南水北调配套工程有压输水管道水锤计算及防护措施

韩李明

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

南水北调配套工程有压输水管道水锤计算及防护措施

韩李明

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

河北省南水北调配套工程水厂以上输水管道工程中大量采用了管道、暗涵等作为输水方式，输水距离从几百米到上百千米不等，水锤分析难度大、防护措施复杂。以配套工程某设计单元为例，基于Bentley－Hammer软件建立了长距离有压输水管道水锤计算模型，将管道末端的阀门关闭时长作为控制条件进行水锤数值模拟。计算结果表明，通过合理地延长阀门关闭的时长能够有效地减小水锤压力。结合计算分析结果，提出了通过优化管道纵断布置和合理布置进排气设施来减少水锤压力的防护措施，并对管道的运行调度作了相应的要求，为南水北调配套工程其他管线工程提供了相应的参考。

长距离输水；有压管道；水锤计算；防护措施

1 工程概况

河北省南水北调配套工程引水水源为南水北调中线河北段，供水范围包括京津以南的邯郸、邢台、石家庄、保定、廊坊、衡水、沧州7个设区市、92个县（市、区）、26个工业园区。配套工程建设分为4条大型输水干渠和7个地市水厂以上输水管道工程，主要建设内容包括：新建改造石津干渠、廊涿干渠、保沧干渠、邢清干渠4条大型输水干渠，新建邯郸、邢台、石家庄、保定、廊坊、沧州、衡水7个设区市境内从干渠到各供水目标的输水管道，输水形式除石津干渠利用部分原有渠道外全部为管道、暗涵。

配套工程某设计单元输水管道工程采用有压重力输水，进口设计水位为73.5 m，沿线共设5个供水目标，设计供水能力为3.76 m3/s，各目标供水流量为0.61 m3/s、2.18 m3/s、0.305 m3/s、0.305 m3/s和0.36 m3/s。输水管道管材选用PCCP和DIP，管径DN1800～DN700，管道总长64.95 km。管道的输水流量较大，输水距离远，沿线穿过多个县区、村镇，穿越铁路2条，高速公路2条，国道、省道6条，县级公路3条。一旦发生水锤破坏事故，会造成严重的安全事故和社会影响。因此，通过水锤计算分析，采取安全、可靠的水锤防护措施和合理的运行调度规程十分重要。

2 水锤计算原理

水锤是管道水流流速发生变化而产生的压力波，与流速的变化率有关。

水锤压力增加过大会使管道超压破坏；水锤压力减小过多，会使液柱分离，甚至管道结构失稳破坏；液柱分离后形成空泡，而空泡破灭瞬间产生水锤压力也会破坏管道。应进行水锤分析，控制最大压力不超过管道设计压力；对空泡破灭水锤通过设置复合排气阀予以消减。

水锤压力采用特征线法进行分析计算。特征线法是管路系统水力过渡过程的分析与计算的主要方法，其主要思路是将以偏微分方程式表示的水锤基本方程组，转化为在特征线方向上的常微分方程组（特征方程），沿特征线进行积分，将得到有限差分方程式，根据给定的初始边界条件，应用计算机采用有限差分进行数值计算。

特征线方程组：

有限差分方程式为：

上面两式相减得：F=HB－HA+B（2QP－QA－QB）+R[（QA+QP）│QA+QP│+（QP+QB）│QP+QB│]/4=0，经试算求得QP，再求HP.管线末端采用的调流阀门，参见《工业管道中的水锤》，选用活塞式阀门，过流特性曲线为直线，计算公式为：QP=－BCV+（CV2B2+2CVCP）0.5，管线首端取设计水头，HP为相对于管道出口高程的水位。

3 水锤压力计算

3.1 应用软件介绍

本工程采用BENTLEY公司开发的HAMMER分析软件进行计算，确定水锤的综合防护措施。该软件在国际上已有15年的应用历史，已应用于数百个工程实践中。软件使用特征线法，可动态模拟管道全部瞬变流现象，并可模拟多种水锤保护设备和运行设备的影响。

