長距離輸水系統串聯多阻抗調壓室的水錘防護效果

梁圣辰，張 健，賀 蔚，唐洪武，肖 洋，何 平，廖峻杰，蔣 捷

(1.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098；2.水安全與水科學協同創新中心，江蘇 南京 210098；3.廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635)

長距離輸水工程能夠有效連通各大水系、解決水資源分配問題[1-2]。由于地形落差往往需要水泵加壓輸水[3]，但水泵抽水掉電后，降壓波向管線下游傳播，壓力較小處壓力可能降至汽化壓力，導致水柱分離[4-6]，水柱彌合后可能產生巨大壓力，嚴重破壞管線水力元件，造成經濟損失，故需要在系統管線設置水錘防護措施。

張健等[7-10]對空氣閥、單向塔、雙向調壓室、空氣罐、超壓泄壓閥、泵后蝶閥兩階段關閉等常用水錘防護措施進行了詳細研究，朱雪強等[11-13]研究表明，針對一些特殊輸水工程，聯合防護方案能取得良好的防護效果。針對調壓室，童祥等[14]系統研究了阻抗孔面積與輸水管道面積的合理比值，陳嵐等[15]給出了串聯雙調壓室臨界斷面的設計方法，張帥等[16]分析了上游串聯雙調壓室的合理尺寸，張健等[17]探討了氣墊調壓室臨界斷面計算中的合理參數取值，周建旭等[18]建立不同水力模型對設置并聯調壓室的水電站穩定性進行了討論。

在長距離、大流量輸水系統中，水流慣性往往較大，對于出水池水位較低而管線布置高程較高的輸水系統，水泵抽水掉電后泵后管線壓力除了受第一波降壓波影響外，較大的涌浪降幅也將對輸水系統產生較大的影響，容易造成調壓室涌浪過低，管線出現負壓。僅在泵后設計調壓室往往需要較大面積，故有必要增設輔調壓室進行聯合防護以減小調壓室面積。串聯多調壓室布置即在輸水系統管線多處增設調壓室，在輸水工程中已經得到廣泛應用。但無論是單調壓室還是串聯多調壓室，各調壓室阻抗孔徑的選取對水錘防護效果均有較大的影響，因此在選取調壓室阻抗孔徑時，需要進行詳細分析。本文結合工程算例，基于瞬變流計算的特征線法進行一維數值模擬計算，對比分析了單阻抗調壓室和串聯多阻抗調壓室兩類防護措施的水錘防護效果，驗證了后者的優越性，同時針對兩種布置情況下調壓室阻抗孔徑的選取進行了系統的優化研究。

1 算例數值模擬

圖1 測壓管水頭線和管中心線高程Fig.1 Water head line and tube centerline elevation of piezometric tube

本文以粵東三江連通引水工程為研究對象，該工程取水口水位-1.4 m，出水池水位23.5 m，管材為DN4300鋼筋混凝土，全長約27 km，穩態工況如圖1所示(圖中H、h、L分別為測壓管水頭、管中心線高程和泵后的距離)，利用6臺設計揚程為44.59 m的單級雙吸離心泵加壓輸水，輸水流量20 m3/s。泵站機組抽水掉電后，要求管線留有2 m壓力(本文壓力均以水頭表示)安全裕量。

水泵抽水掉電且泵后閥拒動，若全線無水錘防護措施，由圖2(圖中H、Q、t分別為泵后壓力、泵后流量和時間)可知，泵后產生約47 m降壓，水錘波以約800 m/s波速向泵后管線傳播，掉電一個相長(約68 s)后出水池反射的升壓波使泵后壓力上升，水體約138 s后發生倒流，最大反轉速度達503.57 r/min。由圖3(圖中Hin為管道內壓力水頭)可知，泵后管線幾乎都產生嚴重負壓，樁號23+000處負壓最大，達-33.64 m(壓力低于-10 m時，水體已發生汽化，圖3中低于-10 m的壓力僅代表負壓的嚴重程度)，這是因為泵后降壓速率快且該段管道初始壓力小導致出水池反射降壓波能力差，向前防護距離短。

