山丘區(qū)自壓輸水管道水錘防護(hù)措施研究

石曉悟，何武全,2*，田雨豐，李千禧

山丘區(qū)自壓輸水管道水錘防護(hù)措施研究

石曉悟1，何武全1,2*，田雨豐1，李千禧1

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100）

【目的】避免山丘區(qū)自壓輸水管道因水錘而遭受破壞，保障管道的安全運(yùn)行?！痉椒ā酷槍?duì)山丘區(qū)地勢(shì)起伏的自壓輸水管道中水錘現(xiàn)象正負(fù)壓較大的特點(diǎn)，以陜西省千陽(yáng)縣一自壓輸水管道工程為例，依據(jù)水錘基本計(jì)算理論，采用傾斜直管和擬合等效短直管相結(jié)合的數(shù)值模擬方法，分別模擬各個(gè)駝峰斷面設(shè)置進(jìn)排氣閥和末端控制閥門斷面前設(shè)置超壓泄壓閥的防護(hù)效果，對(duì)計(jì)算模擬結(jié)果進(jìn)行分析，確定水錘防護(hù)措施及具體位置?！窘Y(jié)果】在無(wú)水錘防護(hù)措施的情況下，管道末端控制閥門快速關(guān)閉時(shí)管道內(nèi)沿管線產(chǎn)生明顯負(fù)壓，最大負(fù)壓水頭達(dá)到-20.06 m，管道末端控制閥門斷面處正壓最大，正壓水頭達(dá)到87.58 m；合理設(shè)置水錘防護(hù)措施后，管線全程無(wú)負(fù)壓，全程正壓最大水頭為70.88 m，未超過(guò)管道允許的最大壓力?！窘Y(jié)論】對(duì)于山丘區(qū)自壓輸水管道，采用進(jìn)排氣閥和超壓泄壓閥聯(lián)合防護(hù)水錘的方法，可以有效緩解水錘現(xiàn)象的發(fā)生，保證管道內(nèi)的壓力在設(shè)計(jì)壓力允許范圍內(nèi)。

山丘區(qū)；自壓管道輸水；水錘防護(hù)；數(shù)值模擬；進(jìn)排氣閥；超壓泄壓閥

0 引言

【研究意義】我國(guó)水資源分布不均問(wèn)題突出，水資源供需矛盾尖銳，長(zhǎng)距離輸水工程是解決這一問(wèn)題的有效途徑。長(zhǎng)距離自壓輸水管道因其對(duì)地質(zhì)條件和外部環(huán)境的要求較低，施工簡(jiǎn)單且運(yùn)行成本低而被實(shí)際工程廣泛應(yīng)用[1]。但當(dāng)輸水管道遇到突發(fā)狀況導(dǎo)致管道系統(tǒng)末端閥門突然關(guān)閉時(shí)，將會(huì)引起管內(nèi)壓力劇烈震動(dòng)，這對(duì)工程的安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅[2-4]，特別是山丘區(qū)長(zhǎng)距離自壓管道輸水運(yùn)行過(guò)程中受到地形地勢(shì)起伏的影響很容易發(fā)生水錘現(xiàn)象，因此，管道的安全防護(hù)問(wèn)題是長(zhǎng)距離自壓管道輸水工程中常見(jiàn)且需要亟待解決的問(wèn)題之一[5-8]。

