長距離重力有壓流輸水管系統連通管布置研究

彭志遠　桂紹波

摘要：為更合理、科學地布置連通管，使得雙管并聯長距離重力有壓流管路系統更經濟、安全，建立了一個理想的雙管并聯長距離重力有壓流輸水管路模型。該模型管道采用相同的材質、相同的管徑，忽略連通管長度以及連通管橋接帶來的水力損失，并假設輸水系統的局部損失系數均勻分布。然后根據水力學原理，建立了基本的能量方程和連續方程來對該模型進行求解。再結合實際工程的具體設計要求，得到一個關于相鄰連通管間距的數學表達式，進而提出了一種雙管并聯長距離重力有壓流輸水管路系統連通管布置的設計方法。最后定量分析了相鄰連通管間距的影響因素及其對壓力水力坡降線、輸水流量的影響。結果表明：相鄰的兩根連通管之間的距離僅與上下游水位、管線中心點高程、輸水管線建筑物、連通管的位置以及最低水量的要求有關，與管材、管徑、管內平均流速、輸水流量、水力損失系數無關;相鄰的兩根連通管間距越大，故障段前后的并聯管和故障段單管的水力坡降線就越緩;連通管橋接后的輸水流量與檢修段的水力損失在整個輸水系統總損失的占比有關。研究結果對雙管并聯長距離重力有壓流輸水管路系統連通管布置具有一定的指導意義。

關鍵詞：長距離重力有壓流; 連通管布置; 雙管并聯; 水力坡降線; 輸水流量

中圖法分類號： TV134

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.020

0引 言

為了提高輸送的可靠性，一些長距離重力有壓流輸水管道工程通常采用雙管并聯的設計方案[1]，以便在一條線路檢修時另一條線路可以繼續運行。對于一些重要的供水工程，當一條管路局部檢修時，整個輸水系統所輸送的流量應滿足最小流量要求。工程上，常規的做法是在并聯的雙管之間設置連通管[2]，如圖1所示。

由圖1可知，在雙管之間采用連通管后，當管路某處（如P點）出現“爆管”等緊急情況需要檢修時[3-4]，可將檢修閥17和檢修閥18關閉，同時打開連通管上的閥1和閥2。通過連通管的橋接，在局部故障檢修時實現輸水系統的局部單管運行，從而增大輸送流量，以此來滿足最小輸水流量要求[5-6]。

顯然，連通管越多，故障檢修時所輸送的流量越大[7-8]。但是連通管過多，工程的整體投資造價將會增加，不利于工程的成本控制[9-10]。此外，還應考慮故障運行時的系統安全性[11-12]。當管路局部檢修，輸水系統采用連通管橋接的方式運行時，輸水系統的管路特性發生了改變，在局部單管運行的部位其水力損失將增大，水力坡降線在該處突然陡降，可能導致該處管路局部高點出現真空，影響管線的安全運行[13]。

考慮經濟性和安全性，有必要對連通管設置的數量以及布置的位置進行科學的研究，分析連通管設置的各種影響因素，為工程實際應用提供一種新的設計思路。基于此，本文建立了一個理想的雙管并聯長距離重力有壓流輸水管路模型，并定量分析了相鄰連通管間距的影響因素及其對壓力水力坡降線、輸水流量的影響。

1數學模型

1.1正常運行工況

假設有雙管并聯長距離重力有壓流輸水管道系統，上游水位為

SymbolQC@1，下游水位為

SymbolQC@2。管線建筑物總長L，管徑為D0，所有管道采用同一材質，管線中心點高程z0（x），正常運行時單管輸水流量為Q0/2，管線內的平均流速為u0，總輸水流量為Q0，輸水系統的測壓管壓力線p（x）如圖2所示。管線末端中心線高程在下游水庫水位以下，管線末端為淹沒出流。

1.2檢修工況

本文以考慮一處檢修的情況為例：選取x點后的某一處檢修，管線在該檢修點斷開，打開檢修點前后相距Δx（0<Δx≤L）的兩條相鄰連通管，則該檢修工況下的雙管并聯重力有壓流管路系統的總輸水流量為Q′。

此時，重力有壓流管路系統被分割為3段，如圖3所示：第一段為上游水庫至x點的雙管并聯重力有壓流段，管線內的平均流速為u1，單管輸水流量為0.5Q′，該段管線中心壓力水頭為p1（x），該段管線的沿程水力損失和局部水力損失分別為hf1（x）和hj1（x）;第二段為由相鄰的兩根連通管隔出來的長為Δx的單管重力有壓流段，管線內的平均流速為u2，輸水流量為Q′，該段管線中心壓力水頭為p2（x），該段管線的沿程水力損失和局部水力損失分別為hf2（x）和hj2（x）;第三段為x+Δx至下游水庫的雙管并聯重力有壓流段，管線內的平均流速為u3，單管輸水流量為0.5Q′，該段管線中心壓力水頭為p3（x），該部分管線的沿程水力損失和局部水力損失分別為hf3（x）和hj3（x）。