圖2 無防護水泵抽水掉電泵后壓力與泵后流量變化過程Fig.2 Change processes of pressure and discharge behind pump with unprotected power-down

圖3 無防護水泵抽水掉電管線最小壓力包絡線Fig.3 Envelope curves of minimum pressure along pipeline for the pump with unprotected power-down

表1 單阻抗調壓室體型參數和涌浪壓力計算結果

1.1 單阻抗調壓室模擬結果

調壓室面積越大，調壓室水位和管線壓力也越大，為保證輸水系統安全，初步擬定在泵站出口設調壓室防護停泵水錘，設計了3種調壓室防護方案，調壓室體型參數和涌浪壓力計算結果如表1所示。

圖4 阻抗孔徑對最低涌浪的影響Fig.4 Effect of impedance hole apertures on minimum surge

圖5 阻抗孔徑對管線最小壓力包絡線的影響Fig.5 Effect of impedance hole apertures on envelope curves of minimum pressure along pipeline

水泵抽水掉電后，泵后調壓室的水體瞬間向泵前倒流，為了充分發揮調壓室的調節性能，設計泵后蝶閥采用15 s一段直線快速關閉。由方案1與方案3相比可知，通過在簡單式調壓室底部設置直徑較小的阻抗孔可以在保證調壓室安全水深裕量和管線最小壓力相差不大的同時有效減小調壓室的截面積約6%。這是因為減小底部阻抗孔徑能提高最低涌浪，使管線最小壓力增大，故可對截面積進行縮減。方案2說明減小阻抗孔徑可以大幅減小截面積且保證最低涌浪較大，但隨著阻抗孔徑減小，底部阻抗損失增大，加上水泵抽水掉電后巨大的降壓波使得水位迅速下降，導致底部瞬時降壓很大，調壓室防護距離縮短，泵后管線壓力迅速下降，管線初始壓力較小處降至汽化壓力，造成“水擊穿室”，故單阻抗調壓室防護方案存在最優阻抗孔徑的選取。如圖4、圖5所示，截面積S一定(850 m2)，阻抗孔徑d過小可以增大最低涌浪Zmin，但會造成“水擊穿室”，使得管線末端初始壓力較小的地方出現嚴重負壓；當阻抗孔徑增大至2.4 m時，管線最小壓力最大，繼續增大阻抗孔徑，最低涌浪下降將導致底部壓力降低。最優阻抗孔徑的選取可先采用調壓室涌浪波動振幅公式對調壓室面積進行估算，然后試算阻抗孔徑使得管線最小壓力滿足要求的同時保證調壓室最低涌浪滿足要求。

1.2 串聯多阻抗調壓室模擬結果

1.2.1 計算結果對比

水泵抽水掉電后，水錘波衰減較快，但在很長一段時間內由于水體慣性的存在，仍會產生較大的涌浪降幅，與方案3相比，增大調壓室的面積(如方案4)能使調壓室水位下降變慢，增大最低涌浪，使得管線最小壓力增加，但面積顯著增大。此時可在主調壓室后增設輔調壓室(樁號7+800處)進行防護。本文在設有調壓室防護措施且泵后閥15 s一段直線關閉規律的基礎上，為了有效防護負水錘并優化調壓室體型，又設計了防護方案4和防護方案5進行對照(表2)。由表2可知，采用串聯雙阻抗調壓室可在保證最低涌浪較大的同時提高管線最小壓力，并大幅度減小總面積，可由1 000 m2縮減至690 m2(220 m2+470 m2)。

