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，當突然關閉管道中的閘、閥時會產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措施，對于保證引水工程的可靠性和降低管路工程造價具有重要意義。依據計算結果，采用空氣閥、減壓池等水錘防護措施，可有效減小管路末端關閥水錘壓力。

關鍵詞：重力流;長距離引水管道;水錘壓力;關閥水錘;水錘防護措施

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，水源點為小壩子水庫，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節水量引至謙六鄉缺水嚴重的謙糯村、新城村、和平村、平掌村、小佛房村、臘撒村，供給1個集鎮5個村民委員會部份農村居民生活、牲畜飲用水，到設計水平年2030年，供水總人口28172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、移民點連接管組成，開挖埋設管道采用K9級球墨鑄鐵管，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，設計流量為96.25 L/s～33.72L/s，兩條干管合計長45.05km，設計流量為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動方程和連續性方程：

運動方程：

（1）

連續方程：

（2）

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

3.2 計算工況

對該引水工程調流閥關閉引起的管路水錘現象進行計算的工況為：管路穩態運行工況、無防護措施工況、設置水錘防護措施工況。

3.2.1 穩態運行工況

管路正常運行時，主干管、干管均達到管路設計流量。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，在管路進口0+610處。末端水池調流閥斷面壓力為0.15 MPa。穩態運行各管路最大壓力及位置見表2。

計算結果表明，穩態運行時，主干線沿程壓力先增大后減小。進口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24+000～24+400區域內達到最大，最大壓力普遍超過2.5MPa。各支線的穩態壓力也從支線進口向水池方向逐漸減小。由此可見，管路穩態運行的壓力并不大（DN400～10的K9級球墨鑄鐵管工作壓力為：4.0MPa～6.0MPa）。

3.2.2 無防護措施工況

水池及管道須盡快關閥，而關閥太快則會引起較大的水錘壓力，參考已建工程實例，以不同組合方式同時關閉管道調流閥，進行無防護措施工況的關閥水錘模擬，計算結果見表3。

由表3可知，4種閥門組合關閉方式下，管路全線無負壓，最小壓力均為0.11MPa。發生事故關閥時，調流閥同時關閉越多，沿程壓力越大。平掌干管調流閥關閥、平掌干管左連接管調流閥同時關閥，平掌干管、左右連接管調流閥同時關閥，平掌干管、左右連接管、臘撒干管調流閥同時關閥，4種關閥組合下的沿程最大壓力大于穩態運行時產生的最大壓力，且都發生在主干管24+150的錐栗河倒虹吸處。4個調流閥同時關閥，沿程最大壓力發生在主干線末端30+770穿越沙河倒虹吸處，達到6.5MPa。所有調流閥同時關閥的最大水錘壓力為5.7MPa，發生在主干線末端32+600附近，其余4種關閥方式下最大水錘壓力發生在主干線中部17+300附近。支線管道事故關閥，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。主干線末端移民點水池關閥，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的組合關閥方式，產生的水錘壓力值均較大，而4個閥門同時關閉調流閥為最不利工況。

表4為無防護措施4個調流閥同時關閥時的特征壓力。各支線調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流閥，其斷面的水錘壓力均達到2.75MPa以上。

對具有距離長、大落差、多支線特點的重力供水工程，當主干線及各支線末端閥同時關閉，主管沿線壓力從進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生沿程最大壓力。各支線進口與其對應的末端配水點高差極小，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 設置防護措施工況

根據空氣閥設置原則，每隔1.0Km左右安裝一個，兼有進/排氣功能的空氣閥，滿足管路放空時的進氣、初次充水的排氣需求。適當在駝峰、向上凸起的拐點處增設空氣閥，防止管路中產生水柱分離。本工程沿線共布置排氣閥119個。

在滿足管道重力供水的前提下，水源和水池高差較大時，為避免影響水池設施正常工作，將在管道沿線設置減壓池，在滿足整個官網重力供水前提下，根據《村鎮供水工程設計規范》SL687—2014規定，100m高差設置一減壓池，工程共布置6個減壓池;經計算，減壓池容積統一為30m3。

當管路設置防護措施，4個調流閥同時關閥的前提下，調流閥斷面的特征壓力見表5。與沿線無防護措施相比，主干線末端調流閥斷面的最大壓力減小了約3.0MPa。調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.結論

（1）對于多支線重力流輸水管路，當管路無任何水錘防護措施情況下，同時關閉主干線及各支線末端調流閥的數量越多，管路的最大壓力和水錘正壓越大。當發生事故同時關閥，沿線管路產生的壓力最大。因此，當所有調流閥必須關閥時，建議錯開時間關閥。

（2）對于線路長、沿線起伏變化大的重力流輸水管路，每間隔1.0Km左右安裝一個具有進/排氣功能的空氣閥，可滿足管路產生負壓、首次充水及放空的進氣和排氣，在駝峰和向上凸起的拐點處適量增設空氣閥，防止管路中產生水柱分離。

（3）對于本文的供水工程，通過在管路中設置空氣閥，在水錘壓力較高處設置減壓池，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生事故，保證工程安全運行。

參考文獻：

[1] 畢小劍，趙秀紅，楊寶奎等，《長距離有壓重力輸水工程優化設計》。

[2] 吳昊，黨雪梅，《南水北調工程辛莊口門有壓重力輸水系統管徑優化設計》。

[3] 劉志勇，劉梅清，蔣勁等，《重力有壓輸水系統水錘及其防護研究》。

[4] 楊紀偉，鄭薇薇，李書芳等，《重力輸水管路水壓特性分析》。

作者簡介：李 軍（1980～），男，工程師，主要從事水工建筑物設計。