設有支路連接調節池的重力流長管道水錘防護

肖 學，李傳奇，楊幸子，韓典乘

(山東大學土建與水利學院， 濟南 250061)

長距離重力流輸水管道工程利用水流的落差，實現在無水泵等外在動力源條件下的輸水。由于其往往具有落差大、管線長、流量大等特點，在開關閥輸水過程中會引起沿程管線水力條件的急劇變化，嚴重時會對管路造成破壞。因此，對長距離重力流輸水管道工程的開關閥水力過渡過程進行數值模擬，進而提出合理的輸水方案，避免管道發生水錘破壞意義重大。

對于水錘壓力研究，國外采用的計算方法有：特征線法、有限差分法、有限體積法、有限元法等[1-3]，目前使用最為廣泛的為特征線法。國內學者對水錘問題的研究主要是基于特征線法，進行水錘計算與防護措施的相關研究[4-9]。本文基于特征線法，對設有與主干管以支路形式近距離連接的調節池的長距離重力流管道輸水方案進行數值模擬分析研究，為工程安全輸水提供參考。

1 工程概況

本工程輸水管道長29.7 km，設計輸水流量3.4 m3/s，采用管徑DN1600鋼管和PCCP管分段鋪設，管道兩端分別為水庫(0+000，設計水位130.5 m)和干渠(29+700，設計水位31.0 m)。管道高程圖見圖1。

圖1 管道中心高程線Fig.1 Pipeline elevation

同時，工程中建設有3座高程遞增的泵站(PS1# 、PS2#、PS3#)并聯入管路，以實現雙向輸水。泵房PS2#、PS3#前設有調節池，為防止調節池水位過高頂托頂板，在調節池靠近頂板處的側壁上均設有圓形溢流孔，泵房(PS2#、PS3#)與調節池(P1、P2)之間均設有閥門，調節池P1、P2與主干管支路連接管道長度分別為77.0、73.0 m。各級泵站外側鋪設有繞過泵房和

調節池的旁通管，3段旁通管上各設置有一閥門(V1、V2、V3)，水泵由干渠向水庫抽水時旁通管上3個閥門均關閉不通水。管道沿程共設置排氣閥(AV)32 座，水錘泄放閥(SV)3座。輸水工程平面布置簡化示意圖如圖2所示。

正常情況下，由干渠引水經三級泵站逐級抽水至上游水庫，為正向輸水；而在汛期通過重力自流方式把上游水庫的水引入干渠，實現雨洪水的綜合利用，為反向輸水。正向輸水過程中，旁通管上的3座閥門始終關閉，泵房和調節池前后閥門按照操作程序開啟。反向輸水時，主要是關閉泵房和調節池前后閥門保護水泵機組，而利用旁通管上3座閥門的啟閉操作，達到反向輸水的目的。正反向輸水方向相反。本文主要針對汛期由上游水庫向下游干渠重力流輸水過程進行水錘防護研究。

圖2 輸水工程平面布置簡化示意Fig.2 Brief description of plane layout of water delivery project

2 防護內容

依據設計規范[10]及實際工程防護要求，主要從管道設計壓力與開關閥水錘進行比較分析，防止發生管道受內壓過大而受損；同時，所選方案必須避免負壓過大而出現水柱分離。因此，需要選取安全合理的開關閥方案，實現反向輸水。根據工程實際建設情況，管段樁號5+600-6+500(設計值0.6 MPa，N1段)、6+500-8+050(設計值0.8 MPa，N2段)、8+050-9+700(設計值1.0 MPa，N3段)、17+700-18+700(設計值0.8 MPa，N4段)、19+100-22+500(設計值1.0 MPa，N5段)為重點防護部位，其他管段采用鋼管或設計值在1.2 MPa以上的PCCP管。為實現安全輸水，需要對開關閥對象、順序、閥門開度和時間、調節池在反向輸水過程中是否與主干管聯通等不同方案進行比較，合理選取。

3 模型建立與模擬分析

3.1 模型建立

本文基于特征線法，根據各段管道長度和節點高程、水錘泄放閥、空氣閥、水位等參數構建數值模擬模型。其中上游水庫水位取130 m，下游干渠水位取31 m；中間調節池P1、P2水位分別為56、86 m；水錘泄放閥SV1、SV2、SV3放泄臨界值分別取110、90、55 m壓力水頭；水體汽化壓力水頭臨界值為-9.9 m。