【研究進(jìn)展】常見(jiàn)的水錘防護(hù)裝置主要包括調(diào)壓室、進(jìn)排氣閥、空氣罐、超壓泄壓閥和液控蝶閥等[9-11]。目前，已經(jīng)有很多學(xué)者針對(duì)長(zhǎng)距離輸水管道的水錘防護(hù)問(wèn)題進(jìn)行了大量研究。張立春等[12]提出輸水管路中因水錘出現(xiàn)局部壓力高點(diǎn)時(shí)，通過(guò)設(shè)置超壓泄壓閥與空氣罐聯(lián)合防護(hù)可以消減正壓過(guò)大的現(xiàn)象，使管道的最大壓力以及泵站的最大倒轉(zhuǎn)速度滿足規(guī)范要求。Yazdi等[13]以水錘防護(hù)設(shè)備的尺寸和布置方式為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行了單目標(biāo)和多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定了輸水系統(tǒng)中防護(hù)設(shè)備的最優(yōu)尺寸和布置方式，其中采用單目標(biāo)方法可以節(jié)約成本12.5%，多目標(biāo)方法可以節(jié)約將近30%的成本。李楠等[14]針對(duì)停泵水錘提出了空氣罐與超壓泄壓閥聯(lián)合防護(hù)方案，對(duì)泵后高壓管段的水錘防護(hù)有顯著的防護(hù)效果，且對(duì)超壓泄壓閥的啟閉規(guī)律進(jìn)行了敏感性分析，認(rèn)為斷電停泵事故中超壓泄壓閥應(yīng)快速開(kāi)啟后保持較長(zhǎng)時(shí)間的全開(kāi)度狀態(tài)可以充分緩解升壓水錘。沈金娟等[15]建立了不同壓差下空氣閥的排氣流量系數(shù)曲線方程，提高了空氣閥的數(shù)值模擬精度，并進(jìn)行了長(zhǎng)距離輸水管道空氣閥的選型研究，提出了長(zhǎng)距離輸水管道進(jìn)排氣閥的選型方法。【切入點(diǎn)】在實(shí)際工程中，因每個(gè)工程面臨的實(shí)際外部環(huán)境和工程修建情況不同，通過(guò)計(jì)算模擬分析確定采取何種防護(hù)措施能更有效對(duì)工程進(jìn)行水錘防護(hù)的研究是很有必要的?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文以陜西省千陽(yáng)縣一山丘區(qū)自壓管道輸水工程為例，采用傾斜直管和擬合等效短直管相結(jié)合的數(shù)值模擬方法，通過(guò)數(shù)值模擬水錘現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，在產(chǎn)生負(fù)壓極大值的駝峰斷面設(shè)置進(jìn)排氣閥和正壓最大的管道系統(tǒng)末端控制閥門斷面前設(shè)置超壓泄壓閥的防護(hù)效果，確定水錘防護(hù)裝置的有效安裝位置，使得水錘防護(hù)效果最優(yōu)化，以此來(lái)保證輸水灌溉管道工程的安全運(yùn)行。

1 數(shù)學(xué)模型及算法

1.1 水錘計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

針對(duì)山丘區(qū)自壓輸水管線地形落差大、距離長(zhǎng)和地勢(shì)起伏的特點(diǎn)，采用傾斜直管和擬合等效短管相結(jié)合的數(shù)值計(jì)算模型。

1.1.1 傾斜直管的水錘計(jì)算

傾斜直管采用特征線法進(jìn)行計(jì)算，有壓管道的水錘基本計(jì)算控制方程包括連續(xù)性方程和運(yùn)動(dòng)方程[16]：

連續(xù)性方程：

運(yùn)動(dòng)方程：

式中：為測(cè)壓管水頭（m）；為管道流速（m/s）；為時(shí)間（s）；為水錘波速（m/s）；為相對(duì)于水平線的管道角度（°）；為節(jié)點(diǎn)位置；為摩阻系數(shù)；g為重力加速度（m2/s）；為管道直徑（m）。

1.1.2 彎曲管道的水錘計(jì)算

1）劃分?jǐn)M合管段

圖1 彎曲管道節(jié)點(diǎn)曲率計(jì)算

如圖1所示，彎曲管道內(nèi)計(jì)算節(jié)點(diǎn)P，到管道內(nèi)節(jié)點(diǎn)前后連接得到的弦之間的距離d為：

式中：Ax+By+=0為管道內(nèi)兩節(jié)點(diǎn)連接得到的弦直線方程；L為弦長(zhǎng)（m）。

彎曲管道內(nèi)計(jì)算節(jié)點(diǎn)P點(diǎn)的曲率為：

式（4）可求得管道所有節(jié)點(diǎn)的曲率，節(jié)點(diǎn)的曲率越大，該點(diǎn)越可能是彎曲管道中弧度不連貫的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，通過(guò)尋找轉(zhuǎn)折點(diǎn)將彎曲管道劃分為更細(xì)致的連貫弧管段作為擬合管段。

2）管段擬合

擬合管段中的局部切線作為擬合彎曲管道的依據(jù)，利用曲線可以由多段短直線擬合的極限思想，彎曲管道可以被沿管道不同節(jié)點(diǎn)，也就是各切點(diǎn)之間的短直管道擬合進(jìn)行水錘計(jì)算。

