設(shè)有支路連接調(diào)節(jié)池的重力流長(zhǎng)管道水錘防護(hù)

肖 學(xué)，李傳奇，楊幸子，韓典乘

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院， 濟(jì)南 250061)

長(zhǎng)距離重力流輸水管道工程利用水流的落差，實(shí)現(xiàn)在無(wú)水泵等外在動(dòng)力源條件下的輸水。由于其往往具有落差大、管線長(zhǎng)、流量大等特點(diǎn)，在開(kāi)關(guān)閥輸水過(guò)程中會(huì)引起沿程管線水力條件的急劇變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)管路造成破壞。因此，對(duì)長(zhǎng)距離重力流輸水管道工程的開(kāi)關(guān)閥水力過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而提出合理的輸水方案，避免管道發(fā)生水錘破壞意義重大。

對(duì)于水錘壓力研究，國(guó)外采用的計(jì)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(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)水錘問(wèn)題的研究主要是基于特征線法，進(jìn)行水錘計(jì)算與防護(hù)措施的相關(guān)研究[4-9]。本文基于特征線法，對(duì)設(shè)有與主干管以支路形式近距離連接的調(diào)節(jié)池的長(zhǎng)距離重力流管道輸水方案進(jìn)行數(shù)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(zhǎng)29.7 km，設(shè)計(jì)輸水流量3.4 m3/s，采用管徑DN1600鋼管和PCCP管分段鋪設(shè)，管道兩端分別為水庫(kù)(0+000，設(shè)計(jì)水位130.5 m)和干渠(29+700，設(shè)計(jì)水位31.0 m)。管道高程圖見(jiàn)圖1。

圖1 管道中心高程線Fig.1 Pipeline elevation

同時(shí)，工程中建設(shè)有3座高程遞增的泵站(PS1# 、PS2#、PS3#)并聯(lián)入管路，以實(shí)現(xiàn)雙向輸水。泵房PS2#、PS3#前設(shè)有調(diào)節(jié)池，為防止調(diào)節(jié)池水位過(guò)高頂托頂板，在調(diào)節(jié)池靠近頂板處的側(cè)壁上均設(shè)有圓形溢流孔，泵房(PS2#、PS3#)與調(diào)節(jié)池(P1、P2)之間均設(shè)有閥門(mén)，調(diào)節(jié)池P1、P2與主干管支路連接管道長(zhǎng)度分別為77.0、73.0 m。各級(jí)泵站外側(cè)鋪設(shè)有繞過(guò)泵房和

調(diào)節(jié)池的旁通管，3段旁通管上各設(shè)置有一閥門(mén)(V1、V2、V3)，水泵由干渠向水庫(kù)抽水時(shí)旁通管上3個(gè)閥門(mén)均關(guān)閉不通水。管道沿程共設(shè)置排氣閥(AV)32 座，水錘泄放閥(SV)3座。輸水工程平面布置簡(jiǎn)化示意圖如圖2所示。

正常情況下，由干渠引水經(jīng)三級(jí)泵站逐級(jí)抽水至上游水庫(kù)，為正向輸水；而在汛期通過(guò)重力自流方式把上游水庫(kù)的水引入干渠，實(shí)現(xiàn)雨洪水的綜合利用，為反向輸水。正向輸水過(guò)程中，旁通管上的3座閥門(mén)始終關(guān)閉，泵房和調(diào)節(jié)池前后閥門(mén)按照操作程序開(kāi)啟。反向輸水時(shí)，主要是關(guān)閉泵房和調(diào)節(jié)池前后閥門(mén)保護(hù)水泵機(jī)組，而利用旁通管上3座閥門(mén)的啟閉操作，達(dá)到反向輸水的目的。正反向輸水方向相反。本文主要針對(duì)汛期由上游水庫(kù)向下游干渠重力流輸水過(guò)程進(jìn)行水錘防護(hù)研究。

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

2 防護(hù)內(nèi)容

依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[10]及實(shí)際工程防護(hù)要求，主要從管道設(shè)計(jì)壓力與開(kāi)關(guān)閥水錘進(jìn)行比較分析，防止發(fā)生管道受內(nèi)壓過(guò)大而受損；同時(shí)，所選方案必須避免負(fù)壓過(guò)大而出現(xiàn)水柱分離。因此，需要選取安全合理的開(kāi)關(guān)閥方案，實(shí)現(xiàn)反向輸水。根據(jù)工程實(shí)際建設(shè)情況，管段樁號(hào)5+600-6+500(設(shè)計(jì)值0.6 MPa，N1段)、6+500-8+050(設(shè)計(jì)值0.8 MPa，N2段)、8+050-9+700(設(shè)計(jì)值1.0 MPa，N3段)、17+700-18+700(設(shè)計(jì)值0.8 MPa，N4段)、19+100-22+500(設(shè)計(jì)值1.0 MPa，N5段)為重點(diǎn)防護(hù)部位，其他管段采用鋼管或設(shè)計(jì)值在1.2 MPa以上的PCCP管。為實(shí)現(xiàn)安全輸水，需要對(duì)開(kāi)關(guān)閥對(duì)象、順序、閥門(mén)開(kāi)度和時(shí)間、調(diào)節(jié)池在反向輸水過(guò)程中是否與主干管聯(lián)通等不同方案進(jìn)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(jù)各段管道長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)高程、水錘泄放閥、空氣閥、水位等參數(shù)構(gòu)建數(shù)值模擬模型。其中上游水庫(kù)水位取130 m，下游干渠水位取31 m；中間調(diào)節(jié)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(kāi) 閥

