馬志敏，喬俊蕾，付永飛

(1.安陽市水利局，河南 安陽 455000；2.河南省豫北水利勘測設(shè)計院有限公司，河南 安陽 455000)

近年來，隨著南水北調(diào)工程的建成運行，相應(yīng)的引調(diào)水配套工程相繼建成，工程對輸水保證率要求高，所以輸水系統(tǒng)的運行安全十分重要。水錘是危害輸水系統(tǒng)安全的一個重要因素，因此，水錘防護尤為重要。但人們對水錘的物理性質(zhì)和微觀機理的認識和研究還不全面，在實際工程中，往往由于對水錘問題的認識不足而盲目地提高設(shè)計標準，或由于對水錘防護措施考慮不周而引起運行事故。因此，為減少有壓輸水系統(tǒng)水錘壓力過高或過低而對工程產(chǎn)生危害，必須以合理設(shè)置水錘防護措施為前提。長距離壓力輸水管道分為加壓和有壓重力輸水2種方式，兩者壓力產(chǎn)生原因和運行原理不同，水錘產(chǎn)生的機理及水錘防護也不同，對其分別進行水錘防護分析非常必要[1- 4]。

1 工程概況

1.1 長距離加壓輸水

安陽市某調(diào)水工程通過新建壓力輸水管道、梯級泵站將南水北調(diào)水輸送到安陽市西部A水廠和B水廠。工程設(shè)計年調(diào)水量7 000萬m3，其中，A水廠3 000萬m3，B水廠4 000萬m3。工程沿線地形主要為平原、淺山丘陵區(qū)和山前平原，總體地勢西高東低，中部山地突出、地形起伏較大。根據(jù)沿線地形特點，本工程以地埋壓力管道輸水為主，局部采用隧洞內(nèi)無壓自流。輸水工程管線全長49.6 km，設(shè)置3座梯級加壓泵站，開挖隧洞13.1 km。供水系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 長距離加壓供水系統(tǒng)組成示意

取水口設(shè)計水位91.44 m，A、B水廠前池設(shè)計水位分別為150.4、369 m。沿線設(shè)計管線參數(shù)和水泵選型參數(shù)分別見表1、2。

表1 管道設(shè)計參數(shù)

表2 各級泵站設(shè)計參數(shù)

1.2 長距離有壓重力輸水

安陽市某引水工程自水庫引水至C水廠和D水廠，設(shè)計總規(guī)模為20萬m3/d，設(shè)計流量2.55 m3/s，年引水量7 300萬m3。如圖2所示，引水管道總長35.7 km，其中引水主管線長21.76 km，采用預應(yīng)力鋼筒混凝土管；C水廠支管線長2.54 km，為現(xiàn)狀管道，采用預應(yīng)力混凝土管；D水廠管線長11.4 km，采用K9級球墨鑄鐵管。兩水廠設(shè)計引水規(guī)模均為10萬m3/d，設(shè)計引水流量均為1.27 m3/s。

水庫正常蓄水位147.2 m，死水位123.8 m，根據(jù)多年平均水位分析，管道進口設(shè)計引水水位為127.7 m，最低引水水位為123.8 m(死水位)，設(shè)計最高引水水位為158.06 m(正常蓄水位)。管道引水至C水廠和D水廠水處理池，C水廠處理池水位為81 m，D水廠水處理池水位為72 m。管道出口壓力高于蓄水池水位2 m。

閥門設(shè)置：①C水廠現(xiàn)狀引水管道工作壓力0.4 MPa，接入處管道工作壓力0.23 MPa。新建管道分水口處，設(shè)計流量狀態(tài)下，各水位時工作壓力為0.41～0.71 MPa，最大靜水壓力為0.85 MPa。接入處新建管道的運行壓力大于現(xiàn)狀管道的運行壓力，需進行減壓。同時，為進行流量控制和保證滿足現(xiàn)狀管道的運行要求，C水廠支線進口處需設(shè)置調(diào)流調(diào)壓閥，閥門下游壓力為0.13～0.2 MPa(保證C水廠地面以上水壓6 m)。②為進行流量控制，D水廠末端設(shè)置調(diào)流調(diào)壓閥。③為保證調(diào)流調(diào)壓閥閥前壓力穩(wěn)定，在分水口上游主管線上設(shè)置DN1400減壓穩(wěn)壓閥，要求下游控制壓力>0.25 MPa，同時應(yīng)結(jié)合D水廠分水口所需壓力確定控制壓力。