1.2 進(jìn)排氣閥的邊界條件

進(jìn)排氣閥是一種補(bǔ)氣和排氣的水錘防護(hù)裝置，主要用來(lái)消除管道中的負(fù)壓。由于進(jìn)排氣閥通常涉及到氣液兩相，所以其邊界條件是非常復(fù)雜的，對(duì)于空氣從進(jìn)排氣閥中流進(jìn)流出可以采用空氣動(dòng)力學(xué)中拉瓦爾噴管公式。在使用該公式前首先需做如下假設(shè)[17]：

1）認(rèn)為空氣是理想氣體且進(jìn)出進(jìn)排氣閥是等熵過(guò)程；

2）進(jìn)入管內(nèi)的氣體迅速與水體達(dá)到熱平衡，并最終與水體保持同溫；

3）進(jìn)入管內(nèi)的空氣滯留在進(jìn)排氣閥附近；

4）水體表面高度基本保持不變。

按照空氣流進(jìn)、流出的速度不同，進(jìn)排氣閥的邊界條件可以分為以下4種情況：

1.3 超壓泄壓閥的邊界條件

超壓泄壓閥是一種升壓水錘防護(hù)裝置，一般設(shè)置在管道系統(tǒng)中高壓位置。如圖2所示，由連續(xù)性條件可得到超壓泄壓閥的邊界條件[14]為：

圖2 超壓泄壓閥水力特性

p1=p2=p3， （9）

p1+p2+p3=0， （10）

式中：p1、p2、p3分別為超壓泄壓閥上游、下游和閥處的流量（m3/s）；p1、p2、p3分別為超壓泄壓閥上游、下游和閥處的水頭壓力（m）。

當(dāng)管道壓力p小于超壓泄壓閥啟動(dòng)壓力H時(shí)，p3=0；當(dāng)管道壓力超過(guò)超壓泄壓閥啟動(dòng)壓力時(shí)，泄壓閥的進(jìn)出口處有：

式中：d為流量系數(shù)；G為開(kāi)口面積（m2）；0為管道外部水頭壓力（m）。

2 工程實(shí)例應(yīng)用與分析

陜西省千陽(yáng)縣某管道輸水工程，地處渭北旱塬西部丘陵溝壑區(qū)，管線沿途地形起伏較大。水源位于千陽(yáng)縣嶺北坡的帽兒山，通過(guò)上游調(diào)節(jié)水池自壓輸水至下游蓄水池，輸水管線全長(zhǎng)1 984.1 m，上游調(diào)節(jié)水池設(shè)計(jì)水位高程為887.35 m，管道首端高程為886 m，管道末端高程為835.44 m，首末端地形高程差為51.91 m，管線末端設(shè)置有控制閥門，管道的縱斷面如圖3所示。

圖3 輸水管道縱斷面圖

該工程管道采用DN 250-UPVC塑料管，壁厚7 mm，內(nèi)徑為236 mm。輸送流體為水，體積彈性系數(shù)=2.06×109N/m2，管壁材料的彈性系數(shù)=3 300 MPa，泊松比為0.45，水頭損失系數(shù)為0.014 93。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，水流在管道內(nèi)的流速為1.03 m/s，通過(guò)管道的流量為44.9 L/s，管線沿程的運(yùn)行水頭平穩(wěn)逐漸遞減，管線末端是管線高程的最低點(diǎn)，水頭損失6.25 m。如圖4所示，正常運(yùn)行管線全程無(wú)負(fù)壓，滿足安全運(yùn)行條件。

圖4 無(wú)防護(hù)措施下最大最小水頭包絡(luò)線

2.1 無(wú)防護(hù)措施的水錘分析

山丘區(qū)長(zhǎng)距離自壓輸水管道系統(tǒng)中，不合理的關(guān)閥方式或管道中發(fā)生故障意外關(guān)閥，都會(huì)導(dǎo)致管路中的壓力急劇變化。在無(wú)防護(hù)措施的情況下，管道系統(tǒng)末端控制閥門10 s快速關(guān)閉時(shí)，管道沿線產(chǎn)生最大與最小的壓力水頭如圖4所示。管線沿駝峰處產(chǎn)生明顯負(fù)壓，最大負(fù)水頭達(dá)到-20.06 m，位于樁號(hào)K1+300處，在實(shí)際工程中，當(dāng)壓力水頭降至-10 m時(shí)，管道中的水體會(huì)發(fā)生氣化；正壓水頭最大達(dá)到87.58 m，位于管道末端控制閥門斷面，對(duì)管道的危害極大。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是管道內(nèi)水流在正常運(yùn)行過(guò)程中，管道系統(tǒng)末端閥門忽然關(guān)閉導(dǎo)致水流流向下游的速度驟降為0，此時(shí)閥門處壓力迅速增大形成壓力波向上游傳播，同時(shí)閥門處也因壓力差出現(xiàn)水體被壓縮、管道膨脹的現(xiàn)象，壓力波在管道內(nèi)來(lái)回傳播形成的壓強(qiáng)通常情況下遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道內(nèi)水流正常運(yùn)行時(shí)候的壓強(qiáng)。因此，對(duì)該工程進(jìn)行水錘防護(hù)是非常必要的。

