小壩子水庫引水工程原水管道水錘壓力分析

李軍

摘要：長距離重力引水管道、支線多、落差大，當(dāng)突然關(guān)閉管道中的閘、閥時(shí)會(huì)產(chǎn)生破壞性較大的水錘壓力，因此，分析水錘特性并采取合理的水錘防護(hù)措施，對(duì)于保證引水工程的可靠性和降低管路工程造價(jià)具有重要意義。依據(jù)計(jì)算結(jié)果，采用空氣閥、減壓池等水錘防護(hù)措施，可有效減小管路末端關(guān)閥水錘壓力。

關(guān)鍵詞：重力流;長距離引水管道;水錘壓力;關(guān)閥水錘;水錘防護(hù)措施

1 工程概況

小壩子水庫引水工程位于普洱市瀾滄縣謙六鄉(xiāng)，水源點(diǎn)為小壩子水庫，水庫總庫容1601.9萬m3，為三等中型工程。

本工程是將小壩子水庫調(diào)節(jié)水量引至謙六鄉(xiāng)缺水嚴(yán)重的謙糯村、新城村、和平村、平掌村、小佛房村、臘撒村，供給1個(gè)集鎮(zhèn)5個(gè)村民委員會(huì)部份農(nóng)村居民生活、牲畜飲用水，到設(shè)計(jì)水平年2030年，供水總?cè)丝?8172人，大牲畜9599頭，中牲畜23625頭，年平均供水量為201.81萬m3。

小壩子水庫引水工程原水管道全長77.8Km，由主干管、臘撒干管、平掌干管、平掌左右連接管、移民點(diǎn)連接管組成，開挖埋設(shè)管道采用K9級(jí)球墨鑄鐵管，局部明敷架空、穿越河道及公路段采用鋼管。其中主干管全長32.75km，設(shè)計(jì)流量為96.25 L/s～33.72L/s，兩條干管合計(jì)長45.05km，設(shè)計(jì)流量為38.27L/s～8.26L/s。

2 控制方程及求解方法

水錘基本微分方程組包括運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)性方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

（1）

連續(xù)方程：

（2）

式中，H：管路中某點(diǎn)的測壓管水頭（m）;D：管路的直徑（m）;f：管路摩阻系數(shù);V：管內(nèi)流速（m/s）;α：管路與水平面間夾角（度）;a：水錘波傳播速度（m/s）。對(duì)長距離供水管道，采用牛頓-拉普森算法求解恒定流動(dòng);采用特征線法將方程（1）和（2）兩個(gè)偏微分方程變換為全微分方程，用差分方法求解水流流動(dòng)任一瞬時(shí)各斷面上的水力參數(shù)。將恒定流的計(jì)算結(jié)果作為瞬態(tài)流動(dòng)水力計(jì)算的初始狀態(tài)，對(duì)瞬態(tài)流動(dòng)中的水錘壓力進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。

3.2 計(jì)算工況

對(duì)該引水工程調(diào)流閥關(guān)閉引起的管路水錘現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算的工況為：管路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況、無防護(hù)措施工況、設(shè)置水錘防護(hù)措施工況。

3.2.1 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況

管路正常運(yùn)行時(shí)，主干管、干管均達(dá)到管路設(shè)計(jì)流量。輸水管路最大壓力3.0MPa，位于主干管24+250處，該段位于錐栗河倒虹吸，管中心高程較低。主干管最小壓力0.10MPa，在管路進(jìn)口0+610處。末端水池調(diào)流閥斷面壓力為0.15 MPa。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行各管路最大壓力及位置見表2。

計(jì)算結(jié)果表明，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，主干線沿程壓力先增大后減小。進(jìn)口1Km和末端1Km為沿程最小壓力段，斷面壓力均小于0.5MPa。1+000～14+400段由于主干管向各干管、連接管分流，沿線壓力低于0.77MPa。在樁號(hào)24+000～24+400區(qū)域內(nèi)達(dá)到最大，最大壓力普遍超過2.5MPa。各支線的穩(wěn)態(tài)壓力也從支線進(jìn)口向水池方向逐漸減小。由此可見，管路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的壓力并不大（DN400～10的K9級(jí)球墨鑄鐵管工作壓力為：4.0MPa～6.0MPa）。

3.2.2 無防護(hù)措施工況

水池及管道須盡快關(guān)閥，而關(guān)閥太快則會(huì)引起較大的水錘壓力，參考已建工程實(shí)例，以不同組合方式同時(shí)關(guān)閉管道調(diào)流閥，進(jìn)行無防護(hù)措施工況的關(guān)閥水錘模擬，計(jì)算結(jié)果見表3。

