu)先選用。

在重力壓力管流中因流速劇烈變化引起動量轉(zhuǎn)換，從而在管路中產(chǎn)生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象，稱為水錘現(xiàn)象[2]。重力輸水管道中無水泵加壓，不存在停泵過程中可能出現(xiàn)的水柱分離及其再彌合問題，其運(yùn)行過程中需要重點(diǎn)解決管路中閘、閥突然關(guān)閉和突然打開產(chǎn)生的水錘問題。即在重力輸水正常運(yùn)行過程中，因流量調(diào)節(jié)或者水池檢修等因素，需要將管線末端閥的開度減小甚至關(guān)閉時，若關(guān)閉程序不當(dāng)，容易產(chǎn)生較大的水錘壓力，可能引起管道中強(qiáng)烈的振動，從而造成閥門的破壞，管件接頭斷開，甚至導(dǎo)致管路爆管。

為保障城鎮(zhèn)供水水質(zhì)和城鎮(zhèn)供水安全性，做好水錘防護(hù)是長距離重力管道工程安全性的關(guān)鍵。本文以云南省某市水庫長距離重力輸水工程為例,說明水錘防護(hù)設(shè)計(jì)需要從工程措施、技術(shù)措施、運(yùn)行管理多方面綜合考慮,并首先考慮工程措施的設(shè)計(jì)思路,以供類似工程參考。

1　工程概況

云南省某市水庫長距離輸水工程為從水庫水源地向南至1#鎮(zhèn)，在1#鎮(zhèn)分為兩根供水管，一根沿西邊鋪設(shè)，途徑1#水廠、3#水廠、5#水廠、7#水廠、9#水廠和10#水廠，最終供至11#水廠配水井；一根沿6#鋪設(shè)，途徑2#水廠、4#水廠和6#水廠，最終供至8#水廠取水泵房，輸水規(guī)模為15萬m3/d，直線距離總計(jì)約159 km，水源區(qū)與受水區(qū)地面高程高達(dá)146.50 m。

水庫取水位：水庫正常蓄水位為2 132.00 m，死水位為2 117.00 m。為保證城市供水水源的取水量，本設(shè)計(jì)取水位選2 119.00 m(比水庫死水位高2.00 m)作為原水輸水管線的最低設(shè)計(jì)工作水位。

輸水管線沿途各水廠參數(shù)如表1所示。

表1　輸水管線沿途各水廠參數(shù)表

本工程全線采用埋地管道輸水，管材主要采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)；KB22+050～KB28+105段地勢高差較大、地形較復(fù)雜、工程地質(zhì)條件較差，KC47+532～KC49+677段地下水位較高，以及局部地質(zhì)較差或穿越障礙等處采用鋼管(SP)。各個區(qū)間輸水管道參數(shù)如圖1和表2所示。

圖1　水庫原水供水工程示意圖

編號供水區(qū)間供水規(guī)模輸水能力/(萬m3·d-1)/萬m3·d-1)/(L·s-1)距離/km管徑/mm壁厚/mm流速/(m·s-1)水力坡降水頭損失/mm1水庫～1#鎮(zhèn)150170119687561001600160980394‰2641501701196875364531600160980431‰172721#鎮(zhèn)～1#水廠150170119687553151400161280878‰5133主干管～1#水廠支管20227262500240600120931432‰03841#水廠～3#水廠1501701196875102281400161280878‰9885主干管～3#水廠支管20227262500831600120931432‰13163#水廠～5#水廠150170119687597761400161280878‰9447主干管～5#水廠支管30340393751355600121393221‰48085#水廠～7#水廠1501701196875109941400161280878‰10629主干管～7#水廠支管707949187532741000141171150‰414107#水廠～9#水廠140158818375088231200141631740‰168911主干管～9#水廠支管606807875009891000141000845‰092129#水廠～10#水廠8090710500010101000141341502‰16713主干管～10#水廠支管20227262500899600120931432‰1421410#水廠～11#水廠606807875035311000141000773‰300151#鎮(zhèn)～2#水廠1501701196875177901400161280878‰171816主干管～2#水廠支管20227262501080600120931432‰170172#水廠～4#水廠150170119687581921400161280878‰79118主干管～4#水廠支管15170196882500500121002129‰586194#水廠～6#水廠1501701196875192841400161280878‰186220主干管～6#水廠支管30340393751050600121393221‰372216#水廠～8#水廠泵房120136115750088591200141391278‰1246合計(jì)158573

2　水錘模擬計(jì)算

2.1　管線穩(wěn)態(tài)時運(yùn)行工況(水錘計(jì)算初始條件)

本工程為有壓重力輸水管，進(jìn)行關(guān)閥水錘數(shù)值模擬研究，以探討末端水廠關(guān)閥引起的管路壓力和水錘壓力變化規(guī)律，以及合理的水錘防護(hù)措施。

根據(jù)原水壓力管道平面方案布置圖及簡化的縱斷面圖，建立水錘計(jì)算模型。水庫供給各個水廠的全線管線穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時水力坡降線如圖2所示。