為了消減發(fā)生水錘現(xiàn)象時(shí)的正負(fù)水頭給管道帶來(lái)的破壞，根據(jù)圖4的模擬結(jié)果，擬在4個(gè)產(chǎn)生負(fù)壓相對(duì)極大值的位置，即有起伏的駝峰最高點(diǎn)設(shè)置進(jìn)排氣閥消除管道中的負(fù)壓。此外，在管道系統(tǒng)末端控制閥門前設(shè)置超壓泄壓閥，對(duì)管道中產(chǎn)生過(guò)大的正壓進(jìn)行防護(hù)。

2.2 進(jìn)排氣閥防護(hù)的水錘分析

在輸水管路系統(tǒng)中安裝進(jìn)排氣閥是一種常用的消減負(fù)壓的措施，管道系統(tǒng)因突發(fā)狀況內(nèi)部出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，進(jìn)排氣閥可以通過(guò)吸入空氣從而消減管道內(nèi)的負(fù)壓，正常運(yùn)行時(shí)還可以排出管道內(nèi)存在的氣體。針對(duì)圖4中發(fā)生的水錘現(xiàn)象，負(fù)壓沿管線中段部分較為嚴(yán)重，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是整條管線的大起伏駝峰位置，也就是相對(duì)高程較高的管線集中在管道中段位置，故擬在駝峰1（K0+100）、駝峰2（K0+500）、駝峰3（K1+300）、駝峰4（K1+700）處分別設(shè)置進(jìn)排氣閥，主要目的是有效分析進(jìn)排氣閥布置在管道各個(gè)駝峰時(shí)能夠消減水錘負(fù)壓的效果程度。進(jìn)排氣閥單獨(dú)布置后進(jìn)行分析，所得結(jié)果如圖5所示。

圖5 進(jìn)排氣閥單獨(dú)設(shè)置時(shí)駝峰處水頭波動(dòng)線

由圖5的模擬結(jié)果可以看出，進(jìn)排氣閥單獨(dú)布置在各個(gè)駝峰斷面處能有效消減相應(yīng)位置的負(fù)壓，其中，在駝峰1處設(shè)置進(jìn)排氣閥可以有效改善輸水管道前半段的負(fù)壓，而在駝峰3處設(shè)置進(jìn)排氣閥可以有效改善輸水管道后半段的負(fù)壓，這是因?yàn)楣艿莱霈F(xiàn)負(fù)壓受到山丘區(qū)地形地勢(shì)，以及管道形狀（也就是高差和駝峰）的影響，有些高差相對(duì)較小的位置出現(xiàn)的負(fù)壓峰值可能較小，因此在地勢(shì)較高的地方布置進(jìn)排氣閥可以很好地利用地勢(shì)高差兼顧“小高差”產(chǎn)生的負(fù)壓，這樣做可以避免實(shí)際工程中按經(jīng)驗(yàn)每隔1 km直接建設(shè)進(jìn)排氣閥[7-8]帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失和物資浪費(fèi)，以及防止因進(jìn)排氣閥數(shù)量過(guò)多導(dǎo)致開(kāi)關(guān)進(jìn)排氣閥時(shí)發(fā)生二次水力現(xiàn)象。

故擬定進(jìn)排氣閥布置的方案一：在駝峰1和駝峰3處同時(shí)設(shè)置進(jìn)排氣閥，以達(dá)到有效消減整個(gè)管道負(fù)壓的效果。計(jì)算模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 進(jìn)排氣閥布置方案一水頭波動(dòng)線

