供水工程中管道安全防護探討

郭曉宇，范志宏，延耀興

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)文理學(xué)院，山西 太谷 030801；3.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024)

近些年來，對于長距離有壓管道輸水中瞬變流的問題研究成為國內(nèi)外研究學(xué)者研究的焦點。在有壓管道輸水系統(tǒng)中，系統(tǒng)的壓力是輸送水流的重要能量條件，但是在某些情況下，輸水管道系統(tǒng)由于所行進地形地貌條件限制，在有些管道系統(tǒng)中，系統(tǒng)的壓頭往往超過輸送水流所需消耗的能量，這部分多余的能量如果不加以消除，將會對整個輸水系統(tǒng)帶來危害。在此類有壓管道輸水系統(tǒng)研究中，涉及許多水動力學(xué)、渦流力學(xué)、工程熱物理學(xué)等學(xué)科的理論問題研究和實踐探討。本文以管道防護中水擊問題、在線孔板消能問題、螺旋流問題的研究展開敘述。

1 水擊問題研究

水擊是由于有壓管道在輸水過程中，由于水流流速的急劇變化所導(dǎo)致的壓強大幅波動現(xiàn)象。水擊的發(fā)生對有壓管道輸水系統(tǒng)的破壞作用是十分巨大的，因此研究水擊發(fā)生過程、加強水擊防護具有十分重要的意義。

目前對水擊問題的研究可分為兩個方面。一是水擊基本理論研究；二是水擊防護的研究以及水擊在實際工程中的應(yīng)用研究。

在水擊研究的初始階段中，歐洲學(xué)者對水擊問題的研究成果是最為突出的，法國工程師Menabreas[1]最早研究并觀察記錄了水擊現(xiàn)象，并與1858年首次用能量分析的方法解釋了水擊理論。Joukovsky[2](1904年)通過大量實驗研究及理論推導(dǎo)，第一次提出可用于直接計算的水擊壓強計算公式，此公式的提出使得水擊理論研究可以和實際結(jié)合，后來此公式成為水擊壓強計算的經(jīng)典公式。Allievi[3](1944年)全面系統(tǒng)的研究了水擊理論及計算方法，且在1913年推導(dǎo)得到了水擊的連鎖方程組式，并提出了至今我們?nèi)栽谶\用的水擊圖解曲線，使得水擊的理論研究更向前邁進了一步。Gibson[4]等(1919年)對水電站引水管道系統(tǒng)中閥門緩慢關(guān)閉對水擊產(chǎn)生進行了研究，并于1923年首次提出可用于封閉管道水擊測速的方法，即吉逋遜法。A.Lai[5]等對有壓輸水管網(wǎng)系統(tǒng)中水柱分離所產(chǎn)生的不可壓縮氣體水擊現(xiàn)象進行了實驗研究，伴隨著水擊理論研究的不斷深入，研究學(xué)者對不可壓縮氣體的有壓封閉管道水擊波速度測定，并把水擊問題的研究范圍向石油輸送、電站供水等管網(wǎng)系統(tǒng)運行領(lǐng)域擴展。

隨著水擊研究理論的不斷深入，研究學(xué)者對水擊問題的研究開始和具體的工程實際相結(jié)合，即有水擊理論規(guī)律研究轉(zhuǎn)向?qū)こ虒嶋H的瞬變特性分析及危害控制與防護研究。國內(nèi)外的研究者對防止水擊發(fā)生消除水擊危害進行了大量的試驗研究，包括水擊產(chǎn)生的共振控制和消除，閥門啟閉過程中的最優(yōu)化非線性關(guān)閉規(guī)律，電站供水系統(tǒng)中水力過程分析等。尤其是在有壓引水管道系統(tǒng)中的非恒定流問題研究方面成果頗豐。

Gray(1953年)研究探討了水擊波消散規(guī)律。Cabelka(1959年)研究了有壓管道系統(tǒng)中閥門不同啟閉方式對水擊的影響。Streeter(1963年)首次提出采用分段控制關(guān)閉閥門的方法防止水擊危害的發(fā)生。Ruus(1966年)為控制水擊危害，對水輪機進水閥門的關(guān)閉速度進行優(yōu)化處理。

