超長重力流輸水系統(tǒng)水錘防護(hù)的頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔方案研究

薛 松，張石磊，李進(jìn)平，李美玲，程永光

（1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072；2.內(nèi)蒙古引綽濟(jì)遼供水有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400）

0 引 言

興建調(diào)水工程是改善水資源時(shí)空分布不均問題的重要手段［1，2］。近年來我國調(diào)水工程建設(shè)明顯加快［3］，并朝著長距離、跨流域、大規(guī)模方向發(fā)展，這些工程的長期運(yùn)行安全備受關(guān)注。重力流有壓輸水是一種經(jīng)濟(jì)合理的輸水方式，其管道一般依地形敷設(shè)，中后部承壓較大，閥門關(guān)閉產(chǎn)生的水錘升壓容易超過管道承壓能力，破壞管道閥門和接口，甚至造成爆管事故［4］。

為控制輸水系統(tǒng)過渡過程中管道最大和最小壓強(qiáng)、保障供水安全，許多水錘防護(hù)措施被提出，如優(yōu)化閥門動(dòng)作規(guī)律、設(shè)置超壓泄壓閥、空氣罐、空氣閥、調(diào)壓室等。優(yōu)化閥門動(dòng)作規(guī)律［5-7］可以減小水錘壓強(qiáng)，但是很多情況下要求的關(guān)閉時(shí)間太長，不能滿足緊急切斷水流需求。超壓泄壓閥［4，8］可以有效限制管道壓強(qiáng)上升，但無法消除管道負(fù)壓，且存在動(dòng)作滯后甚至拒動(dòng)的可能?？諝夤蓿?，10］利用氣體可壓縮性緩解管道壓力波動(dòng)，常用于削減停泵過程的出水管水錘，在重力流輸水工程中應(yīng)用較少?？諝忾y［11-13］廣泛應(yīng)用于輸配水系統(tǒng)，可防止負(fù)壓產(chǎn)生和水柱分離，但通常不能作為主要水錘防護(hù)方案，要與其他措施組合使用。雙向調(diào)壓塔兼具注水和泄水穩(wěn)壓功能，簡單可靠、應(yīng)用廣泛，但塔高過高，建設(shè)困難、造價(jià)昂貴。箱式調(diào)壓塔［14，15］采用上下不等面積活塞增壓原理明顯降低塔高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合大管徑系統(tǒng)。單向調(diào)壓塔［16，17］僅能單向注水，防止負(fù)壓產(chǎn)生和水柱分離，多用于防護(hù)停泵水錘。

上述水錘防護(hù)措施各有針對的問題和適用條件，通常需要聯(lián)合使用才能取得良好效果。對于超長重力流輸水系統(tǒng)來說，需要考慮管道某處爆管不會影響全線，也需要考慮系統(tǒng)中后部工作壓強(qiáng)不要過高，因此要提出新防護(hù)方案，確保系統(tǒng)造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性、正常運(yùn)行的穩(wěn)定性、過渡過程的安全性。針對超長重力流輸水系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種采用頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔的多塔聯(lián)合水錘防護(hù)方案，并結(jié)合某輸水工程采用特征線法計(jì)算分析其水錘防護(hù)效果，以期為類似工程提供參考。

1 超長重力流輸水系統(tǒng)的特點(diǎn)

超長重力流輸水工程管道長度達(dá)上百公里，跨越地域廣，管線布置條件復(fù)雜多變，具有以下特點(diǎn)：

（1）輸水管線依照地形起伏布置，首尾高差大。

（2）管道首尾水頭差主要消耗于沿程水頭損失，靜壓水頭及最大水頭遠(yuǎn)大于工作水頭，中后部的最大壓強(qiáng)通常較大。

（3）主線上通常連接多條支線，支線閥門動(dòng)作產(chǎn)生的水錘會傳播到主線。

（4）管道某處發(fā)生爆管等事故時(shí)，影響會在全系統(tǒng)傳播并可能導(dǎo)致全系統(tǒng)停運(yùn)。

基于以上特點(diǎn)，這種重力流輸水系統(tǒng)要考慮管道末端閥門關(guān)閉產(chǎn)生的關(guān)閥水錘，除了防止過大壓強(qiáng)外，還要防止局部負(fù)壓和斷流彌合水錘［18］，更要防止局部爆管對全系統(tǒng)的影響。為了削減管線最大壓強(qiáng)，也為了減小水錘影響范圍和控制事故蔓延范圍，保證系統(tǒng)長期安全運(yùn)行，應(yīng)在主線上設(shè)置多個(gè)調(diào)壓設(shè)施，將系統(tǒng)分隔為數(shù)段。

