引汉济渭工程长距离有压输水管道水锤计算分析

王智阳　魏燕　连阳阳

关键词：长距离输水;压力管道;水锤;特征线法;水力过渡过程;引汉济渭工程

中图分类号：TU991.39 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.03.024

引用格式：王智阳，魏燕，连阳阳.引汉济渭工程长距离有压输水管道水锤计算分析[J].人民黄河，2022，44（3）：122-127.

长距离有压管道输水水流条件复杂、沿程磨损较大，且运行过程中阀门的调节或事故的发生等都会导致沿线的流量、流速、压力等水力参数发生急剧变化，进而引起水锤现象，对输水过程造成不利影响，严重时还会造成输水管道爆裂[1-6]。因此，为了满足实际输水需要，保证输水管线安全运行，在工程设计和优化运行时，对有压输水管道进行水力过渡过程计算，并选择安全可靠、方便合理、经济实用的水锤防护措施具有重要的意义。

近年来，国内学者对有压输水管道系统伴有空穴流、液柱分离两相瞬变流现象的研究取得了较大进展。杨开林等[7]对输水管道气泡动力特性进行了研究;黄玉毅等[8]对有压输水管道系统发生液柱分离现象进行了理论研究;宋张驰[9]在水锤理论分析的基础上进行了断流弥合水锤实验，通过控制不同的关阀时间，监测发生断流弥合水锤时管道流量变化值及测压点压力变化值，用实验数据进一步指导水锤的理论研究。

引汉济渭工程是陕西省境内的一项跨流域调水工程，输配水工程作为引汉济渭工程的重要组成部分，由黄池沟配水枢纽、南干线、北干线及相应的输水支线组成。北干线黄池沟配水枢纽至板桥出水池段输水线路长、流量大，输水线路沿线地势起伏不平，管线最低处管内最大净水头差约101m，有压管道内水流流速急剧变化，容易出现水锤现象，导致管道系统产生振动或者爆裂。因此，进行输水管线水力过渡过程计算，分析水力过渡过程中的水流特性，对输水管道的设计和运行具有重要意义。

笔者采用特征线法，通过建立长距离输水管线水锤计算数学模型，对引汉济渭二期工程北干线黄池沟配水枢纽至板桥出水池段输水管道系统稳定运行状态、调整运行状态、检修切除管段运行状态（分水口控制流量、分水口控制开度）和爆管状态下的水锤现象及变化规律进行了分析研究，确定了阀门最优开闭规律和操作规程，为引汉济渭工程输水管线的安全运行提供理论支撑，也为类似长距离输水管线的工程设计和运行管理提供借鉴。

1基本资料

1.1工程概况

引汉济渭二期工程由黄池沟配水枢纽、南干线黄池沟至灞河分水口段和北干线黄池沟至泾河新城分水口段等骨干工程组成。北干线全长约89.5km，始端设计流量30m/s，其中黄池沟至板桥出水池段全长约39.5km，沿线地形起伏高差大，全段采用重力流压力管道输水。黄池沟配水枢纽作为调水工程和输配水工程的衔接点，由分水池、池周进出水闸、池底泄洪设施、黑河连接洞、黄池沟黑河供水连通洞组成，具有“两进、三出、一放空、一溢流”的综合使用要求。

上黄池进口接北干线黄池沟隧洞出口，出口接压力管道闸室，作为水力连接通道，无调蓄要求。按设计流量输水时，进水池设计水位514.13m，出水管中心高程505.18m，池水位与管中心高差8.95m;小流量（5.5m/s）输水时，拟通过板桥进水池设置的调流调压阀控制，实现淹没要求。板桥出水池由管道段、调流调压段、出水池段组成，池顶高程500.00m，出水池设计水位498.00m。管道段总长72.05m，将2根DN3400钢管通过分水器分为8根DN1600钢管，接入调流调压段。调流调压段总长41.90m，8根DN1600钢管依次布设超声波流量计、半球阀、调流调压阀及半球阀，然后进入出水池。上黄池至板桥段连通阀、分水阀布置如图1所示（1为连通阀;2、3为前阀;4、6为后阀）。

1.2压力控制及水锤防护标准

根据《泵站设计规范》（GB50265—2010）、《水电站压力钢管设计规范》（SL/T281—2020）、《调水工程设计导则》（SL430—2008）的规定，并结合工程管线布置特征，水锤计算压力控制标准如下：①在各种设计工况下运行时，管道不应出现负压;②采取水锤综合防护设计后的输水管道系统不应出现水柱分离，瞬时最高压力不应大于工作压力的1.5倍;③管道顶端至少在最小压力（压力均以水头计，下同）线以下2m;④压力涵管的最小压力不宜小于2m，在管道出口处可根据情况适当降低，但不应小于1m。

