大口徑重力、泵送混合的長距離輸水管線薄弱段分析研究

陳立志

(大連市水務集團水資源有限公司，遼寧 大連 116000；)

0 引 言

根據工程實際地形情況，一般情況下長距離輸水管線輸水方式可選擇重力流和泵送流兩種。通常在工程條件允許的情況下優先選擇重力流輸水方式。但當管線上的閥門關閉操作不當或出現故障時，地形落差越大，管道承受的壓力越大，易發生水錘造成爆管事故[1]。泵送流輸水方式是通過泵站加壓的方式輸水，此類管線運行涉及水泵加壓，事故停泵時導致水錘波疊加引發重大爆管事故[2]。因此，大口徑重力流、泵送流混合的長距離輸水管線更為復雜，一旦產生水錘現象引發爆管事故，將導致全線停運中斷供水，且搶修工作困難，搶修周期長，會帶來重大損失。為預防爆管事故的發生，需有針對性的做好防護措施，因此管道薄弱段分析研究至關重要。

文章以某大口徑重力泵送流混合長距離輸水工程為例，通過構建水力模型，對長輸管線進行薄弱段分析，得出薄弱段等級，并提出相應的薄弱段維護措施。

1 技術路線

輸水管線薄弱段分析技術路線，見圖1：

圖1 輸水管線薄弱段分析技術路線

2 構建水力模型的基本邊界條件[3]

2.1 空氣閥

由于空氣閥的進氣、排氣和管中水流的運動過程是相對復雜的，故只有采用特征線法進行數值模擬計算才能求得比較精確的解。模擬時，假定空氣閥等熵流入空氣閥，且進入管內的空氣積蓄在空氣閥周圍，遵循等溫定律。流入閥的空氣質量流量取決于管內的溫度T、絕對壓力P以及管外大氣絕對壓力P0和絕對溫度T0。空氣的流動速度分為亞音速和臨界音速。

空氣以亞音速等熵流進(P0>P>0.5283P0)：

(1)

空氣以臨界流速等熵流進(P≤0.528P0)：

(2)

當1.894P0≥P≥P0時，空氣以亞音速排除空氣閥：

(3)

當P>1.894P0時，空氣以臨界流速流出空氣閥：

(4)

式中：Cin、Cout為空氣閥流入和排出的流量系數；Ain、Aout為閥的開啟面積；ρ0為大氣密度；P為管內絕對壓力；P0為大氣絕對壓力。

空氣閥邊界方程：

(5)

2.2 單向調壓塔

一般在輸水管道常出現負壓和水柱分離的許多主要特別的地方設置單向調壓塔，比如一些魚背點、主要的峰點、駝峰以及膝部折點等，單向調壓塔與普通的雙向調壓塔比較，塔中的設計水位線不需要能夠達到水泵平時工作時的水力坡度線，所以它的安裝高度不受限制，可以有效的節約造價，消除斷流彌合引起的水錘現象。

調壓塔流量：

Qp1+Qp3=Qp2

(6)

式中：Qp1為流經調壓塔前管內流量，m3/s；Qp2為流經調壓塔后管內流量，m3/s；Qp3為流出調壓塔流量，m3/s。

流經調壓塔后管內流量計算公式為：

(7)

式中：Ca為調壓塔出口流量系數；Ap為補水短管的過流面積，m2；Hp3為調壓塔水位，m；Hp為管中壓力，m。

流出調壓塔流量的計算公式為：

(8)

式中：Smax為調壓塔內浮球閥控制最高水位(常數)，m；Z為塔相對于基準面高度，m；Q3為塔內流量，m3/s；Δt為調壓塔出流時間，s；F為塔斷面面積，m2；

當Hp3≤Hp，Qp3=0時：

Qp1=(-Hp+Cpt)/B1

(9)

Qp2=(Hp+Cm2)/B2

(10)

3 水力過渡過程模型求解

水錘計算方法較多，可采用特征線法。將以偏微分方程式表示的水錘基本方程組轉化為在特征線上的常微分方程，用差分法求解常微分方程[4]。水錘計算的特征差分方程為式(11)-(14)。

QT=Cr-CaHT

(11)

QT=Cn+CaHT

(12)

