基于HAMMER 的斗門水庫引水管水力過渡分析

劉幫超

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710000）

斗門水庫是陜西省“引漢濟渭”輸配水工程重要組成部分,是一座以調蓄“引漢濟渭”工程來水,兼顧城市生活供水、灃河防洪及改善生態環境的綜合性水庫項目。水庫位于西咸新區灃東新城的南部,工程等級為Ⅲ等中型水利工程。斗門水庫是一座以供水、防洪為主,兼顧改善生態環境的綜合利用平原水庫。庫址位于灃河東岸昆明池遺跡,庫區總面積10.4 km3,水庫總庫容4600 萬m3。斗門水庫南池引水管道工程作為斗門水庫重要組成部分,承擔著工程自引漢濟渭灃西、灃東支線分水口取水引至斗門水庫南池的引水任務。

1 工程概述

斗門水庫南池引水管道工程,位于西安市西南方向50 km處,工程起點位于引漢濟渭南干線西安西南郊分水口,向東北方向敷設,末點位于斗門水庫南池,線路全長31.1 km,設計引水流量6.0 m3/s。工程采用全段重力流輸水,設計上水位494.8 m,設計下水位406.7 m,總水頭高差88.1 m,按照管徑全段管線共分為3 段,其中,0 km～25.4 km 采用DN1800 PCCP管,25.4 km～29.7 km 段采用DN1600 PCCP 管,29.7 km～31.1 km段采用DN1400 PCCP 管。

全段共設置3 個分水消力點。樁號28+452 處設1#分水消力,分水流量2 m3/s,樁號29+711 處設2#分水消力,分水流量2 m3/s,樁號31+077 處設3#分水消力,分水流量2 m3/s。在樁號27+430 處安裝1 臺DN1600 調流調壓閥。工程布局見圖1。

圖1 工程布局示意圖

2 計算原理及依據

水力計算采用《室外給水設計標準》（GB 50013-2018）,輸配水管道海森-威廉公式,PCCP 管海森威廉系數取130,局部損失按沿程損失的10%考慮。

水力過渡計算是對整個輸水管道系統進行計算分析,包括管道內節點與管道連接的水池、閥門等其他過流元件以及空氣閥、空氣罐、調壓井等防護設備。在計算中,對管道節點是基于封閉管道的連續性方程和運動方程,利用特征線法將這兩個偏微分方程轉化成全微分方程,沿左右兩條特征線進行迭代求解。當所求解的節點不是管道節點時,將節點的特征線方程與相應的邊界條件聯立進行求解。

水力過渡分析計算采用HAMMER 水錘計算軟件。根據線路布置及參數,分別計算直線關閥工況、兩階段關閥工況、2 臺旁通閥關閥工況、1 臺旁通閥關閥工況。

3 計算分析

3.1 調流閥直線關閉工況

令27+430.00 處DN1600 調流閥直線關閉,計算不同關閉時間對應的壓力極值,統計見表1。

表1 調流閥直線關閉壓力極值統計

由表1 可知,關閥歷時越長,壓力波動幅度越小,升壓和降壓越小；當關閥時間小于3600 s 時,系統會出現負壓,故調流閥直線關閉歷時不應低于3600 s。圖2 為整個引水管段水壓標高包絡線,圖3 為調流調壓閥進口流量壓力瞬變,圖4為最大壓力節點流量壓力瞬變。

圖2 引水管段水壓標高包絡線（直線關閥3600 s）

圖3 調流閥進口流量壓力瞬變（直線關閥3600 s）

圖4 最大壓力節點流量壓力瞬變（直線關閥3600 s）

3.2 調流閥兩階段關閉工況

由直線關閥計算結果可知,當調流閥直線關閉時,關閥歷時不應低于3600 s,對于直徑DN1600 的閥門比較難以實現,為縮短關閥歷時,令調流閥兩階段關閉。通過調算,計算采用調流閥600 s 關閉94%,1200 s 關完。圖5 為整個引水管段水壓標高包絡線,圖6 為調流調壓閥進口流量壓力瞬變,圖7為最大壓力節點流量壓力瞬變。

圖5 引水管段水壓標高包絡線（兩階段關閥600 s 關閉94%,1200 s 關完）

圖6 調流閥進口流量壓力瞬變（兩階段關閥600 s 關閉94%,1200 s 關完）

圖7 最大壓力節點流量壓力瞬變（兩階段關閥600 s 關閉94%,1200 s 關完）

由計算結果知,當閥門兩階段關閉時,關閥總歷時可以從3600 s 縮短到1200 s,且系統升壓和降壓幅度都有效減小。引水管道自上游至下游升壓逐漸變大,最大壓力出現在樁號22+386.79,Hax=115.4 m,為此處靜壓的1.07 倍；最小壓力1.8 m,出現在樁號27+899.98 處。各節點與調流閥進口壓力瞬變趨勢相同,從閥門開始關閉到500 s 左右壓力升高很小,在快速關閉階段最后100 s,即500 s～600 s 壓力迅速升高,開始緩閉時,壓力有小幅下降,隨后緩慢升高,閥門完全關閉后,壓力在靜壓上下周期性震蕩,并由于管道阻尼作用,振幅越來越小,最后趨于靜壓。