根据以上标准，确定该工程的防护标准为：①采取水锤综合防护设计后的瞬时最高压力不超过管道设计压力。②非进、出口管段，采取水锤综合防护设计后的瞬时最高压力不大于工作压力的1.3倍。上黄池至板桥出水池压力管段，计算最高压力倍数时以板桥出水池处末端阀全关、上黄池水位514.88m的静水压力为基准工作压力。因此，静水压力在4～105m范围，且最低管道设计压力80m，计算最高压力倍数时只考虑静水压力超过35m的非进、出口管段。③正常运行状态切换或过渡工况采取水锤综合防护设计后，非进、出口管段的压力管道顶端的最小压力不小于2m，进、出口管段压力管道顶端的最小压力不小于1m。

2计算基本原理及计算模型

2.1水锤计算基本原理

水锤基本方程理论基础是非恒定流的力学规律和连续原理，通过运动方程和连续方程反映水力过渡过程中不稳定水流的流速和水头变化规律[10-13]。水锤计算基本微分方程可在特征线方向转换为全微分方程：

2.3水力过渡过程计算模型

对武汉大学开发的复杂管路多泵系统水力过渡过程计算软件進行升级，建立连通阀（7阀组合，不需要旁通阀时取关闭状态）计算模型，计算界面如图3所示。可根据需要设置主阀和旁通阀的开度，也可拟定两阶段关阀的过程（计算中按蝶阀或球阀给出性能曲线）。针对检修阀（4阀并联组合，用不到的阀门取关闭状态）、调流调压阀、分水口（因分水口后面管道系统未知，故只考虑分流流量，假定在分水口处有一个闸阀，分流流量随闸阀开度变化）等均建立了计算模型。

3计算结果分析

3.1系统稳定状态

对系统设计流量和最小流量两种稳定运行状态进行了分析计算。设计流量稳定运行状态考虑末端调流调压阀全开以最大流量放水及末端调流调压阀部分开启以设计流量放水两种工况。最小流量稳定运行状态只考虑单根供水管线运行，沿程检修阀全开、连通阀全闭，末端调流调压阀部分开启工况。系统稳定运行状态水力过渡过程计算结果见表1，管道压力沿程分布线见图4。

计算结果表明：①末端调流调压阀全开最大流量运行时，管道首端流量31.78m/s、末端流量24.78m/s，均大于设计流量（首端30.0m/s、末端23.0m/s）;②末端调流调压阀部分开启、设计流量运行时，调算得到末端调流调压阀的开度为11.31%;③最小流量运行时，调算得到末端调流调压阀的开度为1.29%，在此开度下，单管道首端流量5.0m/s，末端流量3.83m/s;④系统稳定运行状态下，全线最大压力出现在沙河倒虹吸处（桩号15+578附近），非进出口段管顶最小压力均大于2m，满足规范要求。设计流量运行时，全线最小压力出现在出口板桥出水池处;最小流量运行时，全线最小压力出现在上黄池的管道首端。

3.2系统调整运行状态

系统调整运行状态为由初始充满水零流量的静压状态启动到设计流量运行。对系统起运过程、停运过程、设计流量运行过渡到最小流量运行、最小流量运行过渡到设计流量运行、并管运行状态（按最不利情况考虑，假定一根管线按设计流量运行，另一根管线没有运行，分水阀、末端阀全关）5种工况进行了计算。系统调整运行状态水力过渡过程计算结果见表2。

计算结果表明：①系统调整运行状态，需要相应地改变末端调流调压阀的开度，由此容易产生较大的关阀水锤。系统停运时关阀水锤产生的压力波动更大，利用末端调流调压阀来延长关闭过程，水锤压力均在允许范围内。②系统调整运行状态全线最大压力110.593m，相比于工作压力（静水位514.88m下的压力），全线最大压力倍数1.481，非进出口段最大压力倍数1.247，满足“非进出口段最高压力不大于工作压力的1.3倍”的要求;全线最小压力5.244m，高于防护要求最小压力（-1.81m），不会出现水柱分离。因此，主管末端设置调流调压阀并缓慢关闭以进行工况切换是非常必要的。③当两根管运行状态差别较大时，打开连通阀会产生开阀水锤，且振荡较剧烈，主要原因是连通阀不带通阀，会加剧水锤。因此，连通阀的开关时间应取较长时间，计算中取180s，实际操作时可取更长。

3.3系统检修切除管段运行

对系统按设计流量运行时某管段发生故障或需要检修切除部分管段进行了模拟计算，分别考虑控制分水阀流量和开度两种情况，并设定7段（连通井、退水阀、检修阀）检修工况。系统检修状态水力过渡过程计算结果见表3。

