大型灌區(qū)自壓輸水管道水錘防護措施研究進展

【摘要】現(xiàn)階段，水資源分布不均和地下水開采嚴重使我國目前面臨的重大問題，要想對其進行解決，就要實現(xiàn)跨流域調(diào)水工程。地形條件符合的地區(qū)利用水的勢能進行自壓管道輸水可以減少沿途水分蒸發(fā)、滲漏等問題。但在管道輸水過程中水錘問題是值得研究的重大問題，是一直以來管道輸水的安全隱患。本文結(jié)合國內(nèi)外專家學(xué)者研究現(xiàn)狀，對管網(wǎng)鋪設(shè)管徑選擇，水錘防護措施以及組合技術(shù)，閥門啟閉方式與歷時，水錘防護中的軟件應(yīng)用作了研究分析，并對防護技術(shù)前景做了展望。

【關(guān)鍵詞】重力流；管道輸水；水錘防護；空氣閥；水資源

引言

我國農(nóng)業(yè)占地面積廣大，用水量非常多，用水矛盾日益突出。大型自壓管道輸水是充分利用地表水資源通過兩地高差勢能進行重力長距離輸水的方式，結(jié)合新疆綠洲灌區(qū)已經(jīng)大規(guī)模實施的膜下滴灌系統(tǒng)，形成大型自流灌區(qū)現(xiàn)代化管道化輸配水的自壓滴灌系統(tǒng)模式，該灌溉模式具有提高水利用系數(shù)、節(jié)約水資源，減少能源損耗、綠色環(huán)保，適應(yīng)性強、運行管理方便等諸多優(yōu)勢。

1、管網(wǎng)管徑鋪設(shè)選擇中水錘防護

采用多級重力流管道分段輸水，將長距離管道分成幾個較短的管道，能夠有效降低管道靜水壓力、降低管材耐壓等級和工程造價、簡化輸配水條件、減少管理人工、在技術(shù)上易于實現(xiàn)。根據(jù)水錘發(fā)生機理，利用減壓水池對管線進行壓力分級，可以使管道進水口反射回來的水錘波較早地回到管道末端，從而避免過高的水錘升壓。

2、充放水過程中水錘防護

長距離重力流輸水管路在充放水過程中，充水流量越大，管道內(nèi)特征點的氣體壓強最大值越大，排氣就會不暢，容易引發(fā)氣爆等水錘破壞事故；充水流量越小、越緩慢則越不會使管道內(nèi)氣體產(chǎn)生較大的壓力變化，從而有效防止水錘的發(fā)生。放水流量越大，管道內(nèi)氣體壓力達到最小值所用時間越短，能達到的最小壓力值也越小，會導(dǎo)致管道局部出現(xiàn)真空，繼而發(fā)生管道凹陷等破壞。通常情況下充水歷時較長，保水是保證管路適時運行和防止水體脫空的重要技術(shù)。

3、不同類型的水錘防護設(shè)備及其組合方式

3.1不同類型的水錘防護設(shè)備

3.1.1空氣閥

空氣閥是一種性能優(yōu)良的進排氣設(shè)備，主要利用氣囊的壓縮與膨脹對管道進行注水和排氣，分離空氣與水，具有恒速緩沖功能且構(gòu)造簡單、不受安裝條件限制等特點，多用于設(shè)備流量較小、揚程較高、控制壓力變化范圍較廣的情況，可作為消減斷流彌合水錘的最基本防護措施。在合理位置安裝合適進排氣孔徑的空氣閥，可在管路中出現(xiàn)負壓時快速補充空氣，降低管線負壓，也可排出管道運行過程中產(chǎn)生的滯留氣團，使水充滿管道，有效防止水柱分離再彌合產(chǎn)生的巨大瞬變壓力。在工程實際應(yīng)用中，減小空氣閥的排氣面積，緩沖閉合流速控制在0.2～0.5m/s范圍內(nèi)，最高排氣速度不超過管道流速，可在一定程度上將水錘升壓控制在規(guī)范要求的管道承壓值范圍內(nèi)并減少空氣閥的破壞現(xiàn)象。

3.1.2調(diào)壓塔

調(diào)壓塔的工作原理是通過儲存一定體積的水，利用壓差向管道內(nèi)注水，升壓時壓縮空氣消能緩沖，降壓時補水防負壓。單向調(diào)壓塔是有壓供水系統(tǒng)常用的平壓措施，相比補氣措施更加經(jīng)濟可靠。在管道沿線根據(jù)具體情況增加箱內(nèi)水位或增設(shè)多個單向調(diào)壓塔可以有效消除管道中出現(xiàn)的負壓及水柱分離現(xiàn)象，避免斷流空腔再彌合水錘的過高升壓。