由圖6可看出，進(jìn)排氣閥按方案一進(jìn)行布置后，整個(gè)管線中負(fù)壓得到有效消減，但在管路1 000～1 500 m之間還存在明顯負(fù)壓，說(shuō)明方案一不能完全消除整條輸水管道的負(fù)壓，為保障輸水管道安全運(yùn)行，故擬定進(jìn)排氣閥布置方案二：在方案一的基礎(chǔ)上，樁號(hào)K0+900處再加設(shè)一個(gè)進(jìn)排氣閥，模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 進(jìn)排氣閥布置方案二水頭波動(dòng)線

由圖7的模擬結(jié)果可以看出，方案二的進(jìn)排氣閥布置可以完全消除輸水管道系統(tǒng)中的負(fù)壓，表明按照方案二布置進(jìn)排氣閥在該工程中是合理的，滿足規(guī)范[18]中每隔0.5～1 km設(shè)置一個(gè)進(jìn)排氣閥要求的同時(shí)，將布置進(jìn)排氣閥的數(shù)量降到最低，有效節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。加設(shè)進(jìn)排氣閥后管線中各駝峰斷面以及管道末端控制閥門斷面的相對(duì)特征壓力見(jiàn)表1。

表1 安裝進(jìn)排氣閥后特殊斷面的特征壓力

由表1可以看出，管線負(fù)壓極大值的駝峰斷面處無(wú)負(fù)壓，說(shuō)明進(jìn)排氣閥可以有效防護(hù)山丘區(qū)自壓輸水管道工程發(fā)生水錘現(xiàn)象時(shí)的負(fù)壓，這與前人[3]的研究結(jié)果一致，但是進(jìn)排氣閥對(duì)正壓幾乎無(wú)明顯影響，因此對(duì)管路的危害依然存在，所以僅靠安裝進(jìn)排氣閥無(wú)法降低管路中的正壓?；诖耍柙诠苈分姓龎鹤畲蟮臄嗝?，即管道末端控制閥門前設(shè)置超壓泄壓閥來(lái)達(dá)到降低正壓，保護(hù)管道的目的。

2.3 與超壓泄壓閥聯(lián)合防護(hù)的水錘分析

超壓泄壓閥一般設(shè)置在自壓輸水管道末端的關(guān)閉閥上游，當(dāng)輸水系統(tǒng)突然出現(xiàn)過(guò)高正壓時(shí)，及時(shí)打開(kāi)超壓泄壓閥的閥門釋放部分高壓水，從而起到保護(hù)管道的作用，其公稱直徑宜選取為主管道直徑的1/5～1/4[18]。通過(guò)前面的計(jì)算模擬，在采用方案二布置了進(jìn)排氣閥的基礎(chǔ)上，輸水管道末端控制閥門上游設(shè)置一個(gè)DN50 mm的超壓泄壓閥，發(fā)生水錘現(xiàn)象開(kāi)啟超壓泄壓閥后，各斷面的壓力分布見(jiàn)表2，沿管線全程的水頭波動(dòng)如圖8所示。

由表2可以看出，設(shè)置超壓泄壓閥與進(jìn)排氣閥聯(lián)合后，管線沿程最小壓力為正，最大壓力為70.88 m，是穩(wěn)態(tài)壓力的1.48倍，滿足水錘防護(hù)措施設(shè)計(jì)應(yīng)保證輸水管道最大水錘壓力不超過(guò)1.3～1.5倍的防護(hù)要求[18]。

表2 安裝超壓泄壓閥后的特征壓力

圖8 聯(lián)合防護(hù)的水頭波動(dòng)線

圖8所表示的管線全程的壓力變化可以看出，在采取聯(lián)合防護(hù)措施的條件下，沿管線全程無(wú)水錘產(chǎn)生的負(fù)壓，全局的正壓也沒(méi)有超過(guò)管道允許的最大壓力。也就是說(shuō)，通過(guò)模擬進(jìn)排氣閥的防護(hù)效果來(lái)確定進(jìn)排氣閥的具體布置位置和數(shù)量，可以有效合理地滿足防護(hù)負(fù)壓的同時(shí)還能相應(yīng)地降低經(jīng)濟(jì)成本，結(jié)合超壓泄壓閥聯(lián)合防護(hù)可以有效消除水錘現(xiàn)象對(duì)輸水管道帶來(lái)的不利影響，保證工程安全運(yùn)行。

