供水工程中管道安全防护探讨

郭晓宇，范志宏，延耀兴

(1.山西农业大学城乡建设学院，山西 太谷 030801；2.山西农业大学文理学院，山西 太谷 030801；3.太原理工大学水利科学与工程学院，山西 太原 030024)

近些年来，对于长距离有压管道输水中瞬变流的问题研究成为国内外研究学者研究的焦点。在有压管道输水系统中，系统的压力是输送水流的重要能量条件，但是在某些情况下，输水管道系统由于所行进地形地貌条件限制，在有些管道系统中，系统的压头往往超过输送水流所需消耗的能量，这部分多余的能量如果不加以消除，将会对整个输水系统带来危害。在此类有压管道输水系统研究中，涉及许多水动力学、涡流力学、工程热物理学等学科的理论问题研究和实践探讨。本文以管道防护中水击问题、在线孔板消能问题、螺旋流问题的研究展开叙述。

1 水击问题研究

水击是由于有压管道在输水过程中，由于水流流速的急剧变化所导致的压强大幅波动现象。水击的发生对有压管道输水系统的破坏作用是十分巨大的，因此研究水击发生过程、加强水击防护具有十分重要的意义。

目前对水击问题的研究可分为两个方面。一是水击基本理论研究；二是水击防护的研究以及水击在实际工程中的应用研究。

在水击研究的初始阶段中，欧洲学者对水击问题的研究成果是最为突出的，法国工程师Menabreas[1]最早研究并观察记录了水击现象，并与1858年首次用能量分析的方法解释了水击理论。Joukovsky[2](1904年)通过大量实验研究及理论推导，第一次提出可用于直接计算的水击压强计算公式，此公式的提出使得水击理论研究可以和实际结合，后来此公式成为水击压强计算的经典公式。Allievi[3](1944年)全面系统的研究了水击理论及计算方法，且在1913年推导得到了水击的连锁方程组式，并提出了至今我们仍在运用的水击图解曲线，使得水击的理论研究更向前迈进了一步。Gibson[4]等(1919年)对水电站引水管道系统中阀门缓慢关闭对水击产生进行了研究，并于1923年首次提出可用于封闭管道水击测速的方法，即吉逋逊法。A.Lai[5]等对有压输水管网系统中水柱分离所产生的不可压缩气体水击现象进行了实验研究，伴随着水击理论研究的不断深入，研究学者对不可压缩气体的有压封闭管道水击波速度测定，并把水击问题的研究范围向石油输送、电站供水等管网系统运行领域扩展。

随着水击研究理论的不断深入，研究学者对水击问题的研究开始和具体的工程实际相结合，即有水击理论规律研究转向对工程实际的瞬变特性分析及危害控制与防护研究。国内外的研究者对防止水击发生消除水击危害进行了大量的试验研究，包括水击产生的共振控制和消除，阀门启闭过程中的最优化非线性关闭规律，电站供水系统中水力过程分析等。尤其是在有压引水管道系统中的非恒定流问题研究方面成果颇丰。

Gray(1953年)研究探讨了水击波消散规律。Cabelka(1959年)研究了有压管道系统中阀门不同启闭方式对水击的影响。Streeter(1963年)首次提出采用分段控制关闭阀门的方法防止水击危害的发生。Ruus(1966年)为控制水击危害，对水轮机进水阀门的关闭速度进行优化处理。

近十几年来，我国学者对水击问题研究也进行了大量试验工作。刘竹溪、孙万功等[6～10]对含气水锤或有压管道输水系统水锤防护做了大量研究，认为合理确定水锤及含气水锤防护研究非常重要。王学芳[11]等人通过对事故停泵时止回阀在重力作用下迅速关闭所造成的止回阀后空穴问题研究，针对空穴在水击波正负作用下反复产生与溃灭造成止回阀破坏，设计了一种新型旋启式水阻可控缓闭止回阀，该阀启闭迅速且关闭阀门时水锤较小。为了改善含气水锤压力损失，水锤防护装置在输水管道系统得到了广泛的应用。刘光临[12]等人结合水利工程实际分析了长距离管道高磨阻系统，认为水击作用易于形成气泡空穴，选择采用管道系统单向调压塔对系统水锤防护进行分析研究，对多种运行工况下事故停泵所导致的水力过渡调整过程中调压塔对管道系统水锤防护特性研究及水泵出口阀门启闭程序对系统压力及水锤防护装置——调压塔的水位变化的影响，得出合理确定调压塔的经济断面法，提出对于高扬程、长管道、大流量的水泵系统中设置调压塔，不仅可以有效控制事故停泵中系统的水力过渡所产生的水锤升降压问题，而且可以防止管道系统中产生水柱分离也有有良好效果。蒋劲[13]提出水泵系统中阀门最优关闭程序确定方法，分析了水泵出水口阀门的关闭特性，并提出了防止水锤的影响以及两阶段关闭阀门调节的水锤防护确定的最优关闭阀门程序，但所提阀调节程序在实际应用中受到一定条件限制。徐巧权[14]研究采用二阶段缓闭止回阀来代替一阶段微阻缓闭止回阀，对江西瑞安取水泵房管道系统调节，能够较好地消除水锤。杨晓蕾等[15]结合密云水库工程调水实践，对长距离有压输水管道启泵时水锤现象进行了模拟。杨远东[16]结合工程实例，提出了在泵房和输水管线设计过程中尽量避免出现驼峰降低管道系统水流流速、设置调压塔、缓闭式止回阀以及其它水锤防护消除装置减轻弥合水锤的影响。王连广、孙江河等[17- 18]长距离输水工程水力过渡过程及水锤防护进行研究，对水力特性参数进行了确定，超过特性参数必须采取防护措施。刘华[19]等对空气压力罐含气水锤防护装置进行了计算研究，研究表明设置空气压力罐的管道系统比不设置空气压力罐的系统最大压力和最小压力减低都十分明显。刘梅清[20]通过高扬程、长管道及复杂地形的水泵系统进行研究，结果表明利用单向调压塔水锤防护装置进行水击防护能有效地防止液柱分离现象的产生，并结合长距离有压输水管道系统实例，对其设置及取消空气阀进行了分别研究。