2 頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔方案及其設(shè)計(jì)原則

2.1 方案布置

當(dāng)系統(tǒng)中部有合適的地形地勢時(shí)，用中間水池來分隔系統(tǒng)是最好的選擇，若無此條件，可采用調(diào)壓室來分隔系統(tǒng)。調(diào)壓室有常規(guī)阻抗式調(diào)壓室、溢流式調(diào)壓室、氣墊式調(diào)壓室等供選擇。本文提出了一種采用頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔的多塔聯(lián)合防護(hù)方案，布置示意見圖1。方案主線采用首端流量控制、末端水位控制方式，調(diào)壓塔通過底部不聯(lián)通而頂部聯(lián)通的過流方式將長系統(tǒng)分離成多個(gè)短系統(tǒng)，在物理上將管道分成數(shù)段，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的分隔，同時(shí)也改變了水力條件。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的水力坡降線呈階梯狀，各段管道的水頭由該段尾部調(diào)壓塔的下溢堰高程控制（即各段管道的水力坡降線由下游往上游推算），而流量由該段首端閥門或其前段來流控制（即流量不受下游水位影響）。

圖1 多調(diào)壓塔防護(hù)方案布置示意圖Fig.1 Layout of multiple surge towers scheme for water hammer protection

方案的前提是主線末端有水庫，過渡過程中尾部調(diào)壓塔的外溢水流進(jìn)入水庫而不浪費(fèi)水量；要點(diǎn)是系統(tǒng)尾部調(diào)壓塔的溢流堰高程控制全線水力坡降線；中部調(diào)壓塔下溢堰高程按系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)有足夠輸水能力確定，外溢堰高程按過渡過程中不外溢或少量外溢確定。

2.2 頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔

頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔主要由進(jìn)流豎管、出流豎管、連接橫管（或下溢堰）、頂部溢流堰（外溢堰）等組成，上游管道連接進(jìn)流豎管，下游管道連接出流豎管，二者由連接橫管聯(lián)通，頂部溢流堰連接溢流設(shè)施，整體結(jié)構(gòu)和過流狀態(tài)見圖2。

圖2 頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔結(jié)構(gòu)和過流示意圖Fig.2 Structure and waterflow schematic of top-connected overflow surge tower

系統(tǒng)停水時(shí)進(jìn)流豎管和出流豎管均可以保證一定水位，使調(diào)壓塔上下游管道呈有壓狀態(tài)，便于系統(tǒng)快速轉(zhuǎn)向輸水工況。正常輸水運(yùn)行時(shí)，上游管道來水在進(jìn)流豎管上升后經(jīng)連接橫管下溢至出流豎管，跌水削減富余水頭后進(jìn)入下游管道，實(shí)現(xiàn)對管道分段減壓。在系統(tǒng)關(guān)閉等過渡過程中，支線閥門關(guān)閉產(chǎn)生的升壓水錘傳入主線并在主線傳播，被調(diào)壓塔分隔反射；由于流量改變導(dǎo)致調(diào)壓塔過流豎管水位上升；當(dāng)水位上升至外溢堰高程時(shí)發(fā)生外溢，從而控制系統(tǒng)的最大壓強(qiáng)。

當(dāng)輸水系統(tǒng)某處發(fā)生爆管時(shí)，爆管處壓強(qiáng)迅速減小，降壓水錘波向系統(tǒng)其他部位傳播并引起沿線壓強(qiáng)降低；當(dāng)降壓水錘到達(dá)調(diào)壓塔后，出流豎管水位下降，從而隔斷水錘波的傳播路徑，限制爆管處流量的增大；在爆管段上游的管段不受影響，可繼續(xù)運(yùn)行；在爆管段下游的管段，則緩慢退水并關(guān)停。

2.3 方案設(shè)計(jì)原則

實(shí)現(xiàn)上述功能的關(guān)鍵在于合理確定輸水系統(tǒng)各調(diào)壓塔的位置和參數(shù)，方案設(shè)計(jì)原則如下：

（1）主線末端須有能夠接納大量外溢水的水庫（或調(diào)蓄池），尾部調(diào)壓塔緊鄰水庫設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)外溢水量注入其中；中部調(diào)壓塔設(shè)置若干，將輸水系統(tǒng)分隔成數(shù)段，各塔位置根據(jù)地形地勢和管線水力坡降，綜合考慮水錘防護(hù)效果、排泄溢水方便性、工程經(jīng)濟(jì)性等因素確定。