近十幾年來，我國學(xué)者對水擊問題研究也進行了大量試驗工作。劉竹溪、孫萬功等[6～10]對含氣水錘或有壓管道輸水系統(tǒng)水錘防護做了大量研究，認為合理確定水錘及含氣水錘防護研究非常重要。王學(xué)芳[11]等人通過對事故停泵時止回閥在重力作用下迅速關(guān)閉所造成的止回閥后空穴問題研究，針對空穴在水擊波正負作用下反復(fù)產(chǎn)生與潰滅造成止回閥破壞，設(shè)計了一種新型旋啟式水阻可控緩閉止回閥，該閥啟閉迅速且關(guān)閉閥門時水錘較小。為了改善含氣水錘壓力損失，水錘防護裝置在輸水管道系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。劉光臨[12]等人結(jié)合水利工程實際分析了長距離管道高磨阻系統(tǒng)，認為水擊作用易于形成氣泡空穴，選擇采用管道系統(tǒng)單向調(diào)壓塔對系統(tǒng)水錘防護進行分析研究，對多種運行工況下事故停泵所導(dǎo)致的水力過渡調(diào)整過程中調(diào)壓塔對管道系統(tǒng)水錘防護特性研究及水泵出口閥門啟閉程序?qū)ο到y(tǒng)壓力及水錘防護裝置——調(diào)壓塔的水位變化的影響，得出合理確定調(diào)壓塔的經(jīng)濟斷面法，提出對于高揚程、長管道、大流量的水泵系統(tǒng)中設(shè)置調(diào)壓塔，不僅可以有效控制事故停泵中系統(tǒng)的水力過渡所產(chǎn)生的水錘升降壓問題，而且可以防止管道系統(tǒng)中產(chǎn)生水柱分離也有有良好效果。蔣勁[13]提出水泵系統(tǒng)中閥門最優(yōu)關(guān)閉程序確定方法，分析了水泵出水口閥門的關(guān)閉特性，并提出了防止水錘的影響以及兩階段關(guān)閉閥門調(diào)節(jié)的水錘防護確定的最優(yōu)關(guān)閉閥門程序，但所提閥調(diào)節(jié)程序在實際應(yīng)用中受到一定條件限制。徐巧權(quán)[14]研究采用二階段緩閉止回閥來代替一階段微阻緩閉止回閥，對江西瑞安取水泵房管道系統(tǒng)調(diào)節(jié)，能夠較好地消除水錘。楊曉蕾等[15]結(jié)合密云水庫工程調(diào)水實踐，對長距離有壓輸水管道啟泵時水錘現(xiàn)象進行了模擬。楊遠東[16]結(jié)合工程實例，提出了在泵房和輸水管線設(shè)計過程中盡量避免出現(xiàn)駝峰降低管道系統(tǒng)水流流速、設(shè)置調(diào)壓塔、緩閉式止回閥以及其它水錘防護消除裝置減輕彌合水錘的影響。王連廣、孫江河等[17- 18]長距離輸水工程水力過渡過程及水錘防護進行研究，對水力特性參數(shù)進行了確定，超過特性參數(shù)必須采取防護措施。劉華[19]等對空氣壓力罐含氣水錘防護裝置進行了計算研究，研究表明設(shè)置空氣壓力罐的管道系統(tǒng)比不設(shè)置空氣壓力罐的系統(tǒng)最大壓力和最小壓力減低都十分明顯。劉梅清[20]通過高揚程、長管道及復(fù)雜地形的水泵系統(tǒng)進行研究，結(jié)果表明利用單向調(diào)壓塔水錘防護裝置進行水擊防護能有效地防止液柱分離現(xiàn)象的產(chǎn)生，并結(jié)合長距離有壓輸水管道系統(tǒng)實例，對其設(shè)置及取消空氣閥進行了分別研究。

楊曉東[21]等結(jié)合遠距離有壓輸水系統(tǒng)中進排氣閥多點布置的實際情況，結(jié)合當量管道法和調(diào)整波速法，運用計算自動分段方法，將其應(yīng)用于水錘計算過程中，通過建立進排氣閥數(shù)學(xué)模型，以確定合適的計算方法，計算研究結(jié)果表明，管道系統(tǒng)中設(shè)置進排氣閥可以較好地控制水擊產(chǎn)生時的水柱分離的現(xiàn)象，并對遠距離管道輸水系統(tǒng)中停泵水錘壓力防護提出了設(shè)置進排氣閥來進行防護，能有效控制輸水系統(tǒng)壓力的驟變。楊玉思[22]等提出管道水擊防護的重點是消除斷流彌合水錘，并結(jié)合供水工程實例進行水擊防護優(yōu)化。萬五一[23]等針對輸水管道工程中的駝峰氣阻和水擊問題，引入氣泡理論和流態(tài)分析方法，采用特征線法建立輸水管道中水擊模型。朱滿林[24]等針對有壓管道中空氣閥水錘防護進行數(shù)值模擬，并結(jié)合算例利用特征線法對有壓管道中的水錘防護效果進行數(shù)值計算。