3.2 開 閥

反向輸水主要控制旁通管道上的三座閥門(V1、V2、V3)開度與時間關系，實現合理的水錘防護。必要時可利用調節池的調節作用(正向輸水時，調節池起到級間泵站水流過渡的作用)，將調節池前閥門(V6、V9)適當打開一定開度(V4/V5/V7/V8/V10/V11始終保持關閉)，使調節池與反向輸水主干管聯通。由于在反向輸水之前，正向輸水已經進行，水泵機組停機后管道為滿管狀態，且由PS3#-PS2#-PS1#逐級停泵，調節池儲水達到4 000 m3以上；同時在反向供水之前，將管道與水庫水流阻斷的閥門V12開啟。

在3.4 m3/s輸水流量且閥門V1、V2、V3保持全開時，管道總水頭損失為36.63 m，采用將上游的閥門減小一定開度以控制輸水流量(將閥門V3開度控制在24.9%)。

根據實際情況，本文對4種(1-a、1-b為方案1，2-a、2-b為方案2)不同的開閥方案進行對比分析，選取最合理方案。不同開閥水錘防護方案控制條件見表1。

開閥水錘模擬及分析如下。

(1)方案1模擬及分析。圖3為方案1-a、1-b，為上游水庫至下游干渠依次開閥(V3-V2-V1)，且調節池并沒有參與整個反向輸水過程時，管道壓力水頭變化曲線。相比1-a方案，1-b開閥時間明顯延長，沿程管道的最大壓力水頭由126.7 m(27+309)下降為125.6 m(25+438)，最小壓力水頭由-7.6 m(8+853)下降到-6.4 m(8+853)。延長開閥時間時管道水錘壓力有所減輕，但是效果并不明顯。

表1 不同開閥方案控制條件Tab.1 Different operation plans

圖3 方案1沿程管道壓力水頭變化曲線Fig.3 Pipeline pressure head change curve of plan one

(2)方案2模擬及分析。方案2具體步驟為：先開啟中間調節池P2進水閥門V6(至20%開度)，接著開啟管道中間閥門V2，待V3-V1之間段管道壓力水頭變化穩定后，緩慢關閉調節池進水閥門V6(200 s線性關閉)，最后依次開啟V3、V1。方案2壓力水頭變化曲線見圖4。

圖4 方案2沿程管道壓力水頭變化曲線Fig.4 Pipeline pressure head change curve of plan two

對比圖2(a)和圖2(b)，當適當延長閥門開啟時間時，沿程管道正壓水錘減小，最大壓力水頭由118.8 m(25+438) 減小到 115.9 m(29+277)、最小壓力水頭由-5.7 m(5+354)增至-7.4 m(8+853)。與1-b方案相比，2-b方案在利用調節池的情況下適當地改變了V2與V3開閥先后順序，2-b方案最大正壓水錘減小(1-b最大壓力水頭為125.6 m，2-b最大壓力水頭為115.9 m)，但負壓水錘有所增大(1-b最小壓力水頭為-6.4 m、2-b最小壓力水頭為-7.4 m)。

(3)方案3模擬及分析。方案3在開啟V3之前，首先將調節池P1前閥門V6(至20%開度)、調節池P2前閥門V9(至20%開度)開啟，再依次開啟V3、V2、V1，待整段管道壓力水頭變化相對平穩后，再依次關閉閥門V6(200 s線性關閥)、V9(200 s線性關閥)以保持3.4 m3/s流量正常輸水。管道沿程壓力水頭變化曲線如圖5所示。

圖5 方案3沿程管道壓力水頭變化曲線Fig.5 Pipeline pressure head change curve of plan three

根據圖5，不難看出整段管道最大壓力水頭線總體上可分為4段(第一段0+000-5+335、第二段5+335-15+140、第三段15+140-29+6100、第四段29+610-29+700)，以閥門V3、V2、V1為分隔點各段內壓力水頭總體上呈階梯式遞增趨勢，第一、二、三段管道最大壓力水頭值分別為49.0、69.4、67.4 m。方案3整段管道的最大壓力水頭值為69.4 m(15+037)，與1-b、2-b方案相比分別減小近44.4%、39.7%，且最小壓力水頭值為-3.2 m(5+334)，管路沿程負壓基本消除。

(4)方案4模擬及分析。方案4在開啟V2之前，首先將調節池P1前閥門V6(至20%開度)、調節池P2前閥門V9(至20%開度)開啟，再依次開啟V2、V3、V1，待整個管道壓力水頭變化平穩后，再依次關閉V6(200 s線性關閥)、V9(200 s線性關閥)，以保持整個管路正常輸水。管道沿程壓力水頭變化曲線如圖6所示。

圖6 方案4沿程管道壓力水頭變化曲線Fig.6 Pipeline pressure head change curve of plan four

方案4與方案3第一段管道最大壓力水頭均為49.0 m，第二、三段最大壓力水頭分別為41.6、63.3 m，第二、三段最大壓力水頭值均小于方案3。方案4沿程管道最大壓力水頭值為63.3 m(29+277)，僅樁號5+335附近出現明顯負壓(壓力水頭為-4.5 m，閥門V3下游端)，不會出現水柱分離。