（2）調(diào)壓塔下溢堰高程應(yīng)滿足塔前支線引流水頭要求，且保證足夠過流能力以滿足塔后引水流量；外溢堰高程應(yīng)確保在任何穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下不溢流。

（3）進(jìn)出流豎管和溢流設(shè)施應(yīng)分別保證調(diào)壓塔具備足夠過流能力和溢流能力。

調(diào)壓塔主要高程確定很關(guān)鍵，可根據(jù)如下過程進(jìn)行：

（1）首先給定主線尾部調(diào)壓塔的下溢堰高程和外溢堰高程。

（2）從下游往上游推算系統(tǒng)可能最小糙率下通過設(shè)計(jì)流量、主線尾部調(diào)壓塔下溢時(shí)的水力坡降線，中部各塔所在位置的測壓管水頭即為其下溢水面高程；若某支線不能正常引用流量，則提高該支線分水口下游調(diào)壓塔的下溢水面高程直至滿足支線水頭要求；最后檢驗(yàn)各塔過流能力。

（3）從下游往上游推算系統(tǒng)可能最大糙率下各支線關(guān)閉、流量全部由主線尾部調(diào)壓塔外溢時(shí)的水力坡降線，根據(jù)中部各塔所在位置的測壓管水頭確定各塔外溢堰高程。

重復(fù)上述3個(gè)步驟多次，最終確定合理的調(diào)壓塔參數(shù)。

2.4 方案的優(yōu)缺點(diǎn)

頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔方案具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）大幅降低管線中后部最大壓強(qiáng)，降低管道承壓標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)約管道投資。

（2）削減主線和支線閥門動(dòng)作的水錘壓強(qiáng)波動(dòng)。

（3）隔斷系統(tǒng)，既可隔斷水錘傳播也可隔斷流量，控制爆管事故影響范圍。

同時(shí)也存在缺點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)運(yùn)行操作變復(fù)雜，要求主線和支線所有閥門統(tǒng)一調(diào)度。

（2）過渡過程中中部各塔有一定水量外溢，要求設(shè)計(jì)外溢水排蓄設(shè)施。若要求不外溢，則要增加塔高。

（3）小流量工況下調(diào)壓塔內(nèi)有跌水，跌水?dāng)_動(dòng)有使水流摻氣風(fēng)險(xiǎn)，要求出流豎管內(nèi)有足夠淹沒深度。

（4）在工況轉(zhuǎn)換過程中，上游來流與支線引流不平衡時(shí)尾部調(diào)壓塔有水量溢向下游水庫，要求下游水庫有承接這部分水的許可。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況及原方案

某超長重力流有壓輸水系統(tǒng)總長206.81 km，前100.52 km為DN2800 雙管，后106.29 km 為DN3200 單管。進(jìn)口水池設(shè)計(jì)水位283.91 m，設(shè)計(jì)輸水流量14.62 m3/s，沿線設(shè)8 個(gè)分水口，分水流量共14.62 m3/s。主線末端有一水庫但不分水。原方案在樁號141+903 地勢較高處（雙管段）設(shè)置2 個(gè)底部聯(lián)通雙向調(diào)壓塔（稱為1號調(diào)壓塔），過渡過程中不溢流。

在此超長重力流輸水系統(tǒng)中，各支線末端閥門同時(shí)關(guān)閉是最不利工況，主線及支線最大/最小水錘壓強(qiáng)都應(yīng)符合相應(yīng)壓強(qiáng)控制標(biāo)準(zhǔn)，即管道承壓上限小于1.5倍靜壓［19］，管道頂部有大于2.0 m的壓力水頭［20］。

針對進(jìn)口水池水位最高、管道糙率最小、各支線引用設(shè)計(jì)流量、所有支線閥門同時(shí)開始線性關(guān)閉的工況，基于水錘基本方程［6］，采用特征線法計(jì)算得到原方案的最大/最小水頭包絡(luò)線（圖3）和最大壓強(qiáng)值（表2第5 行）。原方案是全封閉的末端流量控制的重力流輸水系統(tǒng)，在停運(yùn)時(shí)管道承受較大靜壓（表2第1行），在輸送設(shè)計(jì)流量時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行水頭線比停運(yùn)時(shí)的靜水頭線低很多，尤其是主線的中后部和相連支線。支線末端閥門同時(shí)線性關(guān)閉會在全系統(tǒng)產(chǎn)生明顯水錘，主線最大壓強(qiáng)出現(xiàn)在中部地勢低點(diǎn)，達(dá)121.72 m；主線末端最大壓強(qiáng)達(dá)105.30 m，是系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)該處靜水壓強(qiáng)76.64 m 的1.37倍；1號調(diào)壓塔水位波動(dòng)明顯，最高水位達(dá)288.80 m。

