基于數值模擬的引水工程的水錘防護研究

【摘要】本文重點介紹了高揚程大流量條件下長距離輸水條件產生的水錘特點，研究了從管材粗糙度的選擇、高揚程大流量輸水中減壓問題水力學問題研究，介紹了高揚程大流量輸水容易產生的水錘類型，對此類工程的安全運行起到一定指導作用。

【關鍵詞】高揚程；大流量；水錘；防護措施

近些年來，我國不斷將聯系各地區間發展的遠距離輸水工程納入建設的重點。而在頻繁不斷的工程建設環節中，安全這一問題日益考驗著人們對于該類工程的信心。普遍來說，我國南方地區屬于多水地帶，要想合理引送水資源，就要考慮當地的丘陵地域問題，此地形高低差距大，綿延不絕。因此，在引送水的管道建設中出現的安全隱患較多。此間最為嚴峻的便是水錘問題，這類問題一直是引水工程建設中的一大難點，如果發生了這樣的問題，便會導致供水體系出現損毀，進而為周圍的居民帶來生活上的困擾，所以更多的人們將目光聚焦于引水工程建設中的管道安全問題上。

1、高揚程大流量輸水的水錘防護

1.1高揚程大流量輸水的水力學研究

流量范圍廣，起伏差度大，運送距離遠的引水工程可以納入重力運輸水的范疇中，由于該工程所覆蓋的范圍廣，并且流量較大，在很大的可能性中會出現同普通的重力運輸水有所差異的情況。比如在管道的材質的選擇上，關乎著該管道能否承受較大的水壓，并且在檢測管道出現的問題與修理當中，工作人員也要加倍注意，這些均在保障該地區人們生活上起到舉足輕重的作用。

1.1.1管材粗糙度的選取

在運送跨距離較遠的水資源時，因為所需要的管道比較長，所以其在這個環節中對于水的損耗是最為大的，不計部分的水頭損耗，而是將這段路程中的水輸送損耗納入計算的范圍內。并且，由于在施工時水源經過的地帶一般都為阻力平方區，因此在一般的工程計算當中以下列的公式作為參考：

根據以上的式子知得到，運輸環節的水管在路途中損耗同水流的速度以及水管表面的粗

糙程度的平方呈正相關的關系，如果水流的流量和管道的橫截面積已經知曉，那么水資源的損耗則只跟水管表面的粗糙程度有關聯。所以，水管表面的粗糙程度在施工環節扮演著舉足輕重的角色。

1.1.2 高揚程大流量輸水中的減壓問題

大高差重力流輸水工程，其原理主要是通過自然形成的地貌特點，從而依靠重力對水進行輸送。在一般的情況下，測壓管的水壓會遠遠高于靜水壓。可一旦水管中的閥門被鎖定，水管內的壓力便跟高低的起伏有著十分緊密的關聯。此間，地勢的起伏越大，管道中的壓力也會隨之攀升。這就對水管抵御強壓的品質提出了較高的要求，對于資金的投入上也是一大難點。所以，科學合理地設立減少壓力的蓄水池，同時對閥門的松緊程度作出適當調整都是解決該類問題的有效辦法。

1.2高揚程大流量輸水容易產生的水錘

1.2.1 關閥水錘

在一般的運行狀態下，承載利用重力輸送水資源的管道所有地方的靜水壓都遠高于測壓管的水壓；如果水管中的閥門被鎖定，那么重力流管道從起始到終止的高度差距便會小于管道中的所能承受的靜水壓值，同時，地勢的起伏越大，管道中的壓力也會隨之攀升。一旦有操作上的失誤，便會導致瞬間管道內的水壓激增。這種情況一旦出現，水管中的水錘波便會成為先從頭傳導到尾的負壓波，而負壓波也會讓水管中的一些地方的壓力遠小于汽化壓，從而導致水流汽化，進而產生斷流水錘；當傳導至尾端時，還會重新以正壓波的形式進行傳導，這樣下來，不斷碰撞中，水管便會經受一波又一波的沖擊，從而對管道的內部結構造成了極大的損毀。

1.2.2斷流彌合水錘

對于管道的直徑較大，起伏差值高，距離長遠的重力引水工程建設中，由于高度的干擾，水流也隨著受到很大的影響。斷流彌合水錘一般是出現于泡沫較少的地帶，而其所能導致的壓力陡升情況非常明顯，實際狀態下能夠提高到2至4倍。因此，施工人員在該地帶的管道材質選取上務必要嚴格地把關質量。從而科學推測出斷流彌合水錘發生的位置尤為必要，這樣能夠事前對其加以防范，進而規避不必要事故的發生。

2、工程實例

2.1工程概況

閻王鼻子水庫工業區的引水建設工程主要是通過河流出口上的6km地帶進行水流的引導，依靠長為46.675km的管道路線到達工業區，總體的長度為51.482km，而具體的高低差距達到682m。同時，施工方將引導水源的流量設置為1.0m3/s。工程將該河水引入，計算得出的引水總量可以達1175萬m3/a。對于管道的水量安排則是保證能夠在第1次引水中就能達到效果，從而可以得到試驗河流每月的具體引導水量圖：

2.2解決方案

對于樁號7個地方可以分別設置一臺箱式雙向調壓塔，而在樁號4個地方分別設置一臺泄壓閥，同時根據情況1中相同的位置設置用于緩沖的排氣裝置，將其流速控制在0.8m/s，同時把關閉閥門的時長控制在300～400s。緩沖泄氣裝置的具體流速為0.8m/s，在較為合適的地方安裝一個泄壓閥，同時再找一個合適的地方安置箱式雙向調壓塔，關閉閥門的時長控制在300～400s的前提下，我們可以知道：首先，可以保證水管的承壓能力可以抵御水錘的最大壓強；其次，在彼此差異較大的工作當中，關閉閥門的時長并沒有對水管內的壓力變化造成任何影響；最后，相較于方案1，本次方案對水錘的壓力調控更為到位。值得工作人員注意的一點便是要將閥門的滯后效果納入考察的范圍內，因為水管中很大程度上會在極短時間發生壓強暴增的情況，所以對于泄壓閥的滯后效果務必要控制在1秒內。如果無法保證，將會出現極其嚴重的后果。

3、結論

通過對運送距離遠的重力引水工程的研究，從而得出了有關解決水錘防治問題的有效辦法。對于運輸水資源的工程建設環節，施工方不單單需要將符合當地居民水量需求的流量值納入考察的范圍，同時也要在生態的保護上作出努力，從而促使整個建設環節不斷完善。而科學合理地設立減少壓力的蓄水池，同時實現控制水流的效果，并且積極對各個分級的水力條件進行穩固，設立流量水位雙控閥也不失為控制水流的一大有效辦法。

參考文獻：

[1]王樹人.水擊理論與水擊計算[M].北京：清華大學出版社，1981