3.3 設旁通閥兩階段關閉工況

為達到兩階段關閉效果,且易于工程操作,在DN1600調流閥旁設旁通支管及旁通閥。通過模擬分析,建議設2 根DN400 旁通支管或1 根DN600 旁通支管,關閥時,先關閉DN1600 主閥,再關閉旁通閥。

3.3.1 設2 根DN400 旁通支管,兩階段關閉工況

令主閥480 s 關閉,2 臺DN400 旁通閥依次300 s 關閉,關閥總歷時1080 s。圖8 為整個引水管段水壓標高包絡線,圖9、圖10、圖11 為調流調壓閥進口流量壓力瞬變,圖12為最大壓力節點流量壓力瞬變。

圖8 引水管段水壓標高包絡線（主閥480 s 關閉,2 臺旁通閥300 s 關閉）

圖9 調流閥進口流量壓力瞬變（主閥480 s 關閉,2 臺旁通閥300 s 關閉）

圖10 旁通閥1 進口流量壓力瞬變（主閥480 s 關閉,2 臺旁通閥300 s 關閉）

圖11 旁通閥2 進口流量壓力瞬變（主閥480 s 關閉,2 臺旁通閥300 s 關閉）

圖12 最大壓力節點流量壓力瞬變（主閥480 s 關閉,2 臺旁通閥300 s 關閉）

由該工況計算結果知,引水管道自上游至下游升壓逐漸變大,最大壓力出現在樁號22+386.79 處,Hax=126.0 m,為此處靜壓的1.17 倍；最小壓力0.8 m,出現在主閥進口。旁通閥進口流量隨著主閥關閉逐漸升高,當主閥完全關閉時達到最大流量點,然后隨著旁通閥關閉流量變小。各節點與主閥、旁通調流閥進口壓力瞬變趨勢相同,從閥門開始關閉到400 s 左右壓力升高很小,在主閥最后關閉80 s,即400 s～480 s 壓力迅速升高,主閥完全關閉后,旁通閥開始關閉時,壓力有小幅下降,然后隨著緩閉閥關閉緩慢升高,當緩閉閥完全關閉后,壓力在靜壓上下周期性震蕩,并由于管道阻尼作用,振幅越來越小,最后趨于靜壓。

3.3.2 設1 根DN600 旁通支管,兩階段關閉工況

主閥480 s 關閉,1 臺DN600 旁通閥600 s 關閉,關閥總歷時1080 s。圖13 為整個引水管段水壓標高包絡線,圖14、圖15 為調流調壓閥、旁通閥進口流量壓力瞬變,圖16 為最大壓力節點流量壓力瞬變。

圖13 引水管段水壓標高包絡線（主閥480 s 關閉,旁通閥600 s 關閉）

圖14 調流閥進口流量壓力瞬變（主閥480 s 關閉,旁通閥600 s 關閉）

圖15 旁通閥進口流量壓力瞬變（主閥480 s 關閉,旁通閥600 s 關閉）

由該工況計算結果知,引水管道自上游至下游升壓逐漸變大,最大壓力出現在樁號22+386.79 處,Hax=127.5 m,為此處靜壓的1.19 倍；最小壓力0.8 m,出現在主閥進口。旁通閥進口流量隨著主閥關閉逐漸升高,當主閥完全關閉時達到最大流量點,然后隨著旁通閥關閉流量變小。各節點與主閥、旁通調流閥進口壓力瞬變趨勢相同,從閥門開始關閉到400 s左右壓力升高很小,在主閥最后關閉80s,即400 s～480 s 壓力迅速升高,主閥完全關閉后,旁通閥開始關閉時,壓力有小幅下降,然后隨著緩閉閥關閉緩慢升高,當緩閉閥完全關閉后,壓力在靜壓上下周期性震蕩,并由于管道阻尼作用,振幅越來越小,最后趨于靜壓。

4 結論及建議

4.1 計算結論

按照各工況計算結果,將不同工況閥門動作規律對應的最大、最小壓力值及發生位置進行統計見表2。

表2 各工況最大、最小壓力計算結果統計表

由計算結果知,當調流閥直線關閉時,需要關閥歷時過長,閥門設備需要突破規范標準定制；兩階段關閉可大大縮短關閥歷時,但歷時仍然較長,工程要實現對關閥時間及關閉過程的精確控制,閥門也需要特殊定制；在主閥旁設置旁通支管和旁通閥,通過依次關閉主閥和旁通閥,可以達到兩階段關閉的效果,且易于工程操作,通過調算,建議設置2 條DN400 的旁通支路或1 條DN600 旁通支路關閥歷時及關閥后引起的水錘結果相當。為使工程布置簡易,運行維護便利,工程投資較經濟,綜合比選,推薦設置1 條DN600 旁通支路（主閥480 s 關閉,1 臺DN600 旁通閥600 s 關閉,關閥總歷時1080 s）。

4.2 建議

隨著經濟社會發展,采用有壓管流進行長距離重力輸水已廣泛應用于水利工程實踐中。為保障壓力管道安全,提高壓力管道使用壽命,降低工程安全風險,對于大口徑輸水管道,在管道末端采用旁通管式兩階段關閉控制出口閥門,對管道運行及閥門安全是十分有利的,可大大提高工程運行的安全性。