4算例驗證

假設一供水工程，如圖4所示，上游水庫設計水位25 m，下游水庫設計水位5 m。采用雙管并聯重力有壓流供水，管線總長6 km，管線中心高程如圖所示，管徑為DN1600，管道材質為球墨鑄鐵管道，管道摩擦因數λ=0.032，局部水力損失按沿程水力損失的10%取值，設計流量6.93 m3/s，最小輸水流量要求故障檢修運行時應保證70%設計流量。

管路正常運行以及1～8號點依次檢修時，輸水管路系統的水力坡降線如圖5所示，可看出，當1～8號點依次檢修時的輸水系統均無負壓發生。因此，在此案例中，連通管的設置能夠滿足設計要求。

5結 論

本文建立了一個理想的雙管并聯長距離重力有壓流輸水管路系統模型，假設所有的管道采用相同的材質、相同的管徑，并忽略連通管長度以及連通管橋接帶來的水力損失，輸水系統的局部損失系數均勻分布。根據水力學原理，建立了基本的能量方程和連續方程來對模型進行求解;結合實際工程設計要求，得到一個關于相鄰連通管間距Δx的數學表達式，提出了一種雙管并聯長距離重力有壓流輸水管路系統連通管布置的優化設計方法，并得出以下結論：

（1） 在假設條件下，雙管并聯長距離重力有壓流輸水管路系統相鄰的兩根連通管之間的距離僅與上下游水位、管線中心點高程、輸水管線建筑物、連通管的位置以及最低水量的要求有關，與管材、管徑、管內平均流速、輸水流量、水力損失系數無關。

（2） 在連通管的橋接作用下，故障段前后的并聯管的水力坡降線比正常運行時更緩;故障段單管的水力坡降線比正常運行時更陡;相鄰的兩根連通管間距Δx越大，故障段前后的并聯管和故障段單管的水力坡降線就越緩。

（3） 連通管的橋接會使得輸水管路系統的輸水流量變小，該流量與輸水系統通過連通管橋接而形成的單管運行段Δx的水力損失系數之和在輸水系統正常運行時的總水力損失系數的占比有關，為滿足最小流量Q′≥φQ0的設計要求，該占比應不超過（1/φ2-1）L/3。

參考文獻：

[1]李翠梅，郜闊，王浩，等.重力有壓流長距離輸水可靠性模擬[J].同濟大學學報（自然科學版），2014，42（6）：930-936.

[2]未碧貴.并聯輸水管道設計計算[J].供水技術，2010，4（6）：43-45.

[3]彭志遠，楊建東，郭文成.恒定流條件下氣墊式調壓室室內水位與氣壓的模擬[J].水動力學研究與進展（A輯），2016，31（2）：239-244.

[4]張麗娟，韓江.東江-東莞供水工程江庫聯網工程方案比選研究[J].人民長江，2019，50（2）：166-168，201.

[5]嚴煦世，范瑾初.給水工程[M].北京：中國建筑工業出版社，1999.

[6]蔡慧娟，鄭森文.小型雙向抽水工程布置方案及應用[J].人民長江，2018，49（14）：72-76.

[7]楊萬紅，曹命凱，程建華.基于水動力河網模型的引江泵站規模論證研究[J].人民長江，2018，49（3）：67-71，106.

[8]郭高貴，王吉勇，董壯.二維數學模型在泵站上游水動力研究中的應用[J].人民長江，2019，50（9）：204-208.

[9]CHEN Y B，YU T P，LIU J H，et al.Study on the technology of supplying water safely by long-distance pipeline[J].Journal of Northeast Agricultural University（English Edition），2008，15（3）：80-85.

[10]AVI O，DIMITRI K，URI S.Reliability simulation of water distribution systems-single and multiquality[J].Urban Water，2002（1）：53-61.

[11]郭生練，何紹坤，陳柯兵，等.長江上游巨型水庫群聯合蓄水調度研究[J].人民長江，2020，51（1）：6-10，35.

[12]劉志勇，劉梅清，蔣勁，等.重力有壓輸水系統水錘及其防護研究[J].中國農村水利水電，2008（10）：79-81.

[13]YEHUDA K，BALVANT R.Comprehensive review of structural deterioration of water mains：statistical models[J].Urban Water，2001（3）：131-150.

[14]趙昕，張曉元，趙明登，等.水力學[M].北京：中國電力出版社，2009.

[15]SHAMSI U M.Computerized evaluation of water-supply reliability[J].IEEE Transactions on Reliability，1990（1）：35-41.

[16]TABESH M，SOLTANI J，FARMANI R，et al.Assessing pipe failure rate and mechanical reliability of water distribution networks using data-driven modeling[J].Journal of Hydroinformatics，2009（1）：1-17.

[17]周芬，陳黎明，田傳沖，等.沿海平原調水引流及水量水質聯合調控研究[J].人民長江，2018，49（14）：61-66.

[18]王龍眾.淺談長距離有壓重力流輸水管道的設計特點[J].江西建材，2017（4）：37.

[19]陶承軍.有壓重力流供水管線中水力機械設備選型和布置特點[J].甘肅水利水電技術，2018，54（10）：162-164.

[20]楊慶華，翟龍，羅歡.長距離高落差有壓重力流輸水特性研究[J].給水排水，2015，41（12）：96-100.

（編輯：謝玲嫻）