基于供水工程中重力流的水锤联合防护措施研究

赵晓磊

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000)

0 引 言

跨流域、跨地区的输水工程为解决日益尖锐的供水需求矛盾的必然发展趋势，重力流输水管道在管路系统中具有运行维护方便、水量损失少等优点。然而，管线受其他建筑物和地形条件限制，通常存在较大的变化起伏，输水工程中最突出、最常见的问题为如何实现输水管线的安全防护。管道末端阀门关闭过快很容易引起水力瞬变现象，系统内压力的剧烈降低和升高极易造成阀门破坏、管道接头断开，甚至引起管道压瘪或爆裂等问题[1〗。国内外专家关于水锤防护和长距离有压管道输水问题开展了大量研究，如Streeter等针对整个供水系统受水锤的影响提出分段关阀规律控制法，在许多工程实践中这种关阀规律得到普遍的应用；Elliot等结合现场试验和瞬态模拟试验结果，依据韦纳奇地区的城市供水系统提出了能够较好的防止水锤的空气阀；杨玉思等[2〗在长距离管道输水工程中研究了超压泄压阀的水锤防护作用；高将等[3〗研究分析了调压塔和超压泄压阀水锤防护措施的边界条件、技术要点、工作原理及其结构特征，通过对比两者的区别提出有效防止管道压力过大的措施为超压泄压阀，能够同时消除管路负压和降低压力管路正压的措施为调压塔。

当前，考虑水锤联合防护措施的重力流供水工程的研究不多，文章结合现有研究资料和理论成果，以北方某供水工程为例，对重力流部分的联合超压泄压阀、两阶段关阀和线性关阀多种防护措施，运用计算机仿真技术进行模拟研究，以期为重力流水锤联合防护提供一定参考。

1 数学模型

1.1 水锤计算模型

特征线法为计算管道系统水锤的常用方法，主要包括连续和运动方程[4]，表达式分别为：

(1)

(2)

式中：x、H、D分别为位置坐标、压力水头和管径，m；v、a分别为流速和水锤波速，m/s；f、t分别为摩阻系数和水锤发生时间；α为水平面与管路之间的夹角，°。

1.2 边界条件

1) 出口阀门边界条件。在流量稳定的条件下，采用下式计算出口阀门径流的水头损失[5]，即：

ΔH阀=CvQ2v|v|

(3)

式中：Cv、ξ为阀门的阻力特性系数和流阻系数；AV、Q为阀门开度面积及其流量，m2、m3/s。

2) 超压泄压阀边界条件。为防止管道正压力过大通常采用一种超压泄压阀保护装置，当水锤事故引起供水系统压力急剧升高时，为防止发生爆管事故阀门会自动开启。超压泄压阀边界条件根据连续性原理可设定为如下形式[6]，即：

Hp1=Hp2=Hp3

(4)

Qp1+Qp2+Qp3=0

(5)

(6)

式中：H0、HP1、HP2、HP3分别为超压泄压阀管外、上、下游及阀处压力，m；Qp1、Qp2、Qp3分别为超压泄压阀上、下游及阀处流量，m3/s；AG、Cd分别为泄流面积和流量系数，m2。

2 实例应用

重力流输水和泵站提水为某供水工程的主要构成，文章对重力流部分的多种防护措施运用计算机仿真技术进行模拟研究。在运行工况设计过程中，球磨铸铁输水管线长13520m，管径0.8m、设计流量0.58m3/s，上、下游水位为790.25、742.10m，调流阀设置在管道末端。管道稳态运行及纵断压力图，见图1。由于大部分输水管道内压>80m且工程地形存在较大起伏变化，加之输水管线较长使得管件连接、管道接头等易发生故障，为防止管道急剧升压并保障管线的安全运行，有必要开展关阀水锤的防护措施研究。

图1 管道稳态运行及纵断压力图

2.1 调流阀优化

若关阀时间较短，则较长有压输水管线会直接产生水锤，由此对管线安全造成危害。一般情况下，关阀规律分为线性与两阶段关阀，其中两阶段关阀是先将较大角度在短时间内关闭，然后对剩余角度缓慢关闭，从而达到水锤压力降低的目的[7]。优化两阶段和线性关阀为文章的研究重点，输水系统的调节选用淹没套筒式多喷孔水锤控制调流阀。淹没套筒式多喷孔水锤控制调特性，见表1。

