支管對長距離輸水系統水錘防護的影響

喬恩春

（昌吉市三屯河流域管理處，新疆昌吉 831100）

?

支管對長距離輸水系統水錘防護的影響

喬恩春

（昌吉市三屯河流域管理處，新疆昌吉 831100）

【摘 要】長距離輸水系統中，支管對其水錘壓力有直接影響。本文基于國內外研究情況，構建帶支管供水系統水錘計算模型。以三屯河灌區節水改造工程長距離輸水工程為例，對有無支管水錘防護方案進行對比分析，得出最佳防護方案。研究表明：緩沖排氣閥設置在指定樁號，緩閉止回閥設置于水泵出口，同時增加箱式雙向調壓塔可有效減小水錘危害。

【關鍵詞】長距離輸水；帶支管輸水管道；水錘防護；輸水質量

在壓力管道中的水流，如果其流速發生劇烈變化，會導致其壓力分布發生劇烈變化，從而對管道造成一種“錘擊”，這就是水錘現象。長距離輸水管道具有揚程高、流量大、管線長、壓力大、沿線起伏多等特點。壓力輸水管道中的水流在不同的工況下往往呈現出不同的復雜狀態，為研究帶來了很大的困難。根據流體運動的特點和基本規律，將輸水管線的縱斷面分為升坡段、水平段、降坡段、高點、低點和變陡點。根據氣液兩相流理論，壓力輸水管道中水流狀態可以分為層狀流、波狀流、段塞流、氣團流、泡沫流和環狀流。水錘是一種非穩定的運動，它會對輸水管道造成嚴重的破壞［1］。如下頁表1所列，在長距離輸水工程建設和管理實踐中，根據不同的標準將水錘分為9種基本類型［2］。本文將對長距離輸水系統水錘防護中有無支管所受到的影響進行研究，希望能夠對改善水錘防護方案有積極影響。

表1　水錘現象的分類

1 帶支管水錘計算模型

1.1 水錘波特征計算

對于存在分叉的輸水管道，水錘在通過分叉時會出現反射特征，因此支管對水錘壓力計算結果有著重要影響。如圖1所示，管道（1）有管道（2）和管道（3）兩處分叉，各自的水錘波速度為a1、a2和a3。

圖1　波在分叉管處的反射與通過

對管道（1），其水錘波速度、水錘壓力等變量存在以下等式關系［3］：

對管道（2）和管道（3），其水錘波速度、水錘壓力存在以下等式關系：

式中 F——水錘直接波，不同的下腳標代表不同管道；

f——水錘反射波，不同的下腳標代表不同管道；

H0——輸水管道的初始壓力值；

V0——輸水管道內水流的初始流速；

x——監測點與初始點（x=0）之間的距離值；

H1x、H2x、H3x——管道（1）、管道（2）和管道（3）中任意x點的水錘壓力值；

V1x、V2x、V3x——管道（1）、管道（2）和管道（3）中任意x點的水流速度。

分叉點處，水錘壓力值、水流速度等參數存在以下關系：

對式（1）、式（2）、式（3）和式（4）聯立求解，有

式中 S1——通過系數；

r1——反射系數。

令

可得

1.2 停泵時水錘特征計算

在水利工程中，通常采用三通管道裝置支管，當發生停泵時，增壓波計算公式為：

式中 a——水錘波速；

f——過水斷面系數；

r——水錘反射系數；

W0——增壓波。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

本研究中的長距離輸水工程管道設計流量1.3m3/s，設計總長度62km，包含一條主干管道以及若干條支干管道。全部工程擬分兩期完成，其中第一期需要完成10.5km的主干管道及11.5km的支干管道。支干、主干沿線均設計有井室、檢修閥以及排氣閥。

2.2 有無支管水錘防護方案對比

該輸水工程工況1、工況2的管道參數分別如表2、表3所列。工況1只有主干管和南支干管輸水；工況2中主干管、南支干管、北支干管均通水運行。

表2　工況1的管道參數

表3　工況2的管道參數

在對工況1進行計算時，將南支干、主干管道視為主干管道，計算干管長13.85km，計算總長13.85km；在對工況2進行計算時，將南支干、主干管道視為主干管道，將北支干作為支干管道，計算干管長13.85km，支管長8.3km，計算總長22.15km。通過計算，工況1的管道縱斷面簡圖、穩態運行壓力情況如圖2所示，工況2的管道縱斷面簡圖、穩態運行壓力情況如圖3所示。

本文提出的水錘防護方案：在指定樁號處設置緩沖排氣閥，將緩閉止回閥設置在水泵出口，并增加箱式雙向調壓塔。

圖2　工況1的管道縱斷面簡圖及穩態運行圖

圖3　工況2的管道縱斷面簡圖及穩態運行圖

緩沖閉合流速設計為0.3m/s。在總關時間360～60s、快關時間10～5s、快關角度為70°～60°時，通過模擬計算可以得到工況1、工況2管道內的水錘壓力變化趨勢圖。

