不同分水角度条件下管网水锤压力分配试验研究

魏闯，雷成霞，李明思,郭银

(1.山西水利职业技术学院，山西 运城 044004;2.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 8320003,黄河水利委员会水文局，河南 郑州 450000)

0 引言

中国是一个灌溉农业大国，灌溉用水量占全国总用量的65%，占农业用水量90%以上，节水灌溉技术对农业可持续发展有着极为重要的意义，而影响灌溉水利用率高低的关键因素是输配水过程中灌溉水的蒸发和渗漏损失，尤其在新疆表现更为明显，其蒸发量是降雨量的8倍以上，明渠大部分位于沙漠边缘地带，多数土壤为沙性土，渗透性很大，管道输水有效的解决了上述问题，而水锤问题是关键。已有学者进行了大量研究，主要集中于单管水锤的研究、流速、水头压力、管道特性与水锤的关系以及水锤的计算方式和防护措施等，但对不同分水角度与管网水锤压力的分配研究较少，而这些关系到农田管网的布设形式，同时是管网水锤中的重要问题。针对上述问题，文章主要分析不同分水角度与干管水锤对支管的水锤压力分配影响关系，为农业管网布设提供理论依据和支持。

1 试验概况

1.1 试验地点

此试验在石河子大学兵团灌溉试验中心站进行，2009年5月开始输配水管网水锤试验平台的建设，同年8月开始水锤分水角度压力分配实验。试验水源为试验站地下水，采用离心泵、PVC-U管网和蓄水池循环供水模式。

1.2 试验材料与方法

试验压力水采用KQW200/300-45/4型单级卧式离心泵提供动力，动力电源采用国家电网发电车单独供电，试验管网选用农业节水灌溉工程上常用的PVC-U管材，阀门为PVC材质的蝶阀，均为专业PVC厂家采购。管道长度为8 m，公称压力0.63 MPa，公称外径200 mm，壁厚4.90 mm。水锤压力动态监测采用工业计算机和压力变送器进行现场采集。流速监测和控制采用两套超声波流量计进行。

水锤试验管网按照工程上常用的树状管网的布置形式，铺设方式尽量接近实际工程使用条件，管道平放于整平后的试验大田田间地面上。试验管网干管管径200 mm，总长度32 m，设2个分支管，管径均为200 mm，长度均为16 m。分水口位于干管中间位置，分水角度设计为90°和45°(支管管道中心线与干管管道中心线夹角)两种情况进行试验研究，压力变送器安装于干管和支管侧面(选择其中一个支管安装)，支管分水角度90°(对置布置)试验管网具体布置和监测采集设备安装如图1所示，支管分水口角度45°试验管网具体布置和监测采集设备安装如图2所示。

图1 分水角度90°水锤分配压力试验管网布置图

图2 分水角度45°水锤分配压力试验管网布置图

进行水锤分配试验时，首先进行支管分水角度90°(对置布置)的水锤压力分配试验，先将干管上的阀门A关闭，阀门B、C、D处于全开状态，启动水泵，压力表读数稳定后，缓慢打开阀门A，试验管网干、支管开始充水，再通过阀门B、C、D接入回水管道，最终返回蓄水池，形成循环供水运行状态。整个管网运行稳定后，通过干、支管上的超声波流量计观测流量动态数值，干管和支管流速分别达到3.12 m/s和0.81 m/s的稳定数值后，启动压力监测采集系统采集压力数据，紧接着手动快速关闭干管末端的阀门B，并保持全关闭状态60 s，此时阀门A、C、D处于全开状态，压力变送器数据采集保持时间60 s，采集频率20次/s。为确保试验准确有效，按照上述试验程序，进行3次重复性试验。

分水角度45°布置水锤压力分配试验，试验程序同分水角度90°的布置水锤压力分配试验相同，干管流量参数控制条件相同，保持同一水流状态下进行3次重复性试验。

2 试验结果与分析

2.1 不同分水角度的水锤分配压力比率分析

按照管道布置形式，干管设12路压力监测点，为1路至12路，间距3.10 m，支管设6路监测点，为13路至18路，间距3.10 m。流量监测点为干管和支管各一处。实际试验时，管网流态稳定后，关闭干管末端阀门B。数据采集时间60 s，采集频率20次/s。设置支管的分水角度90°(对置布置)和45°两种情况，流速只控制干管流速，试验管道的阀门前必须设置压力监测点，进行试验研究。试验时，要求关闭干管末端的阀门，两个支管末端阀门保持正常过流状态。不同分水角度的支管水锤分配压力比率见表1和表2。

表1 水锤分配比率表(90°)

表2 水锤分配比率表(45°)

由表1和表2可以得出，分水角度为90°和45°的支管布置形式下，水锤压力分配比率范围分别为0.50～0.81和0.52～0.81，压力分配比率的平均值分别为0.65和0.66，极端压力分配水头值分别为19.65 m和21.58 m水头。分析比较可得，分水角度45°产生的干管水锤压力和支管分配压力水头值，均大于分水角90°对应的压力水头值，而水锤压力分配比率表大致一样。

2.2 不同分水角度布置条件下的水锤压力分配

由图3和图4可以看出，分水角度90°和45°布置的水锤压力变化波动整体趋势一致，变化幅度不同，分水角45°对应的水锤波动值滞后程度大于分水角90°，这与过流边界有关。结合干管和支管的压力监测点数据分析，干管压力水头的最大值出现在干管末端操作阀门B前即12路监测点，并向干管首端呈逐渐递减的变化规律，而支管最大压力水头值出现在干管分水口处，并向支管末端阀门处递减。同样条件下，分水角度45°布设的情况下，其产生的干管水锤压力水头和支管分配压力水头均大于分水角度90°(对置布置)产生的相应压力水头。这是因为90°分水角，其两个支管与干管水流方向呈垂直关系，分水口处流态相对紊乱，分配同样流量的情况下，90°分水角产生的水头损失要比45°大得多，不利于干管流量的分配，而在水锤波分配压力时，也会产生较大的压能损失，进而影响水锤波的传播，导致对应分配的压力值较小。

图3 管网水锤分配压力图(90°)

图4 管网水锤分配压力图(45°)

3 结论及建议

支管分水角度不同，不仅影响流速方向的改变，而且还会影响压力波传播的方向和水锤能量的分配。随着分水角度的减小，干管水锤的压力水头值和支管水锤压力的分配值均呈增加的变化规律，试验管网的沿程压力分部规律也是增大的趋势。压力分配的规律与操作阀门的位置有密切的关系，传播的距离瞬变源越远，水锤波在管道内传播时，压力能量衰减的越多。

支管分水角度不同，但水锤压力分配比率表基本相同，变化幅度不大，主要范围为0.50～0.81之间。干管压力水头值随传播距离的增加，向干管的首端递减，峰值出现在干管末端操作阀门前；干管水锤压力水头值由干管分水口处至支管末端阀门处，呈逐渐递减的趋势，这说明阀门前和分岔口处，均是水锤压力最大值最容易发生的地方，在农田管网水水中，应加以防范和重视。文中数据的获取主要来源于试验，为了技术进一步推广和应用，以后试验中应加强对不同分水口间距的研究，同时通过模型验证。