引漢濟渭工程長距離有壓輸水管道水錘計算分析

王智陽　魏燕　連陽陽

關鍵詞：長距離輸水;壓力管道;水錘;特征線法;水力過渡過程;引漢濟渭工程

中圖分類號：TU991.39 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.024

引用格式：王智陽，魏燕，連陽陽.引漢濟渭工程長距離有壓輸水管道水錘計算分析[J].人民黃河，2022，44（3）：122-127.

長距離有壓管道輸水水流條件復雜、沿程磨損較大，且運行過程中閥門的調節或事故的發生等都會導致沿線的流量、流速、壓力等水力參數發生急劇變化，進而引起水錘現象，對輸水過程造成不利影響，嚴重時還會造成輸水管道爆裂[1-6]。因此，為了滿足實際輸水需要，保證輸水管線安全運行，在工程設計和優化運行時，對有壓輸水管道進行水力過渡過程計算，并選擇安全可靠、方便合理、經濟實用的水錘防護措施具有重要的意義。

近年來，國內學者對有壓輸水管道系統伴有空穴流、液柱分離兩相瞬變流現象的研究取得了較大進展。楊開林等[7]對輸水管道氣泡動力特性進行了研究;黃玉毅等[8]對有壓輸水管道系統發生液柱分離現象進行了理論研究;宋張馳[9]在水錘理論分析的基礎上進行了斷流彌合水錘實驗，通過控制不同的關閥時間，監測發生斷流彌合水錘時管道流量變化值及測壓點壓力變化值，用實驗數據進一步指導水錘的理論研究。

引漢濟渭工程是陜西省境內的一項跨流域調水工程，輸配水工程作為引漢濟渭工程的重要組成部分，由黃池溝配水樞紐、南干線、北干線及相應的輸水支線組成。北干線黃池溝配水樞紐至板橋出水池段輸水線路長、流量大，輸水線路沿線地勢起伏不平，管線最低處管內最大凈水頭差約101m，有壓管道內水流流速急劇變化，容易出現水錘現象，導致管道系統產生振動或者爆裂。因此，進行輸水管線水力過渡過程計算，分析水力過渡過程中的水流特性，對輸水管道的設計和運行具有重要意義。

筆者采用特征線法，通過建立長距離輸水管線水錘計算數學模型，對引漢濟渭二期工程北干線黃池溝配水樞紐至板橋出水池段輸水管道系統穩定運行狀態、調整運行狀態、檢修切除管段運行狀態（分水口控制流量、分水口控制開度）和爆管狀態下的水錘現象及變化規律進行了分析研究，確定了閥門最優開閉規律和操作規程，為引漢濟渭工程輸水管線的安全運行提供理論支撐，也為類似長距離輸水管線的工程設計和運行管理提供借鑒。

1基本資料

1.1工程概況

引漢濟渭二期工程由黃池溝配水樞紐、南干線黃池溝至灞河分水口段和北干線黃池溝至涇河新城分水口段等骨干工程組成。北干線全長約89.5km，始端設計流量30m/s，其中黃池溝至板橋出水池段全長約39.5km，沿線地形起伏高差大，全段采用重力流壓力管道輸水。黃池溝配水樞紐作為調水工程和輸配水工程的銜接點，由分水池、池周進出水閘、池底泄洪設施、黑河連接洞、黃池溝黑河供水連通洞組成，具有“兩進、三出、一放空、一溢流”的綜合使用要求。

上黃池進口接北干線黃池溝隧洞出口，出口接壓力管道閘室，作為水力連接通道，無調蓄要求。按設計流量輸水時，進水池設計水位514.13m，出水管中心高程505.18m，池水位與管中心高差8.95m;小流量（5.5m/s）輸水時，擬通過板橋進水池設置的調流調壓閥控制，實現淹沒要求。板橋出水池由管道段、調流調壓段、出水池段組成，池頂高程500.00m，出水池設計水位498.00m。管道段總長72.05m，將2根DN3400鋼管通過分水器分為8根DN1600鋼管，接入調流調壓段。調流調壓段總長41.90m，8根DN1600鋼管依次布設超聲波流量計、半球閥、調流調壓閥及半球閥，然后進入出水池。上黃池至板橋段連通閥、分水閥布置如圖1所示（1為連通閥;2、3為前閥;4、6為后閥）。

1.2壓力控制及水錘防護標準

根據《泵站設計規范》（GB50265—2010）、《水電站壓力鋼管設計規范》（SL/T281—2020）、《調水工程設計導則》（SL430—2008）的規定，并結合工程管線布置特征，水錘計算壓力控制標準如下：①在各種設計工況下運行時，管道不應出現負壓;②采取水錘綜合防護設計后的輸水管道系統不應出現水柱分離，瞬時最高壓力不應大于工作壓力的1.5倍;③管道頂端至少在最小壓力（壓力均以水頭計，下同）線以下2m;④壓力涵管的最小壓力不宜小于2m，在管道出口處可根據情況適當降低，但不應小于1m。