计算结果表明：①控制分水阀流量的压力波动较控制分水阀开度的压力波动更大，原因是采用控制分水阀开度时，假定外面压力不变，导致边界条件起到了调蓄作用。控制分水阀开度的分水流量波动情况表明，切换部分管段后，在不加大末端调流调压阀开度的情况下，系统各分水口的流量均可达到设计流量的70%。②为减小压力波动，调算确定检修切换时，连通阀在180s内打开，各主阀开闭时间为480s（原初步计算确定为主阀开闭时间180s，旁通阀的主阀开闭时间为300s，旁通阀不参与正常运行中的工况切换），计算得到正常切换后的压力都在允许范围内。③系统检修切除管段运行状态下，全线最大压力104.858m，相比于工作压力（静水位514.88m下的压力），全线最大压力倍数1.062，满足“最高压力不大于工作压力的1.3倍”的要求;全线最小压力3.422m，高于防护最小压力-6.0m;管顶最小压力1.722m，但最小压力出现在出口段，仍满足“管道顶端的最小压力水头，非进、出口段不小于2m，进、出口段管的不小于1m”的防护要求，不会出现水柱分离。

3.4爆管计算

考虑较低位置PCCP管发生爆管的极端工况，以复核管道极端情况下的压力，并在不引起二次水锤情况下进行阀门操作。假设在1号管线上进口闸和1#连接阀井之间（桩号7+200）发生爆管，由于爆管属于非常工况，因此模拟计算允许水流汽化，可采用水柱分离模型，爆管点可近似处理为泄压阀突然打开（按最不利情况，设泄压阀在2s内突然完全打开）。分别对爆管不关阀、先打开连通阀再切除爆管段、先切除爆管段再打开连通阀3种工况进行了计算。爆管状态水力过渡过程计算结果见表4。

爆管状态水力过渡过程计算结果表明：①爆管口面积占主管面积100%时，计算得到爆管后全线最大压力为123.878m，全线压力升高，但未超过管道的设计压力;全线最大压力倍数2.441，非进出口管段最大压力倍数1.616，不能满足“非进出口段最高压力不大于工作压力的1.3倍”的要求;全线最小压力-9.5m，全线发生了大范围的水柱分离及再弥合。②针对不同的爆管面积比情况进行计算，以不引起二次爆管为原则，拟定了将爆管点所在段切除的相应阀门操作程序。结果表明：如果先连通两根主管，再切除爆管段，则可利用2号管线向发生爆管的1号管线补水，连通阀打开时间180s，切除爆管段的主阀可以在480s内关闭，但2号管线受影响较大;如果先切除爆管段，再连通两根主管，则因爆管泄漏流量大，故切除爆管段的主阀关闭时间需要1200s，然后打开连通阀时间300s，关阀时间较长，弃水量大，但2号管线受影响较小。因此，从系统安全性及供水可靠性出发，建议发生爆管时，先切除爆管段，再连通两根主管。

4结论

根据引汉济渭二期工程北干线上黄池至板桥段输水管线工程特点，利用水锤数值分析软件建立了长距离输水管线水锤计算基本模型，采用特征线法对39.5km的压力管道系统稳定运行状态、调整运行状态、检修切除管段运行状态（分水口控制流量、分水口控制开度）和爆管时的水力过渡过程进行计算，对输水管道系统末端阀门的关闭和打开方式进行了优化分析，确定了阀门的操作规程。结果表明：

（1）系统稳定状态运行时，在不调小末端调流调压阀开度的情况下，管道首端流量31.78m/s、末端流量24.78m/s，满足设计要求的供水能力。

（2）系统调整运行状态时，通过减小末端阀开度以减小系统流量容易产生较大的关阀水锤压力，主管末端应设置调流调压阀并缓慢关闭以进行工况切换。

当两根管运行状态差别较大时，打开连通阀会产生开阀水锤，且振荡较剧烈，连通阀的开关时间应取较长时间，本次计算取180s，实际操作时可取更长。

（3）系统检修切除管段运行时，控制分水阀开度的分水流量波动情况表明：切换部分管段后，在不加大末端调流调压阀开度的情况下，系统各分水口的流量均可达到设计流量的70%，因此控制分水閥流量在设计流量的70%是可行的。此外，为减小波动压力，连通阀在180s内打开、各主阀开闭时间为480s，正常切换后的压力都在允许范围内。

（4）若PCCP管发生爆管，爆管口面积占主管面积100%时，全线压力升高并发生大范围的水柱分离及再弥合，但整体未超过管道设计压力。此外，通过研究爆管状态下爆管点所在管段切除相应阀门的操作规程可以看出，发生爆管时先切除爆管段，再连通主管，可保证系统安全性及供水可靠性。

【责任编辑 张华岩】