表2 串聯多阻抗調壓室體型參數和涌浪壓力計算結果

1.2.2 串聯多阻抗調壓室聯合防護機理

由圖6、圖7可知，串聯雙阻抗調壓室之所以可以取得比單阻抗調壓室更好的水錘防護效果，是因為串聯雙阻抗調壓室可以加強反射水錘波，增大調壓室對管線的水錘防護距離，水流在流經兩個阻抗孔時都損耗了能量，加速了涌浪波動衰減，提高了穩定水位的能力。兩個調壓室的涌浪波動相互制約，使得涌浪降幅大幅度減小，調壓室最低涌浪和管線最小壓力大幅提升，故串聯雙阻抗調壓室(方案5)所需總面積可以遠比單阻抗調壓室(方案4)小。以此類推，串聯三阻抗調壓室(方案6)的水錘防護計算結果(在樁號4+000處增設一個輔調壓室)如表2、圖6(圖中Z為主調壓室水位)和圖7所示，相比于串聯雙阻抗調壓室，串聯三阻抗調壓室在選取了合適的阻抗孔徑后，可以在保證總面積由690 m2(220 m2+470 m2)縮減至610 m2(170 m2+220 m2+220 m2)的情況下，取得更好的水錘防護效果，有效提升調壓室最低涌浪和管線最小壓力，降低工程造價。由此可以類推，隨著管線阻抗調壓室數量的增加，串聯多阻抗調壓室的優越性將愈發明顯。同單阻抗調壓室防護類似，串聯多阻抗調壓室亦存在最優的阻抗孔徑，可保證調壓室最低涌浪和管線最小壓力最大并有效減小調壓室的總截面積。

圖6 不同防護方案主調壓室水位變化Fig.6 Water level change of principal surge chambers under different protection schemes

圖7 不同防護方案管線最小壓力包絡線Fig.7 Envelope curves of minimum pressure along pipeline under different protection schemes

2 串聯雙阻抗調壓室的參數優化

串聯多阻抗調壓室與串聯雙阻抗調壓室類似，本文以串聯雙阻抗調壓室為例分析調壓室參數對調壓室水錘防護效果的影響。串聯雙阻抗調壓室的壓力波動較為復雜，兩個調壓室面積和阻抗孔徑的選取對防護效果影響很大，選取合適的阻抗孔徑可以取得更好的水錘防護效果，在保證調壓室最低涌浪和管線最小壓力較大的同時使調壓室面積大幅減小，故對串聯雙阻抗調壓室阻抗孔徑的選取進行研究是非常有必要的。在確定主、輔調壓室數量和位置后，主、輔調壓室面積和阻抗孔徑對主調壓室最低涌浪和管線最小壓力的影響計算結果如圖8和圖9所示(圖中D1、D2分別為主、輔調壓室的直徑，d1、d2分別為主、輔調壓室的阻抗孔徑，Hmin為管線最小壓力)。

由圖8、圖9可知，采用串聯雙阻抗調壓室防護時，面積越大，輸水系統調壓室最低涌浪和管線最小壓力也越大，主、輔調壓室均存在最優阻抗孔徑的選取。

2.1 主調壓室阻抗孔徑選取

主調壓室因設置在泵后，由圖8、圖9可知，主調壓室阻抗孔徑d1過小雖然可以增大主調壓室最低涌浪，但會造成“水擊穿室”，此時管線最小壓力主要受d1的控制，管線最小壓力較低，隨著d1增大，主調壓室最低涌浪下降，但底部阻抗瞬時降壓降低，主調壓室的“穿室”作用減弱，管線最小壓力顯著提升，管線最小壓力逐漸受主調壓室最低涌浪控制；當d1增大至1.8 m時，管線最小壓力最大，繼續增大d1，受主調壓室最低涌浪降低影響，管線最小壓力逐漸下降，但隨著輔調壓室阻抗孔徑d2增大，主、輔調壓室間底部壓差變小，該水力特性逐漸消失。因此在設計d1時應保證在不發生“水擊穿室”的同時盡可能減小d1以保證主調壓室具有富余的安全水深。此外，當泵后閥關閉規律確定以后，增大主調壓室阻抗孔徑將導致在泵后閥關閉期間加大水體倒流流量，使主調壓室水位下降，增大泵后閥關閉期間產生的關閥水錘和水泵倒轉轉速，因此對給定的泵后閥關閉規律來說，亦存在較優調壓室阻抗孔徑的選取。