圖3 原方案各支線閥門同時(shí)關(guān)閉工況的最大/最小水頭包絡(luò)線Fig.3 Maximum/minimum head envelope curves of all branch valves close simultaneously in the original scheme

原方案主線的中后部和相連支線在關(guān)閥工況的最大壓強(qiáng)大，要求的管道承壓等級高、投資大。而且該系統(tǒng)是封閉的，若發(fā)生爆管等事故，將在全系統(tǒng)中蔓延，并導(dǎo)致全線停運(yùn)。因此，必須采取新的水錘防護(hù)方案，既保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，又控制極端事故影響范圍。

3.2 現(xiàn)方案確定過程

如果在管線中后部增加底部聯(lián)通的溢流式調(diào)壓塔以防護(hù)關(guān)閥水錘，則塔高達(dá)80 m，工程造價(jià)高且不能減小爆管事故蔓延范圍。而帶中間隔墻（保水堰）的水池多用于低壓輸水系統(tǒng)，與之相比，頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔構(gòu)造相對簡單，適用于較高壓力下的輸水系統(tǒng)。因此，現(xiàn)方案水錘防護(hù)采用頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔方案。

根據(jù)前述方案設(shè)計(jì)原則，明確主線末端臨近水庫，滿足設(shè)塔條件。綜合考慮后在中部兩個(gè)位置設(shè)塔。1號調(diào)壓塔位置不變；2 號調(diào)壓塔位于系統(tǒng)中后部；3 號調(diào)壓塔位于分水口8，即主線末端，出流豎管接支線8，溢流接主線末端水庫?，F(xiàn)方案在首端進(jìn)行流量控制，各調(diào)壓塔下溢堰、主線分水口3 處調(diào)流調(diào)壓閥、各支線閥門聯(lián)合控制系統(tǒng)水力坡降線。

各塔高程的確定按照前述分析步驟，首先給定尾部調(diào)壓塔下溢堰和外溢堰高程。然后推算系統(tǒng)可能最小糙率下通過設(shè)計(jì)流量、主線尾部調(diào)壓塔下溢時(shí)的水力坡降線（圖4粉色線），以此確定中部各塔下溢堰高程；發(fā)現(xiàn)支線1 不能引流且主線部分管段為明流或負(fù)壓狀態(tài)，因此提高中部調(diào)壓塔下溢堰高程直至滿足支線水頭和管道最小壓強(qiáng)要求（即圖4中粉色線上升為藍(lán)色線）。最后推算系統(tǒng)可能最大糙率下各支線關(guān)閉、流量全部由主線尾部調(diào)壓塔外溢時(shí)的水力坡降線（圖4綠色線），以此確定中部各塔外溢堰高程。經(jīng)重復(fù)上述步驟后確定在主線上設(shè)置3 個(gè)頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔的現(xiàn)方案，調(diào)壓塔基本參數(shù)見表1。

圖4 頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔關(guān)鍵高程的確定過程Fig.4 Determination process of key elevation of top-connected overflow surge tower

表1 現(xiàn)方案調(diào)壓塔基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of surge tower in the current scheme

3.3 現(xiàn)方案水錘防護(hù)效果

各支線引用設(shè)計(jì)流量下，支線閥門同時(shí)開始線性關(guān)閉工況的最大/最小壓強(qiáng)見表2第6 行，主線最大水頭包絡(luò)線見圖5。在此工程實(shí)例中，該控制性工況下最大水頭包絡(luò)線僅比穩(wěn)態(tài)運(yùn)行水頭線略高，最大水錘壓強(qiáng)為84.49 m 且出現(xiàn)在管道中部，僅為該處穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓強(qiáng)68.07 m 的1.24 倍；而主線末端的最大壓強(qiáng)被3 號調(diào)壓塔溢流所限制，僅有10.04 m，比原方案大幅減小90.4%?，F(xiàn)方案關(guān)閥工況各管段最大壓強(qiáng)均比原方案低，尤其在主線中后部支線6，降幅可達(dá)77.1%，顯著降低管道承壓標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 現(xiàn)方案各支線閥門同時(shí)開始關(guān)閉工況最大水頭包絡(luò)線Fig.5 Maximum head envelope curves of all branch valves close simultaneously in the current scheme