圖2 長距離有壓重力輸水系統(tǒng)

2 計算原理

水錘是壓力管道由于某些外界原因(如閥門突然關(guān)閉，水泵機組突然停車等)使水的流速發(fā)生突然變化，從而引起壓強突然升高或降低的交替變化現(xiàn)象。長距離加壓輸水和有壓重力輸水系統(tǒng)工作原理不同，水錘壓力產(chǎn)生的控制工況也不相同。長距離加壓輸水系統(tǒng)以泵站機組突然停車為控制工況，有壓重力輸水系統(tǒng)以閥門的啟閉為控制工況。將管道材料及水體當作彈性體考慮，水錘計算公式[5-7]為

(1)

式中，H為壓力水頭；V為管道中的流速，向下游為正；a為水錘波傳播速度；f為水流摩擦阻力系數(shù)；D為管道直徑；x為距離，其正方向與流速為一致；t為時間。

水錘的連鎖方程為

(2)

(3)

初始條件。當管道中水流由恒定流變?yōu)榉呛愣鲿r，恒定流的終了時刻為非恒定流的開始時刻。即當t=0時，管道中任何斷面的流速V=V0；如不計水頭損失，水頭H=H0。

邊界條件。①管道進口。對以上2個工程，管道進口為壓力前池和水庫，前池水位和水庫水位變化速度與管道中水錘計算時間相比，變化比較緩慢，因此管道進口邊界條件為Hp=H0。②分叉口。水頭相同，即Hp1=Hp2=Hp3=…=Hp，流量連續(xù)，即ΣQ=0。③調(diào)壓井。把調(diào)壓井作為斷面較大的分叉口，其邊界條件為調(diào)壓室內(nèi)有自由水面，而隧洞、調(diào)壓井與壓力管道的交點和分叉口相同。

3 模型建立

對長距離加壓輸水系統(tǒng)和有壓重力輸水系統(tǒng)分別采用Fortran程序和水錘分析軟件Kypipe2000進行水力過渡過程計算分析。Fortran程序以瞬變流為基礎(chǔ)，以特征線法為求解方法；Kypipe2000以彈性水柱理論的2個基本方程為基礎(chǔ)，采用拉格朗日波特性法進行數(shù)值求解。

4 水錘防護分析

4.1 計算結(jié)果

4.1.1 長距離加壓輸水系統(tǒng)

根據(jù)工程運行和布置特點，3個泵站首尾相連，為保證整個系統(tǒng)的水流連貫性，對輸水系統(tǒng)進行水力過渡過程分析。同時，各泵站間管道連接處均為進/出水池，停泵水錘壓力互不影響，因此，控制工況為1號～3號泵站同時抽水斷電。

分析工程運行的3種工況，分別是設(shè)計流量工況、按年供水量計算的流量工況和40%設(shè)計流量工況。3種工況下系統(tǒng)無水錘防護措施保護時，水泵機組同時抽水斷電過渡過程計算結(jié)果顯示，水泵不發(fā)生反轉(zhuǎn)，正壓滿足要求，但管道不同部位存在不同程度的嚴重負壓，需要采取水錘防護措施。各工況無水錘防護時的壓力計算結(jié)果如表3所示。由表3可知，工況1時負壓值最大，因此，按照工況1進行水錘防護方案設(shè)計。

加壓輸水系統(tǒng)水錘防護措施主要有單向穩(wěn)壓塔、雙向穩(wěn)壓塔、空氣罐以及空氣閥等，同時，為防止停泵時水泵倒轉(zhuǎn)危害水泵機組安全，泵后控制閥門關(guān)閉時間也進行相應(yīng)的設(shè)置。由于輸水沿線交通不便，考慮運行安全及管理方便，本工程推薦采用“空氣罐+空氣閥”組合防護方案，本文不再敘述單向、雙向穩(wěn)壓塔防護方案計算結(jié)果。

