基于HAMMER 的斗门水库引水管水力过渡分析

刘帮超

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710000）

斗门水库是陕西省“引汉济渭”输配水工程重要组成部分,是一座以调蓄“引汉济渭”工程来水,兼顾城市生活供水、沣河防洪及改善生态环境的综合性水库项目。水库位于西咸新区沣东新城的南部,工程等级为Ⅲ等中型水利工程。斗门水库是一座以供水、防洪为主,兼顾改善生态环境的综合利用平原水库。库址位于沣河东岸昆明池遗迹,库区总面积10.4 km3,水库总库容4600 万m3。斗门水库南池引水管道工程作为斗门水库重要组成部分,承担着工程自引汉济渭沣西、沣东支线分水口取水引至斗门水库南池的引水任务。

1 工程概述

斗门水库南池引水管道工程,位于西安市西南方向50 km处,工程起点位于引汉济渭南干线西安西南郊分水口,向东北方向敷设,末点位于斗门水库南池,线路全长31.1 km,设计引水流量6.0 m3/s。工程采用全段重力流输水,设计上水位494.8 m,设计下水位406.7 m,总水头高差88.1 m,按照管径全段管线共分为3 段,其中,0 km～25.4 km 采用DN1800 PCCP管,25.4 km～29.7 km 段采用DN1600 PCCP 管,29.7 km～31.1 km段采用DN1400 PCCP 管。

全段共设置3 个分水消力点。桩号28+452 处设1#分水消力,分水流量2 m3/s,桩号29+711 处设2#分水消力,分水流量2 m3/s,桩号31+077 处设3#分水消力,分水流量2 m3/s。在桩号27+430 处安装1 台DN1600 调流调压阀。工程布局见图1。

图1 工程布局示意图

2 计算原理及依据

水力计算采用《室外给水设计标准》（GB 50013-2018）,输配水管道海森-威廉公式,PCCP 管海森威廉系数取130,局部损失按沿程损失的10%考虑。

水力过渡计算是对整个输水管道系统进行计算分析,包括管道内节点与管道连接的水池、阀门等其他过流元件以及空气阀、空气罐、调压井等防护设备。在计算中,对管道节点是基于封闭管道的连续性方程和运动方程,利用特征线法将这两个偏微分方程转化成全微分方程,沿左右两条特征线进行迭代求解。当所求解的节点不是管道节点时,将节点的特征线方程与相应的边界条件联立进行求解。

水力过渡分析计算采用HAMMER 水锤计算软件。根据线路布置及参数,分别计算直线关阀工况、两阶段关阀工况、2 台旁通阀关阀工况、1 台旁通阀关阀工况。

3 计算分析

3.1 调流阀直线关闭工况

令27+430.00 处DN1600 调流阀直线关闭,计算不同关闭时间对应的压力极值,统计见表1。

表1 调流阀直线关闭压力极值统计

由表1 可知,关阀历时越长,压力波动幅度越小,升压和降压越小；当关阀时间小于3600 s 时,系统会出现负压,故调流阀直线关闭历时不应低于3600 s。图2 为整个引水管段水压标高包络线,图3 为调流调压阀进口流量压力瞬变,图4为最大压力节点流量压力瞬变。

图2 引水管段水压标高包络线（直线关阀3600 s）

图3 调流阀进口流量压力瞬变（直线关阀3600 s）

图4 最大压力节点流量压力瞬变（直线关阀3600 s）

3.2 调流阀两阶段关闭工况

由直线关阀计算结果可知,当调流阀直线关闭时,关阀历时不应低于3600 s,对于直径DN1600 的阀门比较难以实现,为缩短关阀历时,令调流阀两阶段关闭。通过调算,计算采用调流阀600 s 关闭94%,1200 s 关完。图5 为整个引水管段水压标高包络线,图6 为调流调压阀进口流量压力瞬变,图7为最大压力节点流量压力瞬变。

图5 引水管段水压标高包络线（两阶段关阀600 s 关闭94%,1200 s 关完）

图6 调流阀进口流量压力瞬变（两阶段关阀600 s 关闭94%,1200 s 关完）

图7 最大压力节点流量压力瞬变（两阶段关阀600 s 关闭94%,1200 s 关完）

由计算结果知,当阀门两阶段关闭时,关阀总历时可以从3600 s 缩短到1200 s,且系统升压和降压幅度都有效减小。引水管道自上游至下游升压逐渐变大,最大压力出现在桩号22+386.79,Hax=115.4 m,为此处静压的1.07 倍；最小压力1.8 m,出现在桩号27+899.98 处。各节点与调流阀进口压力瞬变趋势相同,从阀门开始关闭到500 s 左右压力升高很小,在快速关闭阶段最后100 s,即500 s～600 s 压力迅速升高,开始缓闭时,压力有小幅下降,随后缓慢升高,阀门完全关闭后,压力在静压上下周期性震荡,并由于管道阻尼作用,振幅越来越小,最后趋于静压。