反向輸水主要控制旁通管道上的三座閥門(mén)(V1、V2、V3)開(kāi)度與時(shí)間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)合理的水錘防護(hù)。必要時(shí)可利用調(diào)節(jié)池的調(diào)節(jié)作用(正向輸水時(shí)，調(diào)節(jié)池起到級(jí)間泵站水流過(guò)渡的作用)，將調(diào)節(jié)池前閥門(mén)(V6、V9)適當(dāng)打開(kāi)一定開(kāi)度(V4/V5/V7/V8/V10/V11始終保持關(guān)閉)，使調(diào)節(jié)池與反向輸水主干管聯(lián)通。由于在反向輸水之前，正向輸水已經(jīng)進(jìn)行，水泵機(jī)組停機(jī)后管道為滿管狀態(tài)，且由PS3#-PS2#-PS1#逐級(jí)停泵，調(diào)節(jié)池儲(chǔ)水達(dá)到4 000 m3以上；同時(shí)在反向供水之前，將管道與水庫(kù)水流阻斷的閥門(mén)V12開(kāi)啟。

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

根據(jù)實(shí)際情況，本文對(duì)4種(1-a、1-b為方案1，2-a、2-b為方案2)不同的開(kāi)閥方案進(jìn)行對(duì)比分析，選取最合理方案。不同開(kāi)閥水錘防護(hù)方案控制條件見(jiàn)表1。

開(kāi)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(kù)至下游干渠依次開(kāi)閥(V3-V2-V1)，且調(diào)節(jié)池并沒(méi)有參與整個(gè)反向輸水過(guò)程時(shí)，管道壓力水頭變化曲線。相比1-a方案，1-b開(kāi)閥時(shí)間明顯延長(zhǎng)，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(zhǎng)開(kāi)閥時(shí)間時(shí)管道水錘壓力有所減輕，但是效果并不明顯。

表1 不同開(kāi)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(kāi)啟中間調(diào)節(jié)池P2進(jìn)水閥門(mén)V6(至20%開(kāi)度)，接著開(kāi)啟管道中間閥門(mén)V2，待V3-V1之間段管道壓力水頭變化穩(wěn)定后，緩慢關(guān)閉調(diào)節(jié)池進(jìn)水閥門(mén)V6(200 s線性關(guān)閉)，最后依次開(kāi)啟V3、V1。方案2壓力水頭變化曲線見(jiàn)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(duì)比圖2(a)和圖2(b)，當(dāng)適當(dāng)延長(zhǎng)閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間時(shí)，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(diào)節(jié)池的情況下適當(dāng)?shù)馗淖兞薞2與V3開(kāi)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(fù)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(kāi)啟V3之前，首先將調(diào)節(jié)池P1前閥門(mén)V6(至20%開(kāi)度)、調(diào)節(jié)池P2前閥門(mén)V9(至20%開(kāi)度)開(kāi)啟，再依次開(kāi)啟V3、V2、V1，待整段管道壓力水頭變化相對(duì)平穩(wěn)后，再依次關(guān)閉閥門(mén)V6(200 s線性關(guān)閥)、V9(200 s線性關(guān)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(jù)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(mén)V3、V2、V1為分隔點(diǎn)各段內(nèi)壓力水頭總體上呈階梯式遞增趨勢(shì)，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(fù)壓基本消除。

(4)方案4模擬及分析。方案4在開(kāi)啟V2之前，首先將調(diào)節(jié)池P1前閥門(mén)V6(至20%開(kāi)度)、調(diào)節(jié)池P2前閥門(mén)V9(至20%開(kāi)度)開(kāi)啟，再依次開(kāi)啟V2、V3、V1，待整個(gè)管道壓力水頭變化平穩(wěn)后，再依次關(guān)閉V6(200 s線性關(guān)閥)、V9(200 s線性關(guān)閥)，以保持整個(gè)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(hào)5+335附近出現(xiàn)明顯負(fù)壓(壓力水頭為-4.5 m，閥門(mén)V3下游端)，不會(huì)出現(xiàn)水柱分離。

(5)不同開(kāi)閥方案對(duì)比分析。根據(jù)以上4種方案模擬結(jié)果，結(jié)合重點(diǎn)防護(hù)的管段部位得到表2。將表2與對(duì)應(yīng)管段部位設(shè)計(jì)所能承載的壓力水頭值進(jìn)行對(duì)比，選取最安全合理的開(kāi)閥方案。