在總關120s、快關角度70°、快關時間20s、調壓塔閉合流速0.3m/s時，工況1的水頭壓力包絡線如圖4所示；在總關120s、快關角度70°、快關時間20s、調壓塔閉合流速0.3m/s、樁號12 +250和0 +000處設置雙向調壓塔時，工況2的水頭壓力包絡線如圖5所示。

圖4　工況1情形下管線的水頭壓力包絡線

圖5　工況2情形下管線的水頭壓力包絡線

通過比較工況1和工況2的水錘壓力變化圖，可以發現：

a.工況1所需要的雙向調壓塔數量少于工況2。

b.工況1、工況2都成功地將水錘壓力控制在管道承壓上限之下，二者都具有理想的降壓性能，閥門對管道壓力的影響極小，幾乎可以忽略。

c.該方案在長距離輸水管道水錘防護方面的效果較好，能夠使管道安全穩定運行。

3 最佳水錘防護措施

3.1 最佳防護措施說明

本研究中水錘防護方案設置的箱式雙向調壓塔不僅能夠有效地控制水錘壓力，而且可以通過注水作業在降水高峰期調節洪峰，從而對抗洪工作有間接作用。與超壓泄壓閥不同，箱式雙向調壓塔能夠擺脫對先導閥、外導管的依賴，通過直接活塞控制來避免設備保護拒動；極小的回位誤差能夠提升調壓塔的反應速度，對管道內壓力變化及時反應，從而縮短水錘的形成及持續時間；箱式雙向調壓塔對所有類型水錘都具備防護功能，尤其是在升壓水錘防護中具備十分理想的效果。

3.2 設備技術要求

緩沖排氣口徑越大，負壓處理性能就越良好。盡量保證管道注氣的充足性，將管道負壓水頭降低在3.5m以下，保持管道內水壓具備良好的穩定條件。另外，排氣閥排氣速度需要穩定，且排氣能力始終足夠大，在避免對管道水流速度造成波動的同時，也要防止管道內存有的注射氣體過大造成氣體堵塞。

箱式雙向調壓塔的泄壓值必須高于其安裝處水壓最大值且需保持恒定。當輸水管道內部壓力出現異常時，箱式雙向調壓塔做出及時反應，直接對管道壓力進行調節。用戶可以根據自身需要對箱式雙向調壓塔進行緩閉，且可以調整緩閉時間長度。箱式雙向調壓塔運行過程中，不發生震顫和撞擊，確保設備在穩定狀態下運行。用戶可以為箱式雙向調壓塔增加輔助水箱，以應對調壓用水量異常情況。

4 結 論

在遠距離輸水工程中，通常需要設置若干支干管道。相比較于只運行一條主干管道的情形，支干管道的設置和運行會提升管道水錘壓力復雜性。結合國內外研究進展，構建了帶支管供水系統水錘計算模型，以三屯河灌區節水改造工程為例，對有無支管水錘防護方案進行對比分析，得出最佳防護方案。研究表明：為了更好地進行主干管道、支干管道水錘防護，需要設置更多的箱式雙向調壓塔。因此，在制訂管道水錘防護方案時，需要將支干因素納入水錘計算模型中，從而提升輸水工程整體水錘防護方案的精確性。■

參考文獻

［1］ 楊宇.長距離有壓輸水系統防水錘設計探析［J］.水利建設與管理，2015（9）：35-37.

［2］ 楊樹紅.烏魯瓦提水電站抗磨蝕防護技術探討［J］.中國水能及電氣化，2013（7）：34-38.

［3］ 呂歲菊，馮民權，李春光.有壓輸水系統停泵水錘數值模擬及其防護研究［J］.人民黃河，2013（11）：124-126.

Influence of branch pipe on long-distance water conveyance system water hammer protection

QIAO Enchun
（Changji Santun River Basin Management Office，Changji831100，China）

Abstract:Branch pipe has direct influence on thewater hammer pressure in long-distancewater conveyance system.In the paper，water hammer calculation model with branch pipewater supply system is constructed based on domestic and foreign research situation.Santun RiverWater-saving Improvement Project long-distance water conveyance project is adopted as an example.The water hammer protection planswith orwithoutwater hammer are comparatively analyzed.The best protection plan is obtained.Research shows that buffering exhaust valve is installed in the specified pile number.The slow closure check valve is set in the outletofwater pump.Meanwhile，box-type two-way pressure regulating tower can be increased for effectively reducing the damage caused by water hammer.

Key words:long-distance water conveyance；water pipelinewith branch pipe；water hammer protection；water conveyance quality

DOI：10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2016.04.008

中圖分類號：TV672 +.2

文獻標志碼：A

文章編號：1005-4774（2016）04-0032-04