由表3可知，4種閥門組合關(guān)閉方式下，管路全線無負(fù)壓，最小壓力均為0.11MPa。發(fā)生事故關(guān)閥時(shí)，調(diào)流閥同時(shí)關(guān)閉越多，沿程壓力越大。平掌干管調(diào)流閥關(guān)閥、平掌干管左連接管調(diào)流閥同時(shí)關(guān)閥，平掌干管、左右連接管調(diào)流閥同時(shí)關(guān)閥，平掌干管、左右連接管、臘撒干管調(diào)流閥同時(shí)關(guān)閥，4種關(guān)閥組合下的沿程最大壓力大于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的最大壓力，且都發(fā)生在主干管24+150的錐栗河倒虹吸處。4個(gè)調(diào)流閥同時(shí)關(guān)閥，沿程最大壓力發(fā)生在主干線末端30+770穿越沙河倒虹吸處，達(dá)到6.5MPa。所有調(diào)流閥同時(shí)關(guān)閥的最大水錘壓力為5.7MPa，發(fā)生在主干線末端32+600附近，其余4種關(guān)閥方式下最大水錘壓力發(fā)生在主干線中部17+300附近。支線管道事故關(guān)閥，水錘波從支線向主干線正、反方向傳播，水錘波升壓相互疊加，主干線水錘正壓較小。主干線末端移民點(diǎn)水池關(guān)閥，水錘波只能沿主干線反向傳播，因此，包含主干線末端閥門在內(nèi)的組合關(guān)閥方式，產(chǎn)生的水錘壓力值均較大，而4個(gè)閥門同時(shí)關(guān)閉調(diào)流閥為最不利工況。

表4為無防護(hù)措施4個(gè)調(diào)流閥同時(shí)關(guān)閥時(shí)的特征壓力。各支線調(diào)流閥斷面的最大壓力和最大水錘壓力沿主干管方向逐漸增大，位于平掌左連接管、臘撒干管末端及主干線末端的調(diào)流閥，其斷面的水錘壓力均達(dá)到2.75MPa以上。

對(duì)具有距離長、大落差、多支線特點(diǎn)的重力供水工程，當(dāng)主干線及各支線末端閥同時(shí)關(guān)閉，主管沿線壓力從進(jìn)口處向末端逐漸升高，末端升幅最大，主干線末端的閥門附近易產(chǎn)生沿程最大壓力。各支線進(jìn)口與其對(duì)應(yīng)的末端配水點(diǎn)高差極小，每條支線管路各斷面的最大壓力幾乎相同，均接近支線與主干線連接處的最大壓力。

3.2.3 設(shè)置防護(hù)措施工況

根據(jù)空氣閥設(shè)置原則，每隔1.0Km左右安裝一個(gè)，兼有進(jìn)/排氣功能的空氣閥，滿足管路放空時(shí)的進(jìn)氣、初次充水的排氣需求。適當(dāng)在駝峰、向上凸起的拐點(diǎn)處增設(shè)空氣閥，防止管路中產(chǎn)生水柱分離。本工程沿線共布置排氣閥119個(gè)。

在滿足管道重力供水的前提下，水源和水池高差較大時(shí)，為避免影響水池設(shè)施正常工作，將在管道沿線設(shè)置減壓池，在滿足整個(gè)官網(wǎng)重力供水前提下，根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》SL687—2014規(guī)定，100m高差設(shè)置一減壓池，工程共布置6個(gè)減壓池;經(jīng)計(jì)算，減壓池容積統(tǒng)一為30m3。

當(dāng)管路設(shè)置防護(hù)措施，4個(gè)調(diào)流閥同時(shí)關(guān)閥的前提下，調(diào)流閥斷面的特征壓力見表5。與沿線無防護(hù)措施相比，主干線末端調(diào)流閥斷面的最大壓力減小了約3.0MPa。調(diào)流閥所在斷面的最大水錘壓力值均未超過球墨鑄鐵管允許工作壓力。

4.結(jié)論

（1）對(duì)于多支線重力流輸水管路，當(dāng)管路無任何水錘防護(hù)措施情況下，同時(shí)關(guān)閉主干線及各支線末端調(diào)流閥的數(shù)量越多，管路的最大壓力和水錘正壓越大。當(dāng)發(fā)生事故同時(shí)關(guān)閥，沿線管路產(chǎn)生的壓力最大。因此，當(dāng)所有調(diào)流閥必須關(guān)閥時(shí)，建議錯(cuò)開時(shí)間關(guān)閥。

（2）對(duì)于線路長、沿線起伏變化大的重力流輸水管路，每間隔1.0Km左右安裝一個(gè)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）對(duì)于本文的供水工程，通過在管路中設(shè)置空氣閥，在水錘壓力較高處設(shè)置減壓池，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)生事故，保證工程安全運(yùn)行。

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作者簡介：李 軍（1980～），男，工程師，主要從事水工建筑物設(shè)計(jì)。