杨晓东[21]等结合远距离有压输水系统中进排气阀多点布置的实际情况，结合当量管道法和调整波速法，运用计算自动分段方法，将其应用于水锤计算过程中，通过建立进排气阀数学模型，以确定合适的计算方法，计算研究结果表明，管道系统中设置进排气阀可以较好地控制水击产生时的水柱分离的现象，并对远距离管道输水系统中停泵水锤压力防护提出了设置进排气阀来进行防护，能有效控制输水系统压力的骤变。杨玉思[22]等提出管道水击防护的重点是消除断流弥合水锤，并结合供水工程实例进行水击防护优化。万五一[23]等针对输水管道工程中的驼峰气阻和水击问题，引入气泡理论和流态分析方法，采用特征线法建立输水管道中水击模型。朱满林[24]等针对有压管道中空气阀水锤防护进行数值模拟，并结合算例利用特征线法对有压管道中的水锤防护效果进行数值计算。

总之，随着有压管道系统的大量应用，研究学者对水击的探讨逐渐向工程实践中水锤防护研究方面发展。

2 孔板消能问题研究

孔板消能装置是利用有压流动条件下，水流在流经孔板时由于过流断面的急剧变化，在孔板处产生加速水流，与孔板后慢速水体发生激烈的剪切作用，并在孔板消能室内部发生强烈紊动流动，以此来消耗水流能量的一种新型消能工装置。目前大型水利水电工程的导流洞、引水洞等改建成为泄洪洞所采用的消能方式多用竖井漩流式、突缩突扩式等多种形式的消能工，此类消能装置兼具有孔板消能的特性，而孔板消能在在线式长距离输水系统中的以旁路管道形式来预防水击发生也有重要的研究意义。

早在20世纪50年代W.Ball，H.Rouse等人就对突扩式压力消能装置进行过试验研究，国内南京水科院也曾经于1956年对两个泄水洞压力消能建筑物进行过试验研究，但真正意义上采用孔板消能工进行系统消能研究还是在我国黄河小浪底工程。此后，国内众多科研院所和工程设计单位对孔板泄洪洞的尺寸、形状、结构振动及水动力特性等问题进行了大量细致的研究。

目前，黄河小浪底水利枢纽泄洪洞是世界上首次大规模使用单孔多级设置孔板消能的工程应用实例，整个泄洪洞工程把3条超大直径的导流洞改建为永久性泄洪洞。通过孔板消能在黄河小浪底泄洪洞的设计和研究，对泄洪洞内孔板室内水流的流速、流态及压力变化过程规律进行了大量试验，对孔板消能装置水头损失系数及孔板消能室内空化等问题进行了试验研究，试验结果表明，孔板消能工消能效率高、效果显著，且消耗的能量大多转化为热能被水流带走，因此大大降低了泄洪洞内断面水流的平均流速，从而减轻小浪底水利枢纽泄洪洞从高含沙水流——黄河引水对泄洪洞衬壁的磨损。小浪底导流洞成功改建为从高水头、高流速、高含沙水流的泄洪建筑物的消能方式开辟一条新的途径[25- 26]。

