某灌區輸水干管水力和水錘計算及水錘防護研究

戴江力

(新疆水利水電項目管理有限公司，烏魯木齊 832100 )

1 工程概況

某大型灌區新增土地面積0.922 7×104hm2以上，灌區內地勢平坦、適宜農作物生長，但干旱缺水。灌區內電力提灌工程已達設計供水能力，高峰期供水緊張，已無力承擔新發展的農業灌溉供水任務，迫切需要實施新水源工程。因此，新建引水工程是解決灌區用水問題的唯一途徑。本次通過新建引水骨干工程，向灌區年供水量3 000×104m3。灌溉引水工程由上段、中段和下段組成，引水線路總長72.5 km，上段為新建干渠段，渠線長15.6 km；中段為英武水庫輸水渠利用段，渠線長18.2 km；下段為新建干管段(有壓進水池至末端受水區)，管長38.7 km。工程布置從英武水庫輸水渠21#洞出口設有壓進水池 1 座，后接輸水干管，采用有壓重力流輸水，至平壓池(樁號 33+390 m)之后沿途分別設置1#-6#分水口向灌區供水。本工程輸水干管屬于長距離重力有壓輸水線路，管線的起伏變化，以及輸水運行過程中的開關閥、流量調節、充水和放空等工況均有可能引起水錘危害[1]。本文對輸水干管進行水錘計算分析，并進行防護措施的選擇。

2 管道水力計算

本工程灌溉輸水管道管徑為1 400～1 200 mm，選擇使用球墨鑄鐵管和涂塑鋼管兩種管材，具體根據沿線壓力等級。1.0～2.0 MPa公稱壓力等級范圍內，采用球墨鑄鐵管；0.6～1.0 MPa、2.0～4.0 MPa公稱壓力等級范圍內，采用涂塑復合鋼管。

2.1 管道水頭損失計算

管道的水頭損失計算包括沿程水頭損失和局部水頭損失[2]。

2.1.1 沿程水頭損失

謝才公式和海曾威廉公式均可用于沿程水頭損失的計算，本次設計對兩公式的計算結果進行對比分析，從而選擇最終采用的公式。

1) 海曾威廉按下列公式進行計算：

hj=iL

(1)

i=10.67C-1.852Q1.852d-4.87

(2)

式中：hj為沿程水頭損失，m；L為計算管段的長度，m；i為單位管長沿程水頭損失，m；C為海曾威廉系數；Q為管段流量，m3/s；d為管段內徑，m。

2)謝才公式按下式計算：

(3)

本次計算選用涂塑鋼管作為對比材料進行計算，管道公稱直徑為1 400 mm，糙率n取0.011，海曾威廉系數C=135，計算結果見表1。

表1 水頭損失計算比較表

由表1可知，兩公式計算結果基本相同，其中海曾威廉公式計算的水頭損失略大于謝才公式計算值。考慮到海曾威廉公式更適用于光滑的滿管流計算，而謝才公式更適用于明渠或明管流的工況，因此本次設計計算采用海曾威廉公式計算水頭損失的計算。

2.1.2 輸水管的局部水頭損失

根據經驗，室外給水管網中的局部水頭損失一般不超過沿程水頭損失的 10%～15%，因與沿程水頭損失相比很小，因此在管網水力計算中，可按此比例計入總水頭損失，本次計算取10%。

2.1.3 主要參數選擇

球墨鑄鐵管和涂塑鋼管的海曾威廉系數C的取值，主要依據《水力計算手冊》(第二版)、《水工設計手冊》(第二版)和廠家建議值，同時結合管道使用年限內長期運行選取。球墨鑄鐵管：C=125；涂塑鋼管：C=135。單公里管道水頭損失計算見表2。

表2 單公里水頭損失計算表

2.2 水力計算

管道某一點的工作水頭按下式計算：

(4)

式中：Hi為計算點的壓力水頭，m；H0為計算段起點總水頭，m；v為管內流速，m/s；α為水流動能校正系數，取1.0～1.05；h1-2為計算段起點至末點的總水頭損失，h1-2=hj+hf，m；g為重力加速度，9.81 m/s2。