圖8 阻抗孔徑對主調壓室最低涌浪的影響Fig.8 Effect of impedance hole apertures on minimum surge of principal surge chamber

圖9 阻抗孔徑對管線最小壓力的影響Fig.9 Effect of impedance hole apertures on minimum pressure along pipeline

2.2 輔調壓室阻抗孔徑選取

由圖8、圖9可知，隨著輔調壓室阻抗孔徑d2增大，主調壓室最低涌浪和管線最小壓力上升，d2為1.4 m時主調壓室最低涌浪最高，受主調壓室最低涌浪控制，管線最小壓力也最大，繼續增大d2，主調壓室最低涌浪和管線最小壓力呈下降趨勢。這是因為隨著d2增大，輔調壓室水位降低，但底部阻抗壓差顯著下降，根據水頭平衡方程，輔調壓室底部壓力增大，與主調壓室底部壓力之間的壓差減小，使得主調壓室最低涌浪和管線最小壓力增大；d2增大至1.4 m時主調壓室最低涌浪和管線最小壓力最大，繼續增大d2，輔調壓室水位將加速下降，底部壓力降低，與主調壓室底部壓力之間壓差變大，使得主調壓室最低涌浪逐漸下降，管線最小壓力降低，該特性可由圖10中D1=17 m、D2=25 m、d1=1.8 m情況下的3條水位變化過程線得以驗證。由圖10可以看出，d2較小時，主調壓室水位呈迅速下降趨勢，d2較大時，主調壓室水位則緩慢下降，故在對d2進行選擇分析時實際上就是在主調壓室水位迅速下降與緩慢下降兩種水位變化過程中尋找一個平衡點使得主調壓室最低涌浪最高以保證管線最小壓力最大。

圖10 輔調壓室阻抗孔徑對主調壓室水位的影響Fig.10 Effect of impedance hole aperture of secondary surge chamber on water level of principal surge chamber

由以上計算分析可以證明主、輔調壓室均存在最優阻抗孔徑，可通過試算得到。先通過涌浪公式估算主、輔調壓室的截面尺寸，試算得出主調壓室的最優阻抗孔徑d1，在保證不發生“水擊穿室”的情況下再對輔調壓室的阻抗孔徑d2進行試算。在主、輔調壓室均選取最優阻抗孔徑后，串聯雙阻抗調壓室可取得最佳的水錘防護效果，顯著提升調壓室最低涌浪和管線最小壓力，大幅度減小調壓室截面尺寸。該結論也適用于串聯多阻抗調壓室，即在串聯多阻抗調壓室布置系統中，各調壓室均存在最優阻抗孔徑。

3 結 論

a. 單調壓室防護方案中，在保證不發生“水擊穿室”的情況下，在調壓室底部設置直徑較小的阻抗孔可以保證較大的安全水深和管線最小壓力，有效減小調壓室面積。

b. 相比于單阻抗調壓室防護方案，串聯多阻抗調壓室水錘防護效果更佳，可以加強對水錘波反射，加速涌浪波動衰減，提高管線最小壓力和調壓室最低涌浪，故在長距離輸水系統中，串聯多阻抗調壓室布置總面積要遠小于單阻抗調壓室。隨著管線阻抗調壓室數量的不斷增加，串聯多阻抗調壓室的優越性愈發明顯。

c. 串聯多阻抗調壓室布置系統中，調壓室面積越大，輸水系統調壓室最低涌浪和管線最小壓力也越大，主、輔調壓室均存在最優阻抗孔徑的選取，使得調壓室的最低涌浪和管線最小壓力最大以滿足輸水系統的運行要求并大幅度減小調壓室截面尺寸。