表2 原方案和現(xiàn)方案的管段最大壓強(qiáng)水頭 mTab.2 Maximum pressure head of pipe in the original and the current scheme

支線閥門快速關(guān)閉而主線水頭沒有明顯壓力波動(dòng)的原因是主線的流動(dòng)狀態(tài)沒有發(fā)生大的改變，只是在支線引用流量和3號調(diào)壓塔溢流之間轉(zhuǎn)換。支線全部快速關(guān)閉時(shí)主線流量改道3 號調(diào)壓塔順暢溢流至下游水庫，而在支線開啟時(shí)經(jīng)3 號調(diào)壓塔溢流的流量變道流向各支線。在各支線流量調(diào)節(jié)的過渡過程中3 號調(diào)壓塔有水量外溢至下水庫，但在正常運(yùn)行時(shí)不溢流。

3.4 方案對比分析

原方案輸水系統(tǒng)是封閉的，而現(xiàn)方案利用頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔的下溢和外溢功能，將系統(tǒng)變?yōu)橛凶杂伤娴拈_放系統(tǒng)。與原方案相比，現(xiàn)方案是可行且優(yōu)越的：

（1）現(xiàn)方案輸水系統(tǒng)中后部靜水壓強(qiáng)大幅降低，支線4～8降幅均在40%以上，可有效節(jié)省管道投資；同時(shí)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓強(qiáng)也比原方案低。

（2）現(xiàn)方案的沿線最大水錘壓強(qiáng)比原方案明顯降低。調(diào)壓塔的頂部聯(lián)通方式起分隔系統(tǒng)作用，阻斷了水錘波的傳播。

（3）現(xiàn)方案能將爆管事故影響范圍控制在小范圍內(nèi)。頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔將系統(tǒng)分隔為數(shù)段，在發(fā)生爆管等事故時(shí)可保證爆點(diǎn)上游非事故段的正常運(yùn)行，減小事故的影響范圍。

現(xiàn)方案系統(tǒng)的關(guān)閉要依靠首端的閥門（或閘門）來控制，系統(tǒng)中部分水口3 處的主線閥門主要起調(diào)節(jié)上游水力坡降線作用。2 號調(diào)壓塔至3 號調(diào)壓塔之間不允許有閥門切斷水流，否則會導(dǎo)致2 號調(diào)壓塔大量溢流。為了保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，要求主線和支線閥門統(tǒng)一調(diào)度；為了減小過渡過程外溢流量，要求閥門調(diào)度的及時(shí)性和準(zhǔn)確性較高。另外，在小流量運(yùn)行時(shí)調(diào)壓塔內(nèi)有跌水，有使下游管道摻氣風(fēng)險(xiǎn)，須保證下游管道進(jìn)口有足夠淹沒深度。

4 結(jié) 論

為減小超長距離重力流輸水系統(tǒng)在水力過渡過程中的水力波動(dòng)并控制爆管等事故的影響范圍，本文提出一種采用頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔的水錘防護(hù)方案，給出了布置原則和設(shè)計(jì)步驟，通過實(shí)例分析論證了方案可行性及水錘防護(hù)特性。主要結(jié)論如下：

（1）頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔將封閉系統(tǒng)變?yōu)殚_放系統(tǒng)，系統(tǒng)中后部的靜水壓強(qiáng)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓強(qiáng)明顯降低。

（2）方案通過調(diào)壓塔分割系統(tǒng)，引入自由水面，明顯限制水錘壓強(qiáng)上升，在發(fā)生爆管事故時(shí)可隔斷系統(tǒng)，在系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)可保持管道滿管狀態(tài)。

（3）調(diào)壓塔的頂部聯(lián)通方式，改變了全系統(tǒng)的水力條件，即系統(tǒng)水力坡降線由下游溢流高程控制，流量由首端閥門或其前來流控制。

（4）本方案適用于管線末端有水庫（或調(diào)蓄池）來承接溢流量的情況，以適應(yīng)輸水系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)。

頂部聯(lián)通溢流式調(diào)壓塔水錘防護(hù)方案針對超長距離重力流輸水系統(tǒng)，適應(yīng)線路長且起伏多、穩(wěn)態(tài)水力坡降線與系統(tǒng)首尾連線大體平行的特性，可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。但由于輸水系統(tǒng)水力特性的改變，運(yùn)行調(diào)度更加復(fù)雜，有不少問題需要深入研究，以便為工程實(shí)施提供堅(jiān)實(shí)理論依據(jù)。