黄河小浪底水利枢纽中多级孔板消能装置的成功应用，使得国内外众多工程设计单位及科研院校对孔板消能工研究进一步深入，开辟了孔板消能技术的新纪元。清华大学、北京水科院、南京水利院、大连理工大学、太原理工大学等对不同形式管道系统孔板消能装置的消能效率、空化特性、流速分布等方面进行了大量试验研究，在多级孔板消能、射流消能、螺旋流消能与螺旋孔消能方面都取得了丰硕研究成果，并将成果运用于工程设计实践，取得了良好的经济效益和社会效益。随着孔板消能工研究的不断深入，孔板消能的装置必将对长距离有压输水系统中的过压消能问题提供一种可行的解决途径。

3 螺旋流消能问题研究

螺旋流是一种具有特定旋转流场的流体流动形式，在日常生活和工业方面的应用范围十分常见，如龙卷风、涡管效应、旋风分离、水流泥沙旋流器及管道中常见的螺旋流消能器等。螺旋流在流动过程中携带着较大的动能和涡量，因此一直得到众多研究者的极大关注。螺旋流的这种特殊的能量如加以利用，一方面可以推动水流中其它物质的运动，如螺旋流输移泥沙、螺旋流管道水力输送等；另一方面在螺旋流的产生和消亡过程中又能够消耗大量的能量，可用于在线式管道消能防护研究。

螺旋流的起旋方式主要有以下几种，在管道入口段安装导叶栅、旋流轨道、导流片、水流切向喷射以及各种形式的特殊旋流起旋器等。对于螺旋流研究，国内外研究学者已经进行了大量研究工作，重点主要集中在影响螺旋流流动特性的影响因素上，如进流方式、工作介质、管道条件等，以提高螺旋流的起旋装置的能效和性能，其技术应用已十分成熟。

Ben jamin(1962年)[28]在忽略流体粘性情况下证明了螺旋流中中亚、超临界区的存在。Youssef(1966年)研究结果表明，旋流强度与衰减系数存在有一定函数关系，螺旋流的强度越强衰减系数越大，即螺旋流衰减的越快。Weske Sturove[29](1974年)研究发现随着螺旋流向下游的推移，旋流的周向速度的峰值逐渐衰减并向轴线偏移，而轴向速度在不同强度旋流场中也大不相同，低速旋流场呈轴线处单峰型，高速旋流场呈轴线两侧双峰型。Kitoh[30](1991年)的实验研究结果表明，螺旋流的强度衰减特性在半对数图上呈现为分段直线，且Si>0.1的斜率小于Si<0.1的斜率，在Si=0.1为折点处，表明衰减指数是分段指数。Chang Dhir[31](1994年)的实验研究表明，在Si>0.1时，螺旋流的强度衰减特性在半对数图上是一条0.7次幂的曲线，而并不完全呈现为直线。熊鳌魁和魏庆鼎[32](1999年)以水为介质，利用激光测速仪对Horri提出的自生成螺旋流装置螺旋流的时均速度分布研究，发现该情况下时均流动先是成不对称双涡结构，然后过渡到单一涡结构，进而形成螺旋流。

近十几年来，国内外不少研究学者针对高雷诺数下的螺旋流流场进行数值计算，建立了许多修正的紊流模型。宫崎薰[33]采用Chen′sD和Lilley′s 、Chang和uggins、Abujelala的标准k-ε模型及紊流模型进行比较研究，并采用二维轴对称数值模型对自生成螺旋流装置螺旋流流场进行数值模拟。孙西欢[34]等研制了圆管螺旋流的局部起旋器，通过大量实验对局部起旋器在圆管螺旋流出口段的轴向流速与周向流速分布进行了研究，研究结论为，水流受水惯性与流勃性的作用，螺旋流轴速度分布则受周向旋转水流作用影响，流速分布为类对数分布；而周向速度分布由部分断面向全断面渐变为线性分布。延耀兴等[35～37]对孔板螺旋流消能装置进行了试验研究，利用多孔扭转形成螺旋流场，结合孔口消能及螺旋流双重特性，并进行了数值模拟。饶永超等[38]采用雷诺应力湍流模型(RSM)对水平管内由短螺旋扭带起旋的螺旋流流动特性进行了数值模拟研究。

随着管道螺旋流能耗方面的研究不断深入，国内外学者在有压长距离输水管道系统中螺旋流研究方面取得了大批研究成果，必将开辟管道系统螺旋流研究的新纪元。

4 结论

长距离有压输水工程中的管道安全防护方式很多，孔板消能已成为管道在线消能的一种主流消能方式，并在工程实践中得到大量应用。螺旋流对于能量消耗逐渐被大家所认识，但对于螺旋流消能研究仍然处于初步探索阶段。水击问题的研究已从水击基础理论探讨逐渐向工程实践中水锤防护、模拟计算等方面研究。本文通过分析管道水力瞬变流、管道消能及管道输运能耗方面问题，对水锤防护、孔板消能、以及螺旋流研究进行总结研究。由于研究篇幅有限，本文重点研究探讨了三种管道输水防护设施，对其它管道防护有待做进一步研究，以期为管道水力瞬变流防护研究设计提供借鉴。