CT=QL1+CaHL1-CfQL1|QL1|

(13)

Cn=QL2+CaHL2-CfQL2|QL2|

(14)

4 工程薄弱段實例分析

4.1 工程簡介

某工程起點為AS加壓泵站，終點為B水庫。輸水線路全長160km，包括輸水管線148km、輸水隧洞12km、加壓泵站2處(AS加壓泵站和GZ加壓泵站)、排氣閥井352座、檢修閥井25座，單向調壓塔2座等，設計最大供水量88萬m3/d。工程示意圖，見圖2。

圖2 工程示意圖

4.2 工程薄弱段分析原則

根據本工程的實際情況及以往工程經驗，提出以下三方面薄弱段分析原則，工程薄弱段分析原則，見表1：

表1 工程薄弱段分析原則

4.3 工程薄弱段分析

本工程由兩段泵送流、一段重力流混合供水形式構成，針對本工程的實際情況，進行穩態、瞬態薄弱段分析，穩態、瞬態薄弱段分析結果，見表2；AS泵站-GZ泵站穩態壓力分布圖(最不利工況)，見圖3；AS泵站-GZ泵站水錘壓力包絡線(最不利工況)，見圖4；AS泵站-GZ泵站穩態壓力分布圖(常水位工況)，見圖5；AS泵站-GZ泵站水錘壓力包絡線(常水位工況)，見圖6；GZ泵站-隧洞入口穩態壓力分布圖(常水位工況)，見圖7；GZ泵站-隧洞入口水錘壓力包絡線(常水位工況)，見圖8；隧洞出口-B水庫靜壓分布圖(常水位工況)，見圖9；隧洞出口-B水庫穩態壓力分布圖(常水位工況)，見圖10；隧洞出口-B水庫末端關閥水錘壓力包絡線(常水位工況)，見圖11。

表2 穩態、瞬態薄弱段分析結果

圖3 AS泵站-GZ泵站穩態壓力分布圖(最不利工況)

圖4 AS泵站-GZ泵站水錘壓力包絡線(最不利工況)

圖5 AS泵站-GZ泵站穩態壓力分布圖(常水位工況)

圖6 AS泵站-GZ泵站水錘壓力包絡線(常水位工況)

圖7 GZ泵站-隧洞入口穩態壓力分布圖(常水位工況)

圖8 GZ泵站-隧洞入口水錘壓力包絡線(常水位工況)

圖9 隧洞出口-B水庫靜壓分布圖(常水位工況)

圖10 隧洞出口-B水庫穩態壓力分布圖(常水位工況)

圖11 隧洞出口-B水庫末端關閥水錘壓力包絡線(常水位工況)

4.4 工程薄弱段綜合分析

根據工程薄弱段分析原則，結合上述工程穩態、瞬態薄弱段分析結果，對本工程進行薄弱段綜合分析，結果如下：

1)AS泵站-GZ泵站：最不利工況下，2.65km管線綜合評價為“重點薄弱段”，5.13km管線綜合評價為“一般薄弱段”；常水位工況下，1.95km管線綜合評價為“重點薄弱段”，3.05km管線綜合評價為“一般薄弱段”；

2)GZ泵站-隧洞入口：由于該段管線穩態、瞬態均處于安全狀態，因此評價為安全。

3)隧洞出口-B水庫：常水位工況下，0.1km管線綜合評價為“重點薄弱段”，0.35km管線綜合評價為“一般薄弱段”。

5 薄弱段應對措施建議

根據文章中上述工程薄弱段分析，提出相應的薄弱段應對措施建議如下：

1)對于重點薄弱段建議重點監測，并盡快采取換管、加固等措施進行維護，加強日常檢修、巡查次數。

2)對于一般薄弱段：建議重點監測，加強日常檢修、巡查次數。

6 結 語

文章以某大口徑重力泵送流混合長距離輸水工程為例，通過構建水力模型，對長輸管線進行科學、定量的薄弱段分析研究，根據實際情況及工程經驗提出薄弱段分析原則，綜合得出工程薄弱段等級，并提出合理有效的薄弱段維護措施，從而減少管線運行時因水錘引發的爆管事故，減少相關經濟損失。