3.2 计算工况选定

根据本工程输水管道的布置及供水流量的分配情况，选择输水管线最长的支管出口调流阀、分水流量最大的支管出口调流阀及整个供水管道系统最远端的检修阀关闭情况，并进行水锤压力计算。

4 计算过程

通过拟定不同的阀门关闭时间来进行水锤压力计算。

4.1 支管最长调流阀关闭

4.1.1 5 min匀速关闭

管道末端最大水锤压力水头为158 m，较正常输水增加122 m水压，超出工作压力约76 m。管道出现水柱分离，产生负压。

4.1.2 10 min匀速关闭

管道末端最大水锤压力水头为115 m，较正常输水增加78 m水压，超出工作压力约30 m水压，约占工作压力的60%，管道未出现负压。

4.1.3 15 min匀速关闭

管道末端最大水锤压力水头为100 m，较正常输水增加65 m水压，超出工作压力约18 m水压，约占工作压力的36%，管道未出现负压。

4.1.4 20 min匀速关闭

管道末端最大水锤压力水头为93 m，较正常输水增加56 m水压，超出工作压力约18 m水压，约占工作压力的20%，管道未出现负压。

管线最长支管出口调流阀15 min关闭，水锤升压约占工作内压的36%；20 min关闭，水锤升压约占工作内压的20%，均在管材允许压力范围内。为了工程运行安全，管线最长的支管调流阀匀速关闭时间取为20 min。

4.2 流量最大支管末端调流阀关闭

4.2.1 干管运行+支管5 min匀速关闭

输水干管最大水锤压力出现在支管分水口处，最大水锤压力水头为98 m，较正常输水增加30 m水压，未超出工作压力，管道产生负压。

输水支管最大水锤压力出现在支管末端，最大水锤压力水头为99 m，较正常输水增加32 m水压，未超出工作压力，管道产生负压。

4.2.2 干管运行+支管10 min匀速关闭

输水干管最大水锤压力水头为84 m，较正常输水增加17 m水压，未超出工作压力，管道未出现负压。

输水支管最大水锤压力水头为86 m，较正常输水增加20 m水压，未超出工作压力，管道未出现负压。

4.2.3 干管运行+支管15 min匀速关闭

输水干管最大水锤压力水头为80 m，较正常输水增加12 m水压，未超出工作压力，管道未出现负压。

输水支管最大水锤压力水头为81 m，较正常输水增加15 m水压，未超出工作压力，管道未出现负压。

4.2.4 干管运行+支管20 min匀速关闭

输水干管最大水锤压力水头为78 m，较正常输水增加10 m水压，未超出工作压力，管道未出现负压。

输水支管最大水锤压力水头为79 m，较正常输水增加12 m水压，未超出工作压力，管道未出现负压。

输水干管运行、支管末端调流阀5～20 min关闭，水锤压力均未超过管道工作压力。为了工程运行安全，流量最大支管末端调流阀匀速关闭时间取为15 min。

4.3 管线最远端检修阀关闭

4.3.1 5 min匀速

输水干管最大水锤压力出现在干管末端，最大水锤压力水头为142 m，较正常输水增加105 m水压，超出工作压力约60 m水压。管道出现水柱分离，产生负压。

流量最大支管最大水锤压力出现在支管分水口附近，最大水锤压力水头为79 m，较正常输水增加12 m水压，未超出工作压力。管道未出现负压。

4.3.2 10 min匀速

输水干管最大水锤压力水头为101 m，较正常输水增加64 m水压，超出工作压力约19 m水压，约占工作压力的38%，管道未出现负压。输水支管最大水锤压力水头为69 m，较正常输水增加3 m水压，未超出工作压力。管道未出现负压。

4.3.3 15 min匀速

输水干管最大水锤压力水头为88 m，较正常输水增加52 m水压，超出工作压力约6 m水压，约占工作压力的12%，管道未出现负压。输水支管最大水锤压力水头为68 m，较正常输水增加2 m水压，未超出工作压力。管道未出现负压。