3 討論

在沒(méi)有水錘防護(hù)措施的情況下，自壓管道輸水工程中末端控制閥門快速關(guān)閉時(shí)，管道內(nèi)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的水錘現(xiàn)象，正水頭最大達(dá)到87.58 m，負(fù)水頭最大可達(dá)-20.06 m。合理設(shè)置防護(hù)裝置可以有效防護(hù)水錘，保障管道輸水工程的安全運(yùn)行。進(jìn)排氣閥是常用的預(yù)防水錘負(fù)壓的防護(hù)裝置，與前人的研究[1,7,19]相比，本文采用彎管擬合與直管結(jié)合的水錘計(jì)算模擬方法，模擬了進(jìn)排氣閥和超壓泄壓閥防護(hù)下管道內(nèi)壓的變化情況，改善了傳統(tǒng)水錘計(jì)算方法中彎曲管道直接近似為直管造成的精度誤差，并通過(guò)計(jì)算模擬進(jìn)排氣閥在各個(gè)負(fù)壓相對(duì)較大斷面，即駝峰處分別布置進(jìn)排氣閥時(shí)的防護(hù)效果，根據(jù)單個(gè)進(jìn)排氣閥防護(hù)后負(fù)壓出現(xiàn)較大的位置，合理判斷如何布置進(jìn)排氣閥的方案，減少了進(jìn)排氣閥布置時(shí)的試算工作量。此外，與規(guī)范[18]中1 km間隔設(shè)置進(jìn)排氣閥的處理方法相比，明確合理選擇進(jìn)排氣閥的數(shù)量，考慮了經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，保證了進(jìn)排氣閥對(duì)于負(fù)壓的防護(hù)效果。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)聯(lián)合超壓泄壓閥對(duì)管道末端閥門處的正壓進(jìn)行防護(hù)。計(jì)算模擬結(jié)果表明進(jìn)排氣閥能夠有效消減管道系統(tǒng)中的負(fù)壓，超壓泄壓閥能夠有效防護(hù)管道末端閥門處產(chǎn)生的正壓，這與李楠等[14]和沈金娟[15]研究成果相符，聯(lián)合防護(hù)可以保證管道輸水工程在發(fā)生特殊狀況導(dǎo)致水錘現(xiàn)象發(fā)生條件下的安全性和可靠性。

本研究為山丘區(qū)自壓輸水管道水錘防護(hù)方案的快速有效布置提供了一種參考方法，但仍存在一些局限性，本研究主要針對(duì)山丘區(qū)單一管線，若遇管道條件復(fù)雜的情況，水錘防護(hù)還需進(jìn)一步計(jì)算確定防護(hù)方案。

4 結(jié)論

1）以陜西省千陽(yáng)縣一山丘區(qū)長(zhǎng)距離自壓輸水管道工程為例，通過(guò)水錘的基本計(jì)算原理，結(jié)合實(shí)際工程發(fā)生水錘時(shí)的具體特征，提出了進(jìn)排氣閥和超壓泄壓閥聯(lián)合的水錘防護(hù)措施。

2）針對(duì)山丘區(qū)自壓輸水管道工程地形起伏大的特點(diǎn)，采用傾斜直管和擬合等效短管相結(jié)合的數(shù)值模擬方法，計(jì)算模擬單獨(dú)設(shè)置進(jìn)排氣閥時(shí)的工作壓力可以快速有效地確定進(jìn)排氣閥的最優(yōu)安裝位置，且進(jìn)排氣閥只能消除管道中的負(fù)壓，對(duì)正壓基本無(wú)明顯影響。

3）超壓泄壓閥對(duì)正壓防護(hù)有顯著效果，進(jìn)排氣閥和超壓泄壓閥聯(lián)合的水錘防護(hù)措施，可以有效消減該工程在發(fā)生水錘現(xiàn)象時(shí)產(chǎn)生危害管道的水錘壓力波，從而保證輸水管道的正常運(yùn)行。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在的利益沖突）

[1] 朱曉璟. 長(zhǎng)距離大型區(qū)域重力流輸水系統(tǒng)水錘防護(hù)計(jì)算研究[D]. 西安:長(zhǎng)安大學(xué), 2009.

ZHU Xiaojing. Study on calculation of water hammer protection of long distance and large-scale regional water gravitational transportation pipeline system[D]. Xi’an: Chang’an University, 2009.

[2] TANAKA Y, TSUDA K. Model-driven development of water hammer analysis software for irrigation pipeline system[C]//JEZIC G, CHEN-BURGER Y H, HOWLETT R, et al. Agent and Multi-Agent Systems: Technology and Applications. Cham: Springer, 2016: 301-317.