(5)不同開閥方案對比分析。根據以上4種方案模擬結果，結合重點防護的管段部位得到表2。將表2與對應管段部位設計所能承載的壓力水頭值進行對比，選取最安全合理的開閥方案。

表2 不同開閥方案的部分管段壓力水頭值 m

表2 結果表明：方案1-a(N1、N4、N5段)、1-b(N1、N5段)、2-a(N1、N4、N5段)、2-b(N4、N5段)超過管路設計所能承載的壓力水頭值；方案1-a(N2段)、方案2-b(N1段)等接近管路設計所能承載的壓力水頭值，均存在安全隱患；方案3各段壓力水頭值與對應管路設計所能承載的壓力水頭值之差的最小值為21.6 m(N1段)，方案4各段壓力水頭值與對應管段設計所能承載的壓力水頭值之差的最小值為40.5 m (N4段)，僅樁號5+334出現-4.5 m負壓水頭,其他部位負壓水頭較小。較方案3而言，方案4沿程壓力水頭小，更加安全可靠。綜合比較，開閥采用方案4最為合適。

根據以上方案可知：在設有與主干管以支路形式近距離連接的調節池的長距離重力流輸水管道工程中，采用輸水首先聯通調節池與主干管，再依次開啟管道中間閥門、上游進水端閥門、下游出水端閥門的操作方案，可有效降低管道輸水過程中開閥水錘壓力。

3.3 關閥水錘模擬及分析

重力流管道停水可以采用關閉管道下游閥門保持管道充滿狀態和關閉上游進水閥門放空全部管道兩種方式[10]，考慮到后者在重新啟動輸水工程時需重新進行沖水排氣，整個過程耗時費力，同時過程難以控制，因此本文首先研究前者的可行性。

滿管關閥停水以方案4穩態輸水的情況為基礎，具體方案為： 關閉閥門V1之前先開啟調節池P2前閥門V9(200 s線性開閥至35%開度)、調節池P1前閥門V6(200 s線性開閥至40%開度)，在將V3關閉至10%開度條件下，再采用550 s線性關閉輸水管道末端閥門V1，待整個管道壓力水頭變化趨于穩定后，依次關閉管道上閥門V9(200 s關閥)、V6(200 s關閥)、V2、V3。模擬結果沿程管道壓力水頭如圖7所示。

圖7 滿管關閥停水方案沿程管道壓力水頭變化曲線Fig.7 Pipeline head pressure head change curve of cutting off V1 firstly

根據圖7可以看出：采用上述的關閥停水方案，重點防護各段管路最大壓力水頭均沒有超出管路設計所能承載的壓力水頭值，負壓水頭嚴重部位5+334(-5.4 m)、27+938(-5.6 m)，且管路壓力水頭超過100 m管段沒有超出設計所能承載的壓力水頭值，該方案可以實現安全停水。

上述分析可知：在設有與主干管以支路形式近距離連接的調節池的長距離重力輸水管道工程中，停水首先聯通調節池與主干管、再依次關閉下游端出水閥門和調節池與主干管連接閥門的操作方案，可以有效降低管路水錘壓力。

綜合上述的開閥和關閥方案，最終確定輸水流程如圖8所示。

4 結 語

基于特征線法，對設有與主干管以支路形式近距離連接的調節池的長距離重力流管道輸水方案進行數值模擬分析研究，結果表明：

圖8 整個輸水流程Fig.8 Chart of water delivery

(1)輸水開閥采用首先將閥門V6(至20%開度)、V9(至20%開度)開啟，再依次開啟V2(120 s線性開閥至100%開度)、V3(80 s線性開閥至24.9%開度)、V1(60 s線性開閥至100%開度)，待整個管道壓力水頭穩定后再依次關閉V6(200 s線性關閥)、V9(200 s線性關閥)，可以實現安全輸水。

(2)停水關閥采用首先將閥門V9(200 s線性開閥至35%開度)、閥門V6(200 s線性開閥至40%開度)開啟，在將V3關閉至10%開度條件下，再采用550 s線性緩慢關閉輸水管道末端閥門V1，待整個管道壓力水頭變化趨于穩定后，依次關閉管道上閥門V9(200 s關閥)、V6(200 s關閥)、V2、V3，可以實現安全停水。

(3)在設有與主干管以支路形式近距離連接的調節池的長距離重力輸水管道工程中，合理的利用調節池以及開閥時間、順序操作，可以有效減小主干管管路開關閥產生的水錘壓力，保障管路安全輸水。

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