4.3.4 20 min匀速

输水干管最大水锤压力水头为84 m，较正常输水增加46 m水压，超出工作压力约2m水压，约占工作压力的4%，管道未出现负压。输水支管最大水锤压力水头为68 m，较正常输水增加1 m水压，未超出工作压力。管道未出现负压。

输水管道最远端检修阀15～20 min关闭干管水锤升压均小于管道工作压力的40%，流量最大支管水锤压力均未超过管道工作压力。为了工程运行安全，最远端检修阀匀速关闭时间取为20 min。

4.4 计算结果分析

4.4.1 阀门关闭时间及水锤压力关系分析

通过上述计算可以看出，随着干管、支管末端阀门关闭时间的延长，水锤压力超过最大静水压的数值在减小，当末端调流阀的关闭时间为20 min时，水锤升压约占工作内压的20%.如果管道内压设计值为工作压力的1.4～1.5倍，则20 min关闭阀门的水锤压力可控制在管道设计压力之内。

4.4.2 水锤类型的划分

水锤特性系数ρ=a×V0/（2×g×H0）＞1，由正常运行状态关闭末端阀门时ρ×τ0＞1，水锤类型为末相极限水锤，极值出现在关闭终了，阀门前端出现最大值。对直线关闭的末相水锤，水锤压力极值沿管长直线分布。

5 防护措施

5.1 无水锤防护措施

输水管道沿线无任何水锤防护措施时，从多种关阀程序的试算结果可以看出，关阀过程必须缓慢。末端调流阀缓慢关阀，可以有效地避免关阀水力过渡过程中压力升高，控制水锤升压，确保系统安全。

5.2 排气阀

压力输水管线排气和进气不畅是管线发生事故的重要原因之一，排气阀的作用有以下2个：①随时排出管道内积气，并方便检修。②防止水锤压力减小过多，使液柱分离后致使管道结构失稳破坏；液柱分离后形成空泡，而空泡破灭瞬间产生水锤压力也会破坏管道，设置排气阀对空泡破灭水锤予以消减。本工程在输水管道的竖向突起点设置了排气阀，另外，在管道平缓段长度大于1 km时的适当位置也设有排气阀。排气阀采用多功能复合式排气阀，可随管道内的压力情况而进行排气、进气，以保证输水管道的安全运行。

5.3 严格执行管道运行调度规程

有压输水管道工程应由具备相应资格的人员负责闸（阀）门、水量等调度，运行人员必须服从调度指令，在得到调度指令后，方可按照操作规程进行相应水量（压）控制设备的操作。

6 结束语

从本工程多种关阀程序的试算结果可以看出，关阀过程必须缓慢。末端调流阀、检修阀关阀程序为均速20 min缓慢关阀，可以有效地避免关阀水力过渡过程中压力升高，控制水锤升压，确保系统安全。

除末端阀外，管线上其他的检修阀、切换阀及泄水阀等的操作同样应遵循“缓开、缓闭”的操作原则，控制阀门关闭时间不短于1个传播周期（310 s），宜为10 min。

流量最大支管（Q=2.18 m3/s）引水出现故障，或其中某段检修流量减少为设计流量的70%情况出现，且关闭阀门时间为10 min时，干管的水锤压力超工作压力小于20 m，不影响管材的选择。由于阀门关闭曲线为参照数据，因此，与实际可能存在误差，所以，计算结果只能作为阀门操作程序的一种趋势分析，但延长关闭阀门时间是减小水锤危害的有效途径。

［1］王学芳，叶宏开，汤荣铭，等.工业管道中的水锤［M］.北京：科学出版社，1995.

［2］李炜.水力计算手册［M］.北京：中国水利水电出版社，2006.

［3］刘启钊，胡明.水电站［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.

〔编辑：张思楠〕

TV68

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.19.013

2095－6835（2017）19－0013－03

韩李明（1984—），男，河北涉县人，硕士研究生，从事水利水电工程结构设计。