表3 各工況無水錘防護時壓力計算

表4 空氣罐設(shè)計參數(shù)

在1號泵站后設(shè)置空氣罐，泵后管段上增設(shè)空氣閥，均連接雙管；在2號、3號泵站水泵出口處設(shè)置空氣罐，泵后管段上增設(shè)空氣閥，均連接單管輸水管道，泵后控制閥從0 s開始以1/8 s一段速率直線關(guān)閉。各泵站段防護措施(空氣罐和空氣閥)布置見圖3～圖5。

圖3 1號泵站空氣罐和空氣閥布置示意

圖4 2號泵站空氣罐和空氣閥布置示意

圖5 3號泵站空氣罐和空氣閥布置示意

空氣罐設(shè)計參數(shù)如表4所示，空氣閥布置設(shè)計如表5所示，空氣閥直徑0.12 m。采用“空氣罐+空氣閥”組合防護方案后，各泵段水壓計算結(jié)果見表6，各管段水壓力包絡(luò)線如圖6～9所示。

表5 空氣閥設(shè)置

隨著水錘防護技術(shù)的不斷進步，出現(xiàn)了三孔空氣閥(由吸氣孔口，微量排氣孔口，高速排氣孔口組成)、零流速自動追蹤止回閥(在零流速時刻點，關(guān)閉到底)等產(chǎn)品。理論計算上，這些產(chǎn)品與空氣罐組合，同樣能起到水錘防護的作用。

表6 各段壓力統(tǒng)計

圖6 1號泵站～2號泵站管段壓力包絡(luò)線

圖7 2號泵站～3號泵站管段壓力包絡(luò)線

圖8 3號泵站～B水廠管段壓力包絡(luò)線

圖9 分水口～A水廠管段壓力包絡(luò)線

圖10為壓力罐、三孔空氣閥和零流速自動追蹤止回閥組合防水錘方案的計算結(jié)果。由圖10可知，1號泵站最低壓力為-3.3 m，位于樁號11+800，最高壓力為108.6 m，位于樁號0+600；2號泵站最低壓力為-1.3 m，位于樁號17+400，最高壓力為135.7 m，位于止回閥出口處；3號泵站最低壓力為-2.5 m，位于樁號48+100，最高壓力為186.6 m，位于止回閥出口。根據(jù)計算結(jié)果，最大、最小壓力均滿足水錘控制目標要求。

圖10 1號泵站～B水廠管段壓力包絡(luò)線(空氣罐+三孔空氣閥+零流速自動追蹤止回閥)

4.1.2 長距離有壓重力輸水系統(tǒng)

根據(jù)工程管道布置及水庫水位、管道出口水位，結(jié)合管材承壓能力，本次水錘分析控制目標：①最低負壓≥-2 m；②分叉口至C水廠管線最高壓力不超過20 m；③新建管道最高升壓水錘不應(yīng)大于工作壓力的1.3～1.5倍。

根據(jù)閥門特性，設(shè)置C、D水廠支線調(diào)流調(diào)壓閥和主管道末端減壓穩(wěn)壓閥全程關(guān)閉總歷時600 s，70%開度開始關(guān)閥，420 s完全關(guān)閉。計算結(jié)果見圖11～12。由圖11、12可知，全線沒有出現(xiàn)負壓，最高壓力100.1 m，出現(xiàn)在樁號21+577。

圖11 水庫～C水廠管段壓力包絡(luò)線

圖12 水庫～D水廠管段壓力包絡(luò)線

因C水廠支線管道承壓能力較小，為保證其安全性，需分析D水廠支線水錘壓力對其的影響，即進行D水廠關(guān)閉末端調(diào)流調(diào)壓閥，C水廠支線正常運行時的水力過渡過程分析。閥門關(guān)閉規(guī)律同上，計算結(jié)果見圖13。