[3] 陳聃. 長(zhǎng)距離連續(xù)性駝峰有壓輸水管路的水錘特性研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2020.

CHEN Dan. Study on water hammer characteristics of long-distance pressurized pipeline with continuous-hump[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2020..

[4] LYU J W, ZHANG J, WANG T Y. Study on water hammer protection of the siphon breaking structure in the water supply system[J]. Journal of Water Supply: Research and Technology-Aqua, 2022, 71(3): 478-489.

[5] 王思琪, 俞曉東, 倪尉翔, 等. 長(zhǎng)距離供水工程空氣罐調(diào)壓塔聯(lián)合防護(hù)水錘[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2019, 37(5): 406-412.

WANG Siqi, YU Xiaodong, NI Weixiang, et al. Water hammer protection combined with air vessel and surge tanks in long-distance water supply project[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2019, 37(5): 406-412.

[6] ZHAO L, YANG Y S, WANG T, et al. Research on the protection of pipelines with multiple column separation and water hammer of cavities collapsing[J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019, 300(3): 032 034.

[7] 張景望, 吳建華, 高潔, 等. 長(zhǎng)距離重力流輸水系統(tǒng)水錘模擬及其防護(hù)研究[J]. 水電能源科學(xué), 2019, 37(5): 57-60.

ZHANG Jingwang, WU Jianhua, GAO Jie, et al. Research on water hammer simulation and protection for long distance gravity flow water conveyance system[J]. Water Resources and Power, 2019, 37(5): 57-60.

[8] 李建宇, 魏舉旺. 長(zhǎng)距離重力流輸水管線末端關(guān)閥水錘分析及防護(hù)[J].中國(guó)給水排水, 2022, 38(7): 51-55.

LI Jianyu, WEI Juwang. Analysis of valve closing water hammer at the end of long-distance gravity flow water transmission pipeline and its protection[J]. China Water & Wastewater, 2022, 38(7): 51-55.

[9] 邱象玉, 王浩, 孫慶宇. 緩閉蝶閥關(guān)閉規(guī)律對(duì)事故停泵水錘的影響[J].人民黃河, 2019, 41(1): 101-105.

QIU Xiangyu, WANG Hao, SUN Qingyu. Analysis of closure rules of slow closing check valve for accidental pump-stop water hummer[J]. Yellow River, 2019, 41(1): 101-105.

[10] KOU Y F, YANG J M, KOU Z M. A water hammer protection method for mine drainage system based on velocity adjustment of hydraulic control valve[J]. Shock and Vibration, 2016, 2016: 1-13.

[11] 李玲玲, 童保林, 劉志勇, 等. 空氣罐在高原山區(qū)復(fù)雜地形條件下高揚(yáng)程泵站水錘防護(hù)中的應(yīng)用[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(S1): 56-61.

LI Lingling, TONG Baolin, LIU Zhiyong, et al. Application of air tank in water hammer protection of high head pumping station under complex terrain condition in plateau mountainous area[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(S1): 56-61.

[12] 張立春. 長(zhǎng)距離高揚(yáng)程輸水管道過(guò)渡過(guò)程分析與防護(hù)[J]. 人民長(zhǎng)江, 2013, 44(16): 18-21, 28.

ZHANG Lichun. Analysis on hydraulic transition process of water conveyance pipeline and water hammer protection[J]. Yangtze River, 2013, 44(16): 18-21, 28.

[13] YAZDI J, HOKMABADI A, JALILIGHAZIZADEH M R. Optimal size and placement of water hammer protective devices in water conveyance pipelines[J]. Water Resources Management, 2019, 33(2): 569-590.

[14] 李楠, 張健, 石林, 等. 空氣罐與超壓泄壓閥聯(lián)合水錘防護(hù)特性[J]. 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2020, 38(3): 254-260.

LI Nan, ZHANG Jian, SHI Lin, et al. Water hammer protection characteristic of combined air vessel and overpressure relief valve[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2020, 38(3): 254-260.

[15] 沈金娟. 長(zhǎng)距離輸水管道進(jìn)排氣閥的合理選型及防護(hù)效果研究[D]. 太原: 太原理工大學(xué), 2013.

SHEN Jinjuan. The study on model selection and protective effect of air inlet and release valves in long-distance water supply pipelines[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2013.