根據以上標準，確定該工程的防護標準為：①采取水錘綜合防護設計后的瞬時最高壓力不超過管道設計壓力。②非進、出口管段，采取水錘綜合防護設計后的瞬時最高壓力不大于工作壓力的1.3倍。上黃池至板橋出水池壓力管段，計算最高壓力倍數時以板橋出水池處末端閥全關、上黃池水位514.88m的靜水壓力為基準工作壓力。因此，靜水壓力在4～105m范圍，且最低管道設計壓力80m，計算最高壓力倍數時只考慮靜水壓力超過35m的非進、出口管段。③正常運行狀態切換或過渡工況采取水錘綜合防護設計后，非進、出口管段的壓力管道頂端的最小壓力不小于2m，進、出口管段壓力管道頂端的最小壓力不小于1m。

2計算基本原理及計算模型

2.1水錘計算基本原理

水錘基本方程理論基礎是非恒定流的力學規律和連續原理，通過運動方程和連續方程反映水力過渡過程中不穩定水流的流速和水頭變化規律[10-13]。水錘計算基本微分方程可在特征線方向轉換為全微分方程：

2.3水力過渡過程計算模型

對武漢大學開發的復雜管路多泵系統水力過渡過程計算軟件進行升級，建立連通閥（7閥組合，不需要旁通閥時取關閉狀態）計算模型，計算界面如圖3所示。可根據需要設置主閥和旁通閥的開度，也可擬定兩階段關閥的過程（計算中按蝶閥或球閥給出性能曲線）。針對檢修閥（4閥并聯組合，用不到的閥門取關閉狀態）、調流調壓閥、分水口（因分水口后面管道系統未知，故只考慮分流流量，假定在分水口處有一個閘閥，分流流量隨閘閥開度變化）等均建立了計算模型。

3計算結果分析

3.1系統穩定狀態

對系統設計流量和最小流量兩種穩定運行狀態進行了分析計算。設計流量穩定運行狀態考慮末端調流調壓閥全開以最大流量放水及末端調流調壓閥部分開啟以設計流量放水兩種工況。最小流量穩定運行狀態只考慮單根供水管線運行，沿程檢修閥全開、連通閥全閉，末端調流調壓閥部分開啟工況。系統穩定運行狀態水力過渡過程計算結果見表1，管道壓力沿程分布線見圖4。

計算結果表明：①末端調流調壓閥全開最大流量運行時，管道首端流量31.78m/s、末端流量24.78m/s，均大于設計流量（首端30.0m/s、末端23.0m/s）;②末端調流調壓閥部分開啟、設計流量運行時，調算得到末端調流調壓閥的開度為11.31%;③最小流量運行時，調算得到末端調流調壓閥的開度為1.29%，在此開度下，單管道首端流量5.0m/s，末端流量3.83m/s;④系統穩定運行狀態下，全線最大壓力出現在沙河倒虹吸處（樁號15+578附近），非進出口段管頂最小壓力均大于2m，滿足規范要求。設計流量運行時，全線最小壓力出現在出口板橋出水池處;最小流量運行時，全線最小壓力出現在上黃池的管道首端。

3.2系統調整運行狀態

系統調整運行狀態為由初始充滿水零流量的靜壓狀態啟動到設計流量運行。對系統起運過程、停運過程、設計流量運行過渡到最小流量運行、最小流量運行過渡到設計流量運行、并管運行狀態（按最不利情況考慮，假定一根管線按設計流量運行，另一根管線沒有運行，分水閥、末端閥全關）5種工況進行了計算。系統調整運行狀態水力過渡過程計算結果見表2。

計算結果表明：①系統調整運行狀態，需要相應地改變末端調流調壓閥的開度，由此容易產生較大的關閥水錘。系統停運時關閥水錘產生的壓力波動更大，利用末端調流調壓閥來延長關閉過程，水錘壓力均在允許范圍內。②系統調整運行狀態全線最大壓力110.593m，相比于工作壓力（靜水位514.88m下的壓力），全線最大壓力倍數1.481，非進出口段最大壓力倍數1.247，滿足“非進出口段最高壓力不大于工作壓力的1.3倍”的要求;全線最小壓力5.244m，高于防護要求最小壓力（-1.81m），不會出現水柱分離。因此，主管末端設置調流調壓閥并緩慢關閉以進行工況切換是非常必要的。③當兩根管運行狀態差別較大時，打開連通閥會產生開閥水錘，且振蕩較劇烈，主要原因是連通閥不帶通閥，會加劇水錘。因此，連通閥的開關時間應取較長時間，計算中取180s，實際操作時可取更長。

3.3系統檢修切除管段運行

對系統按設計流量運行時某管段發生故障或需要檢修切除部分管段進行了模擬計算，分別考慮控制分水閥流量和開度兩種情況，并設定7段（連通井、退水閥、檢修閥）檢修工況。系統檢修狀態水力過渡過程計算結果見表3。