由圖2可知，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下管線中出現(xiàn)的最大管線壓力為140 m，設(shè)計(jì)中原水輸水管設(shè)計(jì)壓力為1.60 MPa，根據(jù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行結(jié)果，該壓力是符合管線運(yùn)行壓力要求的。危及管線系統(tǒng)安全的潛在因素是事故關(guān)閥而引起的關(guān)閥水錘，這也是本設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)。

2.2　水錘計(jì)算

考察從設(shè)計(jì)起點(diǎn)(某市水庫出水總管)到設(shè)計(jì)終點(diǎn)(云南省某市各個水廠進(jìn)水配水井)之間的管段在水錘模擬時間內(nèi)產(chǎn)生的最高水錘壓力值和最低水錘壓力值所形成的水錘包絡(luò)線。根據(jù)水錘包絡(luò)線判斷是否有超過管道承壓能力的現(xiàn)象。

2.2.1相關(guān)參數(shù)的選擇與設(shè)置

(1)水錘波波速：由于水錘波速與管材、壁厚和管徑等相關(guān)，在控制其他條件不變的情況下，根據(jù)不同管徑和壁厚得到以下水錘波速，DN1600預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道，v=1 027.80 m/s；DN1400預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道，v=1 063.80 m/s；DN1200預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道，v=1 031.32 m/s；DN1000預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道，v=1 050.04 m/s；DN600預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道，v=1 111.21 m/s；DN500預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道，v=1 135.59 m/s。

(2)計(jì)算總歷時：5 000 s。

(3)時間步長：△t=0.1 s。

(4)蒸汽壓力：-97.9 kPa。

(5)波數(shù)折減系數(shù)：1.000 。

(6)模擬液體：水(20 ℃)，運(yùn)動黏度(1.004e-0.006)，體積彈性模量(2188 128 kPa)。

(7)材料：PCCP，曼寧系數(shù)(0.013)，海森-威廉系數(shù)(110)，楊氏模量(20 000 000 kPa),泊松比(0.15)

圖2　水庫到各水廠管線的縱剖面及穩(wěn)態(tài)水力坡度線

2.2.2水錘計(jì)算結(jié)果分析

本計(jì)算只對11個水廠同時關(guān)閉閥門產(chǎn)生的關(guān)閥水錘進(jìn)行計(jì)算，這種情況下產(chǎn)生的關(guān)閥水錘破壞最嚴(yán)重。采用美國BENTLEY公司的水錘計(jì)算軟件Hammer V8，通過建立管線水錘計(jì)算模型，輸入相關(guān)參數(shù)(包括初始條件和邊界條件)，經(jīng)過一系列的試算和調(diào)試，找到經(jīng)濟(jì)合理的水錘解決方案。

(1)未采取水錘防護(hù)措施時工況

從某水庫到沿線11個水廠的管道沿線共設(shè)置147個普通排氣閥，平均間距為1 km。在每個水廠的進(jìn)水管道上安裝快關(guān)閥門，事故時11個水廠同時快速關(guān)閉閥門。

將上述邊界條件輸入計(jì)算模型，得出水錘包絡(luò)線如圖3所示。

由圖3可知，在未采取有效防護(hù)措施時，一旦發(fā)生停泵水錘，全線局部發(fā)生負(fù)壓，各個水廠的管線最高自由水頭均超過最高值(表3)，超過了CECS193：2005城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程中6.1.4 水錘防護(hù)措施設(shè)計(jì)應(yīng)保證輸水管道最大水錘壓力不超過1.3～1.5倍最大工作壓力的要求，存在爆管的風(fēng)險，顯然不符合安全要求。

圖3　未采取水錘防護(hù)措施時水庫到各水廠水錘壓力包絡(luò)線圖

(2)采取水錘防護(hù)措施后的工況

將管線沿線設(shè)置的147個普通排氣閥改成168個防水錘復(fù)合式排氣閥(真空破壞與排氣閥選擇DN200的普通止回閥改為可多階段關(guān)閉的液控緩雙動式排氣閥，空氣入流孔為200 mm，空微量排氣復(fù)合閥)，氣流出孔口為20 mm。另外將每條管道末端閉止回閥，分兩階段關(guān)閉，先快關(guān)，后慢關(guān)，共歷時300 s，其關(guān)閉規(guī)律描述如表4所示。

表4　關(guān)閥時間表

同時控制各個水廠的關(guān)閥時間，盡量避開同一時間關(guān)閥，各個水廠的關(guān)閥時間如表5所示。

表5　各水廠間隔關(guān)閥時間表

將上述邊界條件輸入計(jì)算模型，得出各個水廠的水錘包絡(luò)線如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)采取適當(dāng)?shù)乃N防護(hù)措施后，如果發(fā)生11個水廠同時關(guān)閥，管線最高自由水頭壓力值(表6)，滿足規(guī)范要求，且全管無負(fù)壓，方案基本可行，滿足規(guī)范要求。