管道壓坡線計算見表3和圖1。

表3 輸水管道水力計算表

續表3

圖1 輸水管水力計算成果圖

3 壓力輸水系統水錘及其防護

本次對水錘防護措施的選擇，選定在輸水干管和1#分水管線末端設置調流調壓閥，并采用合理的閥門操作規律，保證輸水管道最大水錘壓力不超過1.3倍最大內水壓力，輸水系統任何部位不出現水柱斷裂[3]。

3.1 平壓水池前輸水干管水力過渡過程分析

3.1.1 管道穩態計算

根據選定的調流調壓閥設計參數，各運行工況下的計算成果見表4。

表4 輸水干管穩態計算成果表

3.1.2 關閥水錘計算

根據選定的調流調壓閥設計參數，經水力過渡過程仿真計算，各運行工況下關閉管道末端閥門產生的最大水錘升壓不超過 1.3 倍最大內水壓力，管線無負壓產生。從計算成果可以看出，U型倒虹吸谷底管段升壓絕對值較高，平壓池前管段升壓相對值較高，實際運行中應加強對運行狀態的監測和設備維護。具體計算成果見表5和表6，計算附圖見圖2-圖3。

表5 輸水干管關閥水錘典型工況計算成果表

表6 輸水干管關閥水錘管道全線計算成果表

圖2 輸水干管最小流量工況關閥水錘計算成果圖

圖3 輸水干管設計流量工況關閥水錘計算成果圖

3.1.3 開閥水錘計算

根據選定的調流調壓閥設計參數，經水力過渡過程仿真計算，各運行工況下開啟閥門時管線無負壓產生，未引起管道斷流彌合水錘[4]。具體計算成果見表7，計算附圖見圖4。

表7 輸水干管開閥水錘典型工況計算成果表

圖4 輸水干管設計流量工況開閥水錘計算成果圖

3.2 平壓水池后1#分水管線水力過渡過程分析

根據工程實施計劃安排，平壓水池后2#-6#分水管線，僅在分水口處設隔斷閥，管線調節設備在后續階段實施。本階段僅對1#分水管線進行水力過渡過程分析[5]。

3.2.1 管道穩態計算

根據選定的調流調壓閥設計參數，各運行工況下的計算成果見表8。

表8 1#分水管穩態計算成果表

3.2.2 關閥水錘計算

根據選定的調流調壓閥設計參數，經水力過渡過程仿真計算，各運行工況下關閉管道末端閥門產生的最大水錘升壓不超過1.3倍最大內水壓力，管線無負壓產生。具體計算成果見表9，計算附圖見圖5。

表9 1#分水管關閥水錘典型工況計算成果表

圖5 分水管設計量工況關閥水錘計算成果圖

3.2.3 開閥水錘計算

根據選定的調流調壓閥設計參數，經水力過渡過程仿真計算，各運行工況下開啟閥門時管線無負壓產生，未引起管道斷流彌合水錘。具體計算成果見表10，計算附圖見圖6。

表10 1#分水管開閥水錘典型工況計算成果表

圖6 分水管設計量工況開閥水錘計算成果圖

4 結論及建議

本工程輸水管線距離長、壓力高，且樁號0+000～33+435段為U型倒虹吸布置，U型管線谷低樁號19+732，最大落差289 m，對管線的安全運行和水錘防護要求較高。根據選定的調流調壓閥設計參數，經水力過渡過程仿真計算，建議輸水干管調流調壓閥全行程開關時間(全開到全關時間或全關到全開時間)不小于900 s，1#分水管調流調壓閥全行程開關時間(全開到全關時間或全關到全開時間)不小于500 s。本階段仿真計算中，缺乏防護設備的特性曲線和參數，僅采用估算值進行了典型分析。建議對關鍵控制和防護設備采用進口品牌，要求供貨商提供所供設備在本工程輸水系統中的水力過渡過程仿真復核計算，并對調流調壓閥進行直徑和開度優化，降低開關閥過程中的管段壓力波動幅度。