長距離重力有壓流輸水管系統(tǒng)連通管布置研究

彭志遠(yuǎn)　桂紹波

摘要：為更合理、科學(xué)地布置連通管，使得雙管并聯(lián)長距離重力有壓流管路系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)、安全，建立了一個理想的雙管并聯(lián)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(zhì)、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(shè)輸水系統(tǒng)的局部損失系數(shù)均勻分布。然后根據(jù)水力學(xué)原理，建立了基本的能量方程和連續(xù)方程來對該模型進(jìn)行求解。再結(jié)合實際工程的具體設(shè)計要求，得到一個關(guān)于相鄰連通管間距的數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)而提出了一種雙管并聯(lián)長距離重力有壓流輸水管路系統(tǒng)連通管布置的設(shè)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(jié)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(guān)，與管材、管徑、管內(nèi)平均流速、輸水流量、水力損失系數(shù)無關(guān);相鄰的兩根連通管間距越大，故障段前后的并聯(lián)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(tǒng)總損失的占比有關(guān)。研究結(jié)果對雙管并聯(lián)長距離重力有壓流輸水管路系統(tǒng)連通管布置具有一定的指導(dǎo)意義。

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

中圖法分類號： TV134

文獻(xiàn)標(biāo)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(lián)的設(shè)計方案[1]，以便在一條線路檢修時另一條線路可以繼續(xù)運行。對于一些重要的供水工程，當(dāng)一條管路局部檢修時，整個輸水系統(tǒng)所輸送的流量應(yīng)滿足最小流量要求。工程上，常規(guī)的做法是在并聯(lián)的雙管之間設(shè)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(dāng)管路某處（如P點）出現(xiàn)“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(guān)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(xiàn)輸水系統(tǒng)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(yīng)考慮故障運行時的系統(tǒng)安全性[11-12]。當(dāng)管路局部檢修，輸水系統(tǒng)采用連通管橋接的方式運行時，輸水系統(tǒng)的管路特性發(fā)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(dǎo)致該處管路局部高點出現(xiàn)真空，影響管線的安全運行[13]。

考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性，有必要對連通管設(shè)置的數(shù)量以及布置的位置進(jìn)行科學(xué)的研究，分析連通管設(shè)置的各種影響因素，為工程實際應(yīng)用提供一種新的設(shè)計思路。基于此，本文建立了一個理想的雙管并聯(lián)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(shù)學(xué)模型

1.1正常運行工況

假設(shè)有雙管并聯(lián)長距離重力有壓流輸水管道系統(tǒng)，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(zhì)，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(nèi)的平均流速為u0，總輸水流量為Q0，輸水系統(tǒng)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(lián)重力有壓流管路系統(tǒng)的總輸水流量為Q′。

此時，重力有壓流管路系統(tǒng)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(lián)重力有壓流段，管線內(nèi)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(nèi)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(lián)重力有壓流段，管線內(nèi)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(shè)一供水工程，如圖4所示，上游水庫設(shè)計水位25 m，下游水庫設(shè)計水位5 m。采用雙管并聯(lián)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(zhì)為球墨鑄鐵管道，管道摩擦因數(shù)λ=0.032，局部水力損失按沿程水力損失的10%取值，設(shè)計流量6.93 m3/s，最小輸水流量要求故障檢修運行時應(yīng)保證70%設(shè)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(tǒng)的水力坡降線如圖5所示，可看出，當(dāng)1～8號點依次檢修時的輸水系統(tǒng)均無負(fù)壓發(fā)生。因此，在此案例中，連通管的設(shè)置能夠滿足設(shè)計要求。

5結(jié) 論

本文建立了一個理想的雙管并聯(lián)長距離重力有壓流輸水管路系統(tǒng)模型，假設(shè)所有的管道采用相同的材質(zhì)、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(tǒng)的局部損失系數(shù)均勻分布。根據(jù)水力學(xué)原理，建立了基本的能量方程和連續(xù)方程來對模型進(jìn)行求解;結(jié)合實際工程設(shè)計要求，得到一個關(guān)于相鄰連通管間距Δx的數(shù)學(xué)表達(dá)式，提出了一種雙管并聯(lián)長距離重力有壓流輸水管路系統(tǒng)連通管布置的優(yōu)化設(shè)計方法，并得出以下結(jié)論：

（1） 在假設(shè)條件下，雙管并聯(lián)長距離重力有壓流輸水管路系統(tǒng)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(guān)，與管材、管徑、管內(nèi)平均流速、輸水流量、水力損失系數(shù)無關(guān)。

（2） 在連通管的橋接作用下，故障段前后的并聯(lián)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(lián)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(tǒng)的輸水流量變小，該流量與輸水系統(tǒng)通過連通管橋接而形成的單管運行段Δx的水力損失系數(shù)之和在輸水系統(tǒng)正常運行時的總水力損失系數(shù)的占比有關(guān)，為滿足最小流量Q′≥φQ0的設(shè)計要求，該占比應(yīng)不超過（1/φ2-1）L/3。

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（編輯：謝玲嫻）