[16] 呂宏興, 裴國(guó)霞, 楊玲霞. 水力學(xué)[M]. 2版. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2011.

LYU Hongxing, PEI Guoxia, YANG Lingxia. Hydraulics[M]. 2nd ed. Beijing: China Agriculture Press, 2011.

[17] WYLIE E B, STREETER V L. 瞬變流[M]. 清華大學(xué)流體傳動(dòng)與控制教研組, 譯. 北京: 水利電力出版社, 1983.

WYLIE E B, STREETER V L. Fluid Transients[M]. Beijing: China Water & Power Press, 1983.

[18] 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì). 城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)程: CECS 193—2005[S]. 北京: 中國(guó)計(jì)劃出版社, 2006.

[19] 郭偉奇, 吳建華, 李娜, 等. 長(zhǎng)距離重力流輸水系統(tǒng)水錘防護(hù)措施研究[J]. 中國(guó)農(nóng)村水利水電, 2018(11): 124-126, 130.

GUO Weiqi, WU Jianhua, LI Na, et al. Research on water hammer protection measures for long-distance gravity flow water delivery systems[J]. China Rural Water and Hydropower, 2018(11): 124-126, 130.

Methods to Protect Gravity Flow Pipeline in Hilly Area Affected by Water Hammer

SHI Xiaowu1, HE Wuquan1,2*, TIAN Yufeng1, LI Qianxi1

(1. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China;2. Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas of Ministry of Education, Yangling 712100, China)

【Background and Objective】Gravity-driven pipelines have low impact on geological environment, low leakage, simple construction and low operation cost. They have been widely used in irrigation and water supply projects. When the end valve is suddenly turn off under unpredicted circumstances, however, it could result in water hammer and pressure vibration in the pipelines, threating safe operation of the system. Considering water hammer is more likely to occur in long-distance gravity flow pipeline in hilly areas, this paper explore efficacy of different methods to ameliorate the damaging effect of water hammer on gravity flow pipeline in hilly areas.【Method】The study is based on the gravity pipeline project in Qianyang County, Shaanxi province. Numerical simulation combined with inclined straight pipes and fitted equivalent short straight pipe is used to simulate the protective effect of setting inlet and exhaust valve in each hump section and an overpressure relief valve in the front of the end control valve section. We analyzed the simulation results to determine the effect of these methods in alleviating water hammer at specific locations in the pipelines.【Result】Without the water hammer protection measure, when the control valve at the end of the pipeline is turn off quickly, there is no noticeable negative pressure along the pipeline; the maximum negative pressure head reaches - 20.06 m, and the maximum positive pressure at the section of the control valve at the end of the pipeline reaches 87.58 m. Installation of the water hammer protection measures eliminates the occurrence of negative pressure in the pipeline and reduces the maximum positive pressure head in the pipeline to 70.88 m, which is lower than the critical pressure for occurrence of water hammer in the pipelines.【Conclusion】For the gravity-driven water transmission pipeline in hilly areas, combination of inlet and exhaust valve and an over-pressure relief valve can effectively alleviate the occurrence of water hammer and ensure that the pressure in the pipeline is less than the critical pressure required in the design of the pipelines.

hilly area; gravity flow pipeline water conveyance; water hammer protection; numerical simulation; inlet and exhaust valve; over-pressure relief valve

1672 - 3317（2023）09 - 0138 - 07

TV134

A

10.13522/j.cnki.ggps.2023028

石曉悟, 何武全, 田雨豐, 等. 山丘區(qū)自壓輸水管道水錘防護(hù)措施研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(9): 138-144.

SHI Xiaowu, HE Wuquan, TIAN Yufeng, et al. Methods to Protect Gravity Flow Pipeline in Hilly Area Affected by Water Hammer[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(9): 138-144.

2023-01-30

2023-05-23

2023-09-15

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2022YFD1900402）

石曉悟（1997-），女，甘肅天水人。碩士研究生，研究方向?yàn)楣?jié)水灌溉工程技術(shù)。E-mail: 1392453231@qq.com

何武全（1967-），男，陜西合陽(yáng)人。副教授，碩士，主要從事節(jié)水灌溉理論與新技術(shù)研究。E-mail: hewq@nwafu.edu.cn

@《灌溉排水學(xué)報(bào)》編輯部，開(kāi)放獲取CC BY-NC-ND協(xié)議

責(zé)任編輯：趙宇龍