3.1.3止回閥

止回閥調(diào)節(jié)可以有效進行水錘防護，具有廣闊的水錘防護理論研究和技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展前景。止回閥有緩閉止回閥、梭式止回閥等多種類型，也有較多學(xué)者對止回閥的水錘特性以及其他特性進行了研究，并根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。可控緩閉止回閥在正常關(guān)閥時，可以保證管路系統(tǒng)中不會產(chǎn)生過高的水錘升壓并且能夠很好地抑制管路中水的倒流。

3.1.4超壓泄壓閥

通常布置在管道高程較低位置，在突發(fā)事件發(fā)生過程中，可以及時將傳遞增壓的水流排泄出去，提高管路對水錘正壓的防護能力。超壓泄壓閥的類型較多，可根據(jù)實際工程的具體防護要求來選用。

3.1.5消能箱

具有水力摩阻和調(diào)蓄水池的雙重性質(zhì)，可消減過高的水流余能。可以簡化為虛擬閥門和普通水池相串聯(lián)的調(diào)壓室形式進行數(shù)學(xué)建模。

3.2不同的防護措施組合方式

在管路中設(shè)置調(diào)壓塔、空氣閥等其他工程措施進行聯(lián)合水錘防護，可以在事故發(fā)生時及時向管線中補水或補氣，以減小輸水系統(tǒng)壓力的劇烈下降，避免因負壓破壞造成爆管事故。

4、閥門啟閉對水錘的影響

4.1關(guān)閥方式

管道內(nèi)水錘壓力的大小不僅取決于管道內(nèi)介質(zhì)的流速，而且還與閥門的關(guān)閉特性有關(guān)。實際工程中應(yīng)避免閥門快關(guān)以及同時關(guān)閉的操作方式，應(yīng)通過試驗研究選擇合理的關(guān)閥方式，避免產(chǎn)生過高的水錘壓力。

4.2關(guān)閥時間

控制管道末端閥的關(guān)閉時間，可以穩(wěn)定管路的升壓值，使水錘壓力與關(guān)閥后期壓力波動的峰值相當(dāng)，可以預(yù)防因關(guān)閥太快引起的直接水錘，進而消除水錘危害。閥門的啟閉動作越慢、時間越長，流速的變化梯度就越小，越不易產(chǎn)生水錘，閥門的啟閉動作越快、時間越短，水的汽化穩(wěn)定時間越長，流速變化梯度越大，彌合水錘壓力就會越大。對于不同工況，需要詳細的計算并調(diào)試，以期得到最優(yōu)的閥門啟閉時間。

5、模擬軟件在水錘防護上的應(yīng)用

對于在瞬態(tài)工況下運行的閥門，其模型建立以及水力性能預(yù)測都不能完全按照通常的穩(wěn)態(tài)理論進行，動態(tài)仿真軟件可以更加準確地模擬閥門開啟過程中的瞬態(tài)特性。借助計算機應(yīng)用軟件來解決實際工程中的問題是今后重要的研究趨勢，研發(fā)設(shè)計切合實際的新軟件、新程序顯得尤為重要。

結(jié)語：

綜上所述，自壓管道輸水的優(yōu)勢有很多，是自流灌區(qū)水資源高效利用的重要輸水方式，在管道輸水過程中尤其要預(yù)防關(guān)閥水錘的發(fā)生，國內(nèi)外學(xué)者也對此做了大量的實踐研究，得出了重要的水錘防護經(jīng)驗。水錘的產(chǎn)生與管道的管線布置方式、初始流速、水錘波速、管道水力特性、閥門特性以及其啟閉時間與角度等有著密切的關(guān)系。根據(jù)管道輸水工程的地形、地質(zhì)條件等綜合各項影響要素，利用相關(guān)優(yōu)化方法結(jié)合MATLAB等數(shù)值模擬軟件計算得出合理的管線布置以及最優(yōu)管徑，并選擇合適糙率滿足耐壓閾值的管材。經(jīng)過縝密的計算分析，選用經(jīng)濟安全、管理方便的水錘防護措施，并且利用ANSYS等仿真模擬軟件進行水錘模擬計算，得出最優(yōu)的關(guān)閥規(guī)律。由于大型管道輸水工程龐大而且復(fù)雜，因此可以進行水錘模擬試驗的小比例模型有待實現(xiàn)。在運用計算機進行水錘計算時，需要更加精確的推導(dǎo)出閥門以及防護設(shè)備邊界條件的相關(guān)參數(shù)以及計算公式，以使編程計算的結(jié)果更符合實際工況。根據(jù)復(fù)雜的瞬間流態(tài)問題，具有更佳仿真效果的動態(tài)模擬軟件仍需要進一步研究開發(fā)。

參考文獻：

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