表2 不同開(kāi)閥方案的部分管段壓力水頭值 m

表2 結(jié)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(guò)管路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)管路設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)管段設(shè)計(jì)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(hào)5+334出現(xiàn)-4.5 m負(fù)壓水頭,其他部位負(fù)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(kāi)閥采用方案4最為合適。

根據(jù)以上方案可知：在設(shè)有與主干管以支路形式近距離連接的調(diào)節(jié)池的長(zhǎng)距離重力流輸水管道工程中，采用輸水首先聯(lián)通調(diào)節(jié)池與主干管，再依次開(kāi)啟管道中間閥門(mén)、上游進(jìn)水端閥門(mén)、下游出水端閥門(mén)的操作方案，可有效降低管道輸水過(guò)程中開(kāi)閥水錘壓力。

3.3 關(guān)閥水錘模擬及分析

重力流管道停水可以采用關(guān)閉管道下游閥門(mén)保持管道充滿狀態(tài)和關(guān)閉上游進(jìn)水閥門(mén)放空全部管道兩種方式[10]，考慮到后者在重新啟動(dòng)輸水工程時(shí)需重新進(jìn)行沖水排氣，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)費(fèi)力，同時(shí)過(guò)程難以控制，因此本文首先研究前者的可行性。

滿管關(guān)閥停水以方案4穩(wěn)態(tài)輸水的情況為基礎(chǔ)，具體方案為： 關(guān)閉閥門(mén)V1之前先開(kāi)啟調(diào)節(jié)池P2前閥門(mén)V9(200 s線性開(kāi)閥至35%開(kāi)度)、調(diào)節(jié)池P1前閥門(mén)V6(200 s線性開(kāi)閥至40%開(kāi)度)，在將V3關(guān)閉至10%開(kāi)度條件下，再采用550 s線性關(guān)閉輸水管道末端閥門(mén)V1，待整個(gè)管道壓力水頭變化趨于穩(wěn)定后，依次關(guān)閉管道上閥門(mén)V9(200 s關(guān)閥)、V6(200 s關(guān)閥)、V2、V3。模擬結(jié)果沿程管道壓力水頭如圖7所示。

圖7 滿管關(guān)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(jù)圖7可以看出：采用上述的關(guān)閥停水方案，重點(diǎn)防護(hù)各段管路最大壓力水頭均沒(méi)有超出管路設(shè)計(jì)所能承載的壓力水頭值，負(fù)壓水頭嚴(yán)重部位5+334(-5.4 m)、27+938(-5.6 m)，且管路壓力水頭超過(guò)100 m管段沒(méi)有超出設(shè)計(jì)所能承載的壓力水頭值，該方案可以實(shí)現(xiàn)安全停水。

上述分析可知：在設(shè)有與主干管以支路形式近距離連接的調(diào)節(jié)池的長(zhǎng)距離重力輸水管道工程中，停水首先聯(lián)通調(diào)節(jié)池與主干管、再依次關(guān)閉下游端出水閥門(mén)和調(diào)節(jié)池與主干管連接閥門(mén)的操作方案，可以有效降低管路水錘壓力。

綜合上述的開(kāi)閥和關(guān)閥方案，最終確定輸水流程如圖8所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于特征線法，對(duì)設(shè)有與主干管以支路形式近距離連接的調(diào)節(jié)池的長(zhǎng)距離重力流管道輸水方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析研究，結(jié)果表明：

圖8 整個(gè)輸水流程Fig.8 Chart of water delivery

(1)輸水開(kāi)閥采用首先將閥門(mén)V6(至20%開(kāi)度)、V9(至20%開(kāi)度)開(kāi)啟，再依次開(kāi)啟V2(120 s線性開(kāi)閥至100%開(kāi)度)、V3(80 s線性開(kāi)閥至24.9%開(kāi)度)、V1(60 s線性開(kāi)閥至100%開(kāi)度)，待整個(gè)管道壓力水頭穩(wěn)定后再依次關(guān)閉V6(200 s線性關(guān)閥)、V9(200 s線性關(guān)閥)，可以實(shí)現(xiàn)安全輸水。

(2)停水關(guān)閥采用首先將閥門(mén)V9(200 s線性開(kāi)閥至35%開(kāi)度)、閥門(mén)V6(200 s線性開(kāi)閥至40%開(kāi)度)開(kāi)啟，在將V3關(guān)閉至10%開(kāi)度條件下，再采用550 s線性緩慢關(guān)閉輸水管道末端閥門(mén)V1，待整個(gè)管道壓力水頭變化趨于穩(wěn)定后，依次關(guān)閉管道上閥門(mén)V9(200 s關(guān)閥)、V6(200 s關(guān)閥)、V2、V3，可以實(shí)現(xiàn)安全停水。

(3)在設(shè)有與主干管以支路形式近距離連接的調(diào)節(jié)池的長(zhǎng)距離重力輸水管道工程中，合理的利用調(diào)節(jié)池以及開(kāi)閥時(shí)間、順序操作，可以有效減小主干管管路開(kāi)關(guān)閥產(chǎn)生的水錘壓力，保障管路安全輸水。

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