3.3 设旁通阀两阶段关闭工况

为达到两阶段关闭效果,且易于工程操作,在DN1600调流阀旁设旁通支管及旁通阀。通过模拟分析,建议设2 根DN400 旁通支管或1 根DN600 旁通支管,关阀时,先关闭DN1600 主阀,再关闭旁通阀。

3.3.1 设2 根DN400 旁通支管,两阶段关闭工况

令主阀480 s 关闭,2 台DN400 旁通阀依次300 s 关闭,关阀总历时1080 s。图8 为整个引水管段水压标高包络线,图9、图10、图11 为调流调压阀进口流量压力瞬变,图12为最大压力节点流量压力瞬变。

图8 引水管段水压标高包络线（主阀480 s 关闭,2 台旁通阀300 s 关闭）

图9 调流阀进口流量压力瞬变（主阀480 s 关闭,2 台旁通阀300 s 关闭）

图10 旁通阀1 进口流量压力瞬变（主阀480 s 关闭,2 台旁通阀300 s 关闭）

图11 旁通阀2 进口流量压力瞬变（主阀480 s 关闭,2 台旁通阀300 s 关闭）

图12 最大压力节点流量压力瞬变（主阀480 s 关闭,2 台旁通阀300 s 关闭）

由该工况计算结果知,引水管道自上游至下游升压逐渐变大,最大压力出现在桩号22+386.79 处,Hax=126.0 m,为此处静压的1.17 倍；最小压力0.8 m,出现在主阀进口。旁通阀进口流量随着主阀关闭逐渐升高,当主阀完全关闭时达到最大流量点,然后随着旁通阀关闭流量变小。各节点与主阀、旁通调流阀进口压力瞬变趋势相同,从阀门开始关闭到400 s 左右压力升高很小,在主阀最后关闭80 s,即400 s～480 s 压力迅速升高,主阀完全关闭后,旁通阀开始关闭时,压力有小幅下降,然后随着缓闭阀关闭缓慢升高,当缓闭阀完全关闭后,压力在静压上下周期性震荡,并由于管道阻尼作用,振幅越来越小,最后趋于静压。

3.3.2 设1 根DN600 旁通支管,两阶段关闭工况

主阀480 s 关闭,1 台DN600 旁通阀600 s 关闭,关阀总历时1080 s。图13 为整个引水管段水压标高包络线,图14、图15 为调流调压阀、旁通阀进口流量压力瞬变,图16 为最大压力节点流量压力瞬变。

图13 引水管段水压标高包络线（主阀480 s 关闭,旁通阀600 s 关闭）

图14 调流阀进口流量压力瞬变（主阀480 s 关闭,旁通阀600 s 关闭）

图15 旁通阀进口流量压力瞬变（主阀480 s 关闭,旁通阀600 s 关闭）

由该工况计算结果知,引水管道自上游至下游升压逐渐变大,最大压力出现在桩号22+386.79 处,Hax=127.5 m,为此处静压的1.19 倍；最小压力0.8 m,出现在主阀进口。旁通阀进口流量随着主阀关闭逐渐升高,当主阀完全关闭时达到最大流量点,然后随着旁通阀关闭流量变小。各节点与主阀、旁通调流阀进口压力瞬变趋势相同,从阀门开始关闭到400 s左右压力升高很小,在主阀最后关闭80s,即400 s～480 s 压力迅速升高,主阀完全关闭后,旁通阀开始关闭时,压力有小幅下降,然后随着缓闭阀关闭缓慢升高,当缓闭阀完全关闭后,压力在静压上下周期性震荡,并由于管道阻尼作用,振幅越来越小,最后趋于静压。

4 结论及建议

4.1 计算结论

按照各工况计算结果,将不同工况阀门动作规律对应的最大、最小压力值及发生位置进行统计见表2。

表2 各工况最大、最小压力计算结果统计表

由计算结果知,当调流阀直线关闭时,需要关阀历时过长,阀门设备需要突破规范标准定制；两阶段关闭可大大缩短关阀历时,但历时仍然较长,工程要实现对关阀时间及关闭过程的精确控制,阀门也需要特殊定制；在主阀旁设置旁通支管和旁通阀,通过依次关闭主阀和旁通阀,可以达到两阶段关闭的效果,且易于工程操作,通过调算,建议设置2 条DN400 的旁通支路或1 条DN600 旁通支路关阀历时及关阀后引起的水锤结果相当。为使工程布置简易,运行维护便利,工程投资较经济,综合比选,推荐设置1 条DN600 旁通支路（主阀480 s 关闭,1 台DN600 旁通阀600 s 关闭,关阀总历时1080 s）。

4.2 建议

随着经济社会发展,采用有压管流进行长距离重力输水已广泛应用于水利工程实践中。为保障压力管道安全,提高压力管道使用寿命,降低工程安全风险,对于大口径输水管道,在管道末端采用旁通管式两阶段关闭控制出口阀门,对管道运行及阀门安全是十分有利的,可大大提高工程运行的安全性。