王 濤

（安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司 合肥 230088）

1 引言

長距離供排水工程中，由于沿線地形復(fù)雜，水力元件較多，運(yùn)行過程中發(fā)生的水錘是威脅工程安全的重要因素。閥門的突然關(guān)閉或者是加壓泵站機(jī)組的突然停泵，會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)水流的急速變化，同時(shí)引起管內(nèi)壓強(qiáng)的急劇波動(dòng)，甚至超過管道的承壓值，若不采用有效的防護(hù)措施，就會(huì)造成管道爆裂等水錘事故。因此長距離供排水管道系統(tǒng)工程中應(yīng)充分考慮水錘對(duì)工程安全的影響，并對(duì)管路系統(tǒng)進(jìn)行水錘防護(hù)設(shè)計(jì)。

本文以引江濟(jì)淮工程（安徽段）派河截污導(dǎo)流水質(zhì)保護(hù)工程主干線加壓段埋地管道為背景，通過瞬變流計(jì)算中常用的特征線法建立全系統(tǒng)的水力過渡過程水力模型，提出系統(tǒng)水錘作用引起的非正常運(yùn)行最不利參數(shù)，并采用有效的水錘防護(hù)措施，得出一系列有意義的結(jié)論。

2 工程背景

2.1 工程概況

引江濟(jì)淮工程（安徽段）派河截污導(dǎo)流水質(zhì)保護(hù)工程是引江濟(jì)淮工程的重要組成部分，排水管線跨蜀山、高新、經(jīng)開、濱湖、肥西縣等區(qū)域。工程具有距離長、投資大、難度高等特點(diǎn)，其建成不僅有效保障了引江濟(jì)淮派河清水廊道，同時(shí)還解決了西部城區(qū)大部污水集中排放問題，奠定合肥西部排水總體格局，對(duì)合肥市長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

輸水工程線路總長55.0km，全部采用地面管道形式，其中主干線加壓段管道全長約9km，該段由加壓泵站提水至調(diào)壓池，泵站設(shè)計(jì)規(guī)模近期約為50萬t/d，遠(yuǎn)期80 萬t/d，采用埋地DN2200 的玻璃鋼夾砂管，雙管敷設(shè)，近期一用一備。近期6 臺(tái)加壓泵，5 用1 備；管道承壓值暫取1.0MPa，遠(yuǎn)期9 臺(tái)加壓泵，8 用1 備。

2.2 計(jì)算原理

水錘計(jì)算是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，包括管道內(nèi)點(diǎn)及與管道連接的水池、閥門及其他過流元件。在水錘計(jì)算中，對(duì)于管道系統(tǒng)內(nèi)點(diǎn)的計(jì)算是求解水錘基本方程，即由運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程組成的雙曲型偏微分方程組。為了便于計(jì)算機(jī)計(jì)算，將該偏微分方程組離散化，為此，在特征線方向?qū)⑺D(zhuǎn)化為水錘全微分方程：

圖1 x-t 坐標(biāo)系中的水錘特征線圖

有限差分方程式的推導(dǎo)分別是從A、B點(diǎn)沿C+、C-積分到P點(diǎn)，則A點(diǎn)的H由HA變?yōu)镠P，Q由QA變?yōu)镼P，B點(diǎn)的H由HB變?yōu)镠P，Q由QB變?yōu)镼P，可得近似簡化積分式為：

式中：Δx=αΔt。利用以x、t為坐標(biāo)的矩形網(wǎng)格來描述水錘計(jì)算的過程。如圖2 所示，將管路劃分為N個(gè)間距均為Δx的步段，斷面排列序號(hào)用i表示，管路始端斷面i=1，終端斷面i=N+1，計(jì)算時(shí)段則為。相容性方程中的角標(biāo)A、B分別用序號(hào)角標(biāo)“i-1、i+1”代替，P點(diǎn)則用角標(biāo)“Pi”代替。角標(biāo)變動(dòng)后，式（2）、式（3）的簡化式可改寫為：

圖2 簡化差分公式的矩形網(wǎng)格圖

解上述方程可得：

其中：

參數(shù)B、R和綜合參數(shù)Cp、CM可在可計(jì)算時(shí)段開始時(shí)先算出。式（6）、（7）也可寫為：

從式（6）到式（9）便是水錘分析中編入計(jì)算機(jī)程序的相容性方程。當(dāng)各點(diǎn)初始狀態(tài)時(shí)的Q、H值和邊界點(diǎn)的條件方程已知時(shí)，可根據(jù)前一時(shí)段t0時(shí)刻已知的Q、H值，用式（8）或式（9）求出后一時(shí)段t0+Δt時(shí)的Q、H值。

3 水錘計(jì)算與分析

3.1 管道穩(wěn)定流工況下水錘計(jì)算

管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力線如圖3。

圖3 管道穩(wěn)態(tài)運(yùn)行壓力線圖

3.2 管道非穩(wěn)定流工況下水錘計(jì)算

該工程主干線加壓段采取復(fù)合排氣閥配合箱式雙向調(diào)壓塔的形式預(yù)防水錘，全線共設(shè)置10 座復(fù)合排氣閥，并在靠近起點(diǎn)泵站出口100m 的位置設(shè)置一座雙向調(diào)壓塔。以該段近期50 萬t/d 規(guī)模為例，針對(duì)管道的水泵出口處閥門不同快慢關(guān)閥時(shí)間及角度時(shí)的管道水錘升壓進(jìn)行具體分析計(jì)算，如圖4。

圖4 水泵閥門不同快慢關(guān)閉時(shí)間及角度時(shí)水錘壓力線圖

3.3 分析與結(jié)論

由水泵出口閥門不同快慢關(guān)時(shí)間及角度時(shí)水錘壓力線中圖4 可以得到如下結(jié)論：①指定樁號(hào)處安裝復(fù)核排氣閥和箱式雙向調(diào)壓塔，當(dāng)多功能水泵控制閥的快關(guān)時(shí)間是5～8s，快關(guān)角度是60°～70°，總關(guān)時(shí)間是40～100s 時(shí)，管段的水錘升壓基本都降低至安全承壓范圍之內(nèi)，降壓效果十分明顯，且管道中不出現(xiàn)斷流空腔。②由于管道中的水錘壓力明顯降至承壓以內(nèi)，水泵出口閥門不同的快慢關(guān)時(shí)間和角度對(duì)管道中的壓力幾乎沒有影響。

4 結(jié)論和建議

通常預(yù)防水錘的方式有：在水泵出口安裝可以緩閉的止回閥；按規(guī)定設(shè)置一定量的排氣閥；在水泵出口及管道重要部位設(shè)置具有超壓泄壓或者防斷流功能的設(shè)備。

判斷水錘的危害程度及采取的水錘防護(hù)措施都要以相應(yīng)的停泵水錘為計(jì)算基礎(chǔ)，才能更好地、更經(jīng)濟(jì)地解決長距離加壓供排水工程中的水錘防護(hù)問題。

本工程選擇采用復(fù)核排氣閥配合箱式調(diào)壓塔的方式降壓效果明顯，水泵出口閥門不同總關(guān)時(shí)間對(duì)管道壓力影響很小，管道壓力安全穩(wěn)定，達(dá)到了有效防護(hù)管道水錘升壓的作用，為同類的供排水工程的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行提供了參考■