圖4　采取水錘防護(hù)措施后水庫到水廠的水錘壓力包絡(luò)線

水廠水頭/m水廠水頭/m水廠水頭/m1#1602#1803#1624#1815#1796#1807#1828#1819#18110#16311#193

(3)水錘分析

當(dāng)重力輸水管道中各個水廠的閥門關(guān)閉時，閥門處會產(chǎn)生較大的水錘壓力。采用HAMMER V8模擬無優(yōu)化和優(yōu)化兩種情況下各個水廠閥門壓力的變化情況，如圖5所示。由圖5可知：①無論是管道末端同時快速關(guān)閥還是優(yōu)化關(guān)閥過程的關(guān)閥方式，閥門處的壓力均有升有降，基本是先升高后降低，壓力波動反復(fù)發(fā)生，但升降幅度隨著時間的增加而越來越?。粌?yōu)化關(guān)閥后在閥門處產(chǎn)生的最大壓力均小于未優(yōu)化的情況；②在未進(jìn)行優(yōu)化的情況下，各個水廠的閥門處均產(chǎn)生了負(fù)壓，這與前文中壓力包絡(luò)線的結(jié)果一致；③未優(yōu)化的關(guān)閥方式下產(chǎn)生的水錘壓力升降幅度大，并且在整個6 000 s的計(jì)算歷時內(nèi)均產(chǎn)生波動。而在采用優(yōu)化方式關(guān)閥時可以發(fā)現(xiàn)，在前3 000 s內(nèi)水錘壓力的升降波動情況并不大，呈現(xiàn)一個整體上升的趨勢，這主要是因?yàn)椋谇? 000 s內(nèi)的整個管道系統(tǒng)中，總有閥門未完全關(guān)閉，導(dǎo)致整個管道系統(tǒng)中未產(chǎn)生較大的水錘壓力升降。但是按照各水廠錯開關(guān)閥的要求可以發(fā)現(xiàn)，在各個水廠各自閥門關(guān)閉時，還是在閥門處產(chǎn)生了較小的水錘壓力波動。

圖5　閥門處各個水廠壓力變化圖

在3 000 s最后一個關(guān)閥的水廠完成關(guān)閥后，形成了整個關(guān)閥過程中最大的一個水錘壓力的變化。因此，可以得出結(jié)論：①采用緩閉關(guān)閥方式與各個水廠錯開時間關(guān)閥方式的結(jié)合可以減小水錘壓力變化，減小對閥門以及管道的壓力；②在所有閥門未完全關(guān)閉前不會產(chǎn)生較大的水錘壓力變化，但是水錘壓力會呈現(xiàn)不斷升高的趨勢，只有在最后一個閥門關(guān)閉時才會產(chǎn)生最大的水錘壓力變化，水錘最大的壓力變化推遲到了最后一個閥門關(guān)閉時，因此，也可以看出，如果總有一個閥門不關(guān)閉，這在管路系統(tǒng)中，均不會產(chǎn)生太大的水錘壓力；③多支線多水廠關(guān)閥過程中水錘壓力的變化是相互影響的，同時也具有統(tǒng)一性。

3　水錘防護(hù)措施及建議

(1)對于長距離大落差的重力流管道，管道末端控制閥不同的關(guān)閥時間和方式會對水錘防護(hù)有不一樣的效果，以往通常采用緩閉關(guān)閥方法。

(2)對于多支線重力壓力輸水管路，當(dāng)管路無任何水錘防護(hù)措施情況下，同時關(guān)閉主干線及各支線末端水廠調(diào)流閥的數(shù)量越多，管路的最大壓力和水錘正壓越大。所有水廠發(fā)生事故同時關(guān)閥，沿線管路產(chǎn)生的壓力最大。因此，當(dāng)所有水廠必須關(guān)閥時，建議錯開時間關(guān)閥。

(3)對于線路長、沿線起伏變化大的重力流輸水管路，每間隔0.5～1 km安裝一個具有進(jìn)/排氣功能的空氣閥，可滿足管路產(chǎn)生負(fù)壓、首次充水及放空的進(jìn)氣和排氣，在駝峰和向上凸起的拐點(diǎn)處適量增設(shè)空氣閥，防止管路中產(chǎn)生水柱分離[3]。超壓泄壓閥通常安裝在管路末端高程較低點(diǎn)或者管路中部某些壓力較大處，其公稱直徑按管道直徑的1/5～1/4選取，界限壓力應(yīng)等于或大于最大正常使用壓力加0.15～0.2 MPa[4]。對于本文的輸水工程，通過在管路中設(shè)置空氣閥，在水錘壓力較高處安裝超壓泄壓閥，可以降低管路沿線最大壓力，使主干線末端的水錘升壓得到大幅度控制，避免水錘壓力過高而發(fā)生異常事故，保證管路的安全運(yùn)行。

[1]趙小利，高雙強(qiáng)，吳釗，等.長距離重力流壓力輸水工程水錘防護(hù)設(shè)計(jì)探討[J].水利與建筑工程學(xué)報，2012,10(3):88-91.

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