圖13 水庫～C水廠管段壓力包絡(luò)線(D水廠支線關(guān)閉閥門)

D水廠調(diào)流調(diào)壓閥在600s內(nèi)線性關(guān)閥時，分叉口至D水廠管線最高壓力17.9 m，出現(xiàn)在樁號C0+450處。升壓水錘和降壓水錘均符合水錘控制目標，無風險。

4.2 計算結(jié)果分析

(1)停泵水錘由降壓波開始往下游傳播，在水池處異號反射成升壓波，在止回閥閥瓣處再反射成升壓(2倍ΔH)從而成為具有破壞性特征的高壓波，它是降壓波的反射波，降壓波是起因，降壓波及其可能導致的負壓水錘破壞性更嚴重。因此，長距離加壓輸水系統(tǒng)產(chǎn)生的最大正壓多發(fā)生在水泵出口處，而負壓多發(fā)生在管線連續(xù)爬坡處。長距離加壓輸水系統(tǒng)水流流動的動力由外界加壓產(chǎn)生，動力的起始、終止為該系統(tǒng)水錘產(chǎn)生的控制工況。

(2)長距離有壓重力輸水系統(tǒng)水流動力由自重產(chǎn)生，常見水錘產(chǎn)生工況為閥門的開啟和關(guān)閉。該系統(tǒng)水錘防護主要為在各種工況下保持水流的平穩(wěn)流態(tài)。水錘防護措施主要為調(diào)流調(diào)壓閥、空氣閥、水擊泄放閥等[8-10]。

4.3 防護措施

通過對長距離加壓和有壓重力2種輸水系統(tǒng)進行計算分析，根據(jù)相應(yīng)輸水系統(tǒng)的工作特點，提出對水錘的防護方案。

4.3.1 長距離加壓輸水系統(tǒng)

(1)在泵后設(shè)置止回閥以保證水泵機組安全。

(2)降壓水錘措施。在泵站后或連續(xù)爬坡的處設(shè)置空氣罐、單向穩(wěn)壓塔、雙向穩(wěn)壓塔等，在沿線設(shè)置空氣閥等。

(3)正壓水錘措施。在末端設(shè)置水擊泄放閥。管道較大時，大閥反應(yīng)慢，泄放閥宜一分為二或三，多閥互為備用。

4.3.2 長距離有壓重力輸水系統(tǒng)

(1)主動防護。在輸水系統(tǒng)的末端安裝合適的調(diào)流調(diào)壓閥，上游控制閥門開啟或關(guān)閉時，首先開啟或關(guān)閉末端的調(diào)流調(diào)壓閥，使水流關(guān)閥時流量勻速減小，開閥時流量勻速增大，即讓系統(tǒng)流量呈線性變化，這樣可以大大減小水錘發(fā)生的可能或者水錘壓力。調(diào)流調(diào)壓閥的位置越靠近末端越好，即下調(diào)節(jié)較上調(diào)節(jié)好；調(diào)流調(diào)壓閥開度應(yīng)處于40%～80%區(qū)間，流量跨度較大時宜雙閥并聯(lián)。

(2)被動防護。末端升壓控制中途沿線升壓高度。為防止突發(fā)情況，可在末端設(shè)置水擊泄放閥，末端泄水越多，中途升壓越小，末端升壓被削減之后，反射的降壓波低谷也被抬升了，沿線的負壓及其可能的彌合水錘風險也大幅降低，沿線排氣閥也成為二級備用防護措施。

5 結(jié) 論

水錘的防護問題經(jīng)常給輸水工程的建設(shè)帶來困擾，不同的輸水系統(tǒng)往往需要按照其特點制定水錘的防護措施。本文對某輸水工程采用長距離加壓和有壓重力輸水2種輸水系統(tǒng)進行水力過渡過程計算，由管道各段壓計算結(jié)果可得到相關(guān)風險位置，提出了針對2種輸水系統(tǒng)的防護措施方案，可以有效解決水錘的防護問題，提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性、耐久性。