總之，隨著有壓管道系統(tǒng)的大量應(yīng)用，研究學(xué)者對水擊的探討逐漸向工程實踐中水錘防護研究方面發(fā)展。

2 孔板消能問題研究

孔板消能裝置是利用有壓流動條件下，水流在流經(jīng)孔板時由于過流斷面的急劇變化，在孔板處產(chǎn)生加速水流，與孔板后慢速水體發(fā)生激烈的剪切作用，并在孔板消能室內(nèi)部發(fā)生強烈紊動流動，以此來消耗水流能量的一種新型消能工裝置。目前大型水利水電工程的導(dǎo)流洞、引水洞等改建成為泄洪洞所采用的消能方式多用豎井漩流式、突縮突擴式等多種形式的消能工，此類消能裝置兼具有孔板消能的特性，而孔板消能在在線式長距離輸水系統(tǒng)中的以旁路管道形式來預(yù)防水擊發(fā)生也有重要的研究意義。

早在20世紀50年代W.Ball，H.Rouse等人就對突擴式壓力消能裝置進行過試驗研究，國內(nèi)南京水科院也曾經(jīng)于1956年對兩個泄水洞壓力消能建筑物進行過試驗研究，但真正意義上采用孔板消能工進行系統(tǒng)消能研究還是在我國黃河小浪底工程。此后，國內(nèi)眾多科研院所和工程設(shè)計單位對孔板泄洪洞的尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)振動及水動力特性等問題進行了大量細致的研究。

目前，黃河小浪底水利樞紐泄洪洞是世界上首次大規(guī)模使用單孔多級設(shè)置孔板消能的工程應(yīng)用實例，整個泄洪洞工程把3條超大直徑的導(dǎo)流洞改建為永久性泄洪洞。通過孔板消能在黃河小浪底泄洪洞的設(shè)計和研究，對泄洪洞內(nèi)孔板室內(nèi)水流的流速、流態(tài)及壓力變化過程規(guī)律進行了大量試驗，對孔板消能裝置水頭損失系數(shù)及孔板消能室內(nèi)空化等問題進行了試驗研究，試驗結(jié)果表明，孔板消能工消能效率高、效果顯著，且消耗的能量大多轉(zhuǎn)化為熱能被水流帶走，因此大大降低了泄洪洞內(nèi)斷面水流的平均流速，從而減輕小浪底水利樞紐泄洪洞從高含沙水流——黃河引水對泄洪洞襯壁的磨損。小浪底導(dǎo)流洞成功改建為從高水頭、高流速、高含沙水流的泄洪建筑物的消能方式開辟一條新的途徑[25- 26]。

黃河小浪底水利樞紐中多級孔板消能裝置的成功應(yīng)用，使得國內(nèi)外眾多工程設(shè)計單位及科研院校對孔板消能工研究進一步深入，開辟了孔板消能技術(shù)的新紀元。清華大學(xué)、北京水科院、南京水利院、大連理工大學(xué)、太原理工大學(xué)等對不同形式管道系統(tǒng)孔板消能裝置的消能效率、空化特性、流速分布等方面進行了大量試驗研究，在多級孔板消能、射流消能、螺旋流消能與螺旋孔消能方面都取得了豐碩研究成果，并將成果運用于工程設(shè)計實踐，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。隨著孔板消能工研究的不斷深入，孔板消能的裝置必將對長距離有壓輸水系統(tǒng)中的過壓消能問題提供一種可行的解決途徑。

3 螺旋流消能問題研究

螺旋流是一種具有特定旋轉(zhuǎn)流場的流體流動形式，在日常生活和工業(yè)方面的應(yīng)用范圍十分常見，如龍卷風、渦管效應(yīng)、旋風分離、水流泥沙旋流器及管道中常見的螺旋流消能器等。螺旋流在流動過程中攜帶著較大的動能和渦量，因此一直得到眾多研究者的極大關(guān)注。螺旋流的這種特殊的能量如加以利用，一方面可以推動水流中其它物質(zhì)的運動，如螺旋流輸移泥沙、螺旋流管道水力輸送等；另一方面在螺旋流的產(chǎn)生和消亡過程中又能夠消耗大量的能量，可用于在線式管道消能防護研究。