表1 淹没套筒式多喷孔水锤控制调特性

1) 线性关阀。为确定管道压力是否符合规范要求并揭示水锤压力受线性关阀时间变化的影响规律，文章以完全关阀时间1600、1300、1000s为例，探讨最小、最大水锤压力的变化特征。压力水头过程线在不同关阀时间下的变化特征，见图2；水锤最小、最大压力值，见表2。

图2 压力水头过程线在不同关阀时间下的变化特征

线性关阀最小压力/m最大压力/m1000s195.26-9.96关阀时间1300s180.05-9.961600s162.81-9.96

综上分析，随着关阀时间的增加一阶段关阀最大压力明显减少，完全真空压力仍为最小压力，负压长度减少且包络线总体上移。各种问题随关阀时间的增加逐渐显现，如工程造价增大以及阀门遇紧急事故的响应时间延长等，根据厂家给定的相关资料合理设定关阀延长时间，选定1600s关阀时间作为调流阀优化方案[8-10]。

2) 两阶段关阀。为降低重力流输水管道正压和有效消除负压的效应，“两阶段关闭”管道末端阀门为较常用的方法[11]。结合实践经验，在给定关闭时间的情况下，将第一阶段关闭角度增大至合理范围，可有效降低长距离输水系统的最大正负压。根据数值模拟结果，最优关阀方案为1580s慢关20°、20s快关70°，观察压力水头线在最优关闭角度下的走势。最优关阀方案的压力水头线，见图3。

图3 最优关阀方案的压力水头线

根据相关技术标准和输水管设计规范，城市供水管道最大水锤压力在水锤防护措施设计中应<管道强度，且≤稳态压力的1.3-1.5倍，还要对弥合水锤形成条件进行分析。从图3可以看出，最小压力>0满足规范要求，可避免弥合水锤的形成；虽然最大压力呈现出下降趋势，但阀前和稳态压力比为3.06，超高1.3-1.5倍的要求，因此不符合规范要求应进行正压防护[12]。

2.2 超压泄压阀与两阶段管阀的联合防护

1)一台超压泄压阀与两阶段关阀的联合防护。将超压泄压阀引入至两阶段关阀优化方案中，根据工程经验设置选用：以管径的1/4-1/5设定公称直径，在升压管段处安装超压泄压阀。所以，将口径为200m、完全开启压力为85m的超压泄压阀设置在46断面处，一台超压泄压阀与两阶段关阀的联合防护的压力水头线，见图4。

图4 一台超压泄压阀与两阶段关阀的

从图4可以看出，通过设置超压泄压阀可降低最大正压力，该联合防护措施的最小压力>0能够符合技术规程要求，而阀前与最大内水压之比为2.75，仍不满足1.3-1.5倍的要求，所以仍需采取防护措施。

2)两台超压泄压阀和两阶段关闭的联合防护[13]。根据上述结论和成果，将口径为200m、完全开启压力为42m的超压泄压阀设置在58断面处，两台超压泄压阀与两阶段关阀的联合防护的压力水头线，见图5。

图5 两台超压泄压阀与两阶段关阀的

从图5可以看出，通过设置两台超压泄压阀可降低最大正压力，该联合防护措施的最小压力>0能够符合技术规程要求，而阀前与最大内水压之比为1.26，满足1.3-1.5倍的要求。可见，两台超压泄压阀与两阶段关阀防护措施能够保证长距离输水管道的安全运行，可明显降低供水管线的升压水锤。

3 结 论

关阀引起的关阀水锤、角度、时间与长距离重力流输水管道之间存在关联作用，通过对关阀规律的合理优化能够较好的降低管道正压、消除复杂。针对关阀规律优化调整仍不能达到技术规程要求的情况下，可通过合理设置超压泄压阀保证供水系统的安全运行，使其正压符合规程要求。

在该长距离供水系统中，结合数值模拟结果选定末端两阶段关阀方式，最优关阀方案为：1580s慢关20°、20s快关70°，口径为200m、完全开启压力为85m的超压泄压阀设置在46断面处，将口径为200m、完全开启压力为42m的超压泄压阀设置在58断面处。该联合防护措施的最小压力>0能够符合技术规程要求，而阀前与最大内水压之比为1.26，满足1.3-1.5倍的要求，研究成果可为保证上距离输水管道的安全运行和降低管道升压水锤提供一定决策依据。