計算結果表明：①控制分水閥流量的壓力波動較控制分水閥開度的壓力波動更大，原因是采用控制分水閥開度時，假定外面壓力不變，導致邊界條件起到了調蓄作用。控制分水閥開度的分水流量波動情況表明，切換部分管段后，在不加大末端調流調壓閥開度的情況下，系統各分水口的流量均可達到設計流量的70%。②為減小壓力波動，調算確定檢修切換時，連通閥在180s內打開，各主閥開閉時間為480s（原初步計算確定為主閥開閉時間180s，旁通閥的主閥開閉時間為300s，旁通閥不參與正常運行中的工況切換），計算得到正常切換后的壓力都在允許范圍內。③系統檢修切除管段運行狀態下，全線最大壓力104.858m，相比于工作壓力（靜水位514.88m下的壓力），全線最大壓力倍數1.062，滿足“最高壓力不大于工作壓力的1.3倍”的要求;全線最小壓力3.422m，高于防護最小壓力-6.0m;管頂最小壓力1.722m，但最小壓力出現在出口段，仍滿足“管道頂端的最小壓力水頭，非進、出口段不小于2m，進、出口段管的不小于1m”的防護要求，不會出現水柱分離。

3.4爆管計算

考慮較低位置PCCP管發生爆管的極端工況，以復核管道極端情況下的壓力，并在不引起二次水錘情況下進行閥門操作。假設在1號管線上進口閘和1#連接閥井之間（樁號7+200）發生爆管，由于爆管屬于非常工況，因此模擬計算允許水流汽化，可采用水柱分離模型，爆管點可近似處理為泄壓閥突然打開（按最不利情況，設泄壓閥在2s內突然完全打開）。分別對爆管不關閥、先打開連通閥再切除爆管段、先切除爆管段再打開連通閥3種工況進行了計算。爆管狀態水力過渡過程計算結果見表4。

爆管狀態水力過渡過程計算結果表明：①爆管口面積占主管面積100%時，計算得到爆管后全線最大壓力為123.878m，全線壓力升高，但未超過管道的設計壓力;全線最大壓力倍數2.441，非進出口管段最大壓力倍數1.616，不能滿足“非進出口段最高壓力不大于工作壓力的1.3倍”的要求;全線最小壓力-9.5m，全線發生了大范圍的水柱分離及再彌合。②針對不同的爆管面積比情況進行計算，以不引起二次爆管為原則，擬定了將爆管點所在段切除的相應閥門操作程序。結果表明：如果先連通兩根主管，再切除爆管段，則可利用2號管線向發生爆管的1號管線補水，連通閥打開時間180s，切除爆管段的主閥可以在480s內關閉，但2號管線受影響較大;如果先切除爆管段，再連通兩根主管，則因爆管泄漏流量大，故切除爆管段的主閥關閉時間需要1200s，然后打開連通閥時間300s，關閥時間較長，棄水量大，但2號管線受影響較小。因此，從系統安全性及供水可靠性出發，建議發生爆管時，先切除爆管段，再連通兩根主管。

4結論

根據引漢濟渭二期工程北干線上黃池至板橋段輸水管線工程特點，利用水錘數值分析軟件建立了長距離輸水管線水錘計算基本模型，采用特征線法對39.5km的壓力管道系統穩定運行狀態、調整運行狀態、檢修切除管段運行狀態（分水口控制流量、分水口控制開度）和爆管時的水力過渡過程進行計算，對輸水管道系統末端閥門的關閉和打開方式進行了優化分析，確定了閥門的操作規程。結果表明：

（1）系統穩定狀態運行時，在不調小末端調流調壓閥開度的情況下，管道首端流量31.78m/s、末端流量24.78m/s，滿足設計要求的供水能力。

（2）系統調整運行狀態時，通過減小末端閥開度以減小系統流量容易產生較大的關閥水錘壓力，主管末端應設置調流調壓閥并緩慢關閉以進行工況切換。

當兩根管運行狀態差別較大時，打開連通閥會產生開閥水錘，且振蕩較劇烈，連通閥的開關時間應取較長時間，本次計算取180s，實際操作時可取更長。

（3）系統檢修切除管段運行時，控制分水閥開度的分水流量波動情況表明：切換部分管段后，在不加大末端調流調壓閥開度的情況下，系統各分水口的流量均可達到設計流量的70%，因此控制分水閥流量在設計流量的70%是可行的。此外，為減小波動壓力，連通閥在180s內打開、各主閥開閉時間為480s，正常切換后的壓力都在允許范圍內。

（4）若PCCP管發生爆管，爆管口面積占主管面積100%時，全線壓力升高并發生大范圍的水柱分離及再彌合，但整體未超過管道設計壓力。此外，通過研究爆管狀態下爆管點所在管段切除相應閥門的操作規程可以看出，發生爆管時先切除爆管段，再連通主管，可保證系統安全性及供水可靠性。

【責任編輯 張華巖】