螺旋流的起旋方式主要有以下幾種，在管道入口段安裝導(dǎo)葉柵、旋流軌道、導(dǎo)流片、水流切向噴射以及各種形式的特殊旋流起旋器等。對于螺旋流研究，國內(nèi)外研究學(xué)者已經(jīng)進行了大量研究工作，重點主要集中在影響螺旋流流動特性的影響因素上，如進流方式、工作介質(zhì)、管道條件等，以提高螺旋流的起旋裝置的能效和性能，其技術(shù)應(yīng)用已十分成熟。

Ben jamin(1962年)[28]在忽略流體粘性情況下證明了螺旋流中中亞、超臨界區(qū)的存在。Youssef(1966年)研究結(jié)果表明，旋流強度與衰減系數(shù)存在有一定函數(shù)關(guān)系，螺旋流的強度越強衰減系數(shù)越大，即螺旋流衰減的越快。Weske Sturove[29](1974年)研究發(fā)現(xiàn)隨著螺旋流向下游的推移，旋流的周向速度的峰值逐漸衰減并向軸線偏移，而軸向速度在不同強度旋流場中也大不相同，低速旋流場呈軸線處單峰型，高速旋流場呈軸線兩側(cè)雙峰型。Kitoh[30](1991年)的實驗研究結(jié)果表明，螺旋流的強度衰減特性在半對數(shù)圖上呈現(xiàn)為分段直線，且Si>0.1的斜率小于Si<0.1的斜率，在Si=0.1為折點處，表明衰減指數(shù)是分段指數(shù)。Chang Dhir[31](1994年)的實驗研究表明，在Si>0.1時，螺旋流的強度衰減特性在半對數(shù)圖上是一條0.7次冪的曲線，而并不完全呈現(xiàn)為直線。熊鰲魁和魏慶鼎[32](1999年)以水為介質(zhì)，利用激光測速儀對Horri提出的自生成螺旋流裝置螺旋流的時均速度分布研究，發(fā)現(xiàn)該情況下時均流動先是成不對稱雙渦結(jié)構(gòu)，然后過渡到單一渦結(jié)構(gòu)，進而形成螺旋流。

近十幾年來，國內(nèi)外不少研究學(xué)者針對高雷諾數(shù)下的螺旋流流場進行數(shù)值計算，建立了許多修正的紊流模型。宮崎薰[33]采用Chen′sD和Lilley′s 、Chang和uggins、Abujelala的標準k-ε模型及紊流模型進行比較研究，并采用二維軸對稱數(shù)值模型對自生成螺旋流裝置螺旋流流場進行數(shù)值模擬。孫西歡[34]等研制了圓管螺旋流的局部起旋器，通過大量實驗對局部起旋器在圓管螺旋流出口段的軸向流速與周向流速分布進行了研究，研究結(jié)論為，水流受水慣性與流勃性的作用，螺旋流軸速度分布則受周向旋轉(zhuǎn)水流作用影響，流速分布為類對數(shù)分布；而周向速度分布由部分斷面向全斷面漸變?yōu)榫€性分布。延耀興等[35～37]對孔板螺旋流消能裝置進行了試驗研究，利用多孔扭轉(zhuǎn)形成螺旋流場，結(jié)合孔口消能及螺旋流雙重特性，并進行了數(shù)值模擬。饒永超等[38]采用雷諾應(yīng)力湍流模型(RSM)對水平管內(nèi)由短螺旋扭帶起旋的螺旋流流動特性進行了數(shù)值模擬研究。

隨著管道螺旋流能耗方面的研究不斷深入，國內(nèi)外學(xué)者在有壓長距離輸水管道系統(tǒng)中螺旋流研究方面取得了大批研究成果，必將開辟管道系統(tǒng)螺旋流研究的新紀元。

4 結(jié)論

長距離有壓輸水工程中的管道安全防護方式很多，孔板消能已成為管道在線消能的一種主流消能方式，并在工程實踐中得到大量應(yīng)用。螺旋流對于能量消耗逐漸被大家所認識，但對于螺旋流消能研究仍然處于初步探索階段。水擊問題的研究已從水擊基礎(chǔ)理論探討逐漸向工程實踐中水錘防護、模擬計算等方面研究。本文通過分析管道水力瞬變流、管道消能及管道輸運能耗方面問題，對水錘防護、孔板消能、以及螺旋流研究進行總結(jié)研究。由于研究篇幅有限，本文重點研究探討了三種管道輸水防護設(shè)施，對其它管道防護有待做進一步研究，以期為管道水力瞬變流防護研究設(shè)計提供借鑒。