廖敏忠

（甘肃省水利水电勘测设计研究院 甘肃 兰州 730000）

1 概况

黄花滩灌区位于古浪县北部的黄花滩、西靖两乡，黄花滩灌区渠系由干渠、分干渠、支渠3级渠（管）道组成，其中黄花滩干渠30.56km，南分干渠 14.535km，北分干渠22.107km，提灌分干渠8.629km，南分干所属3条支渠16.278km，北分干所属2条支渠10.61km。本文以南分干为例，进行工况分析和计算。

2 基本参数

2.1 供水方式

黄花滩干渠末端出水池至各分干、支渠管网间有100m左右的高差，选择重力流供水。

2.2 设计供水规模

根据灌区供需平衡分析结果，确定南分干设计流量为1.12m3/s。

2.3 输水管道的布置

根据工程区的地形条件由黄花滩干渠末端出水池从高到低输水，采用重力流方式输水。南分干管网布置详见管网节点示意图。

南分干输水管道起点从黄花滩干渠末端出水池引水，向西南输水，全长14.535km，沿途设3个支渠分水口，12个斗口。

3 水力仿真计算

3.1 水力仿真计算简介

水力仿真计算是采用限元法（FEM）、离散元法（DEM）以及计算流体动力学（CFD）方面的数值模型和算法研究及其在水利工程数值计算与仿真领域的应用，主要研究内容包括：固体结构静动力分析、复杂流动数值模拟、流固耦合问题分析、高性能并行计算。

本项目水力过程分析主要应用的软件包为PIPE2000流体力学工程计算软件包系统。Pipe2000结合了所有流行的建模优势，形成了数个强大的功能体系。在Windows（98/NT4/NT5/2000/XP）GUI系统当中完成恒态、瞬变态、气体以及蒸气模型，并与强大的图纸软件有机地结合成智能化方案型软件。

3.2 计算方法

3.2.1 稳态计算

对管网水力过渡过程的研究通常是建立在稳定流态的基础上，稳态管网计算的基础方程有压降方程、节点连续性方程、能量方程以及虚环方程。管网计算时，消去h，以q为未知量的计算方法，称为流量法；消去q，以节点水压H为未知量的计算方法，称为水压法，是管网计算的两种主要方法。

按照流量最大取水口最多，距离管线末端最远，高差最大的基本原则确定的最不利工况，将最不利工况作为控制工况对系统中采用的各种管材的承压能力进行校核。通过在管网设置减压阀，调整相关过流阀门的开度控制管段流量，使得各个管段的流量均在最大流量最小流量、设计流量工况下运行，同时使得各管段均能满足承压要求，计算并绘制不同工况管网压力线。分析最大压力出现位置和压力变化情况。本文采用恒定流稳态水力计算方法

图1 南分干管网节点示意图

表1 南分干渠控制工况

3.2.2 瞬态计算

瞬态水力计算，采用明渠非恒定流计算模型。对所有过流斗口阀门的开度都进行适当的调整，使得其阀前压力可以满足稳态计算中工况一加大流量下的要求，在这种运行工况下，所有过流斗口的阀门均采用线性规律关闭。对管网不同工况下加大流量运行情况进行关阀工况的计算，然后对其最小流量和设计流量的情况进行校核计算。关阀计算工况包括关闭所有过流出口阀和工况间切换的计算。

4 恒定流水力仿真计算

首先确定出最不利工况，将最不利工况作为控制工况对系统中采用的各种管材的承压能力进行校核。根据提供的基本资料按照流量最大取水口最多，距离管线末端最远，高差最大的基本原则确定的最不利的控制工况主要有以下两种，分别称为工况一和工况二，表1即为在最不利工况下的南分干系统的流量分配。

4.1 工况一

4.1.1 无任何防护措施

根据提供的基本资料对系统进行建模计算，整个系统是一个重力流的管网系统，在边界条件的设置上，首先采用每个斗口或者取水口的末端压力为20m。根据计算的结果发现，如果将斗口的压力设置为20m，那么整个管线中的压力都会相应的升高，如果要满足相应的设计流量的话，那么在稳态运行时，管线的很多位置都不能满足承压要求；如果要满足承压要求，那么管线中的流量就不能满足设计要求，因此将每个取水斗口末端的压力设置为0m。而最靠近管线末端的取水斗口不在管线末端的支渠，对其管线末端采取的边界条件是流量为0。对南分干渠进行计算，在没有任何防护措施的情况下，在加大流量工况运行时，南分干渠的管线压力包络线见下图2。管线中的最大压力出现在管线末端的桩号11+472.41处，最大压力为95.42m，在整个管线中绝大部分范围内都不能满足承压要求。

4.1.2 加大流量

鉴于上节中稳态时，在整个南分干渠中绝大部分范围内管路都不能满足承压要求，同时在南三支管中出现了负压，在南分干渠上设置一个减压阀，定义为南一减压阀，其桩号为10+726.71。将相关过流阀门的开度进行了适当的调整，使得各个管段的流量均在设计的加大流量工况下运行，同时，使得各管段均能满足承压要求，此时系统最大压力出现在南分干渠桩号9+791.21处，其值为49.55m，最小压力为0m。

图2 南分干渠管线压力线

图3 南分干渠管线压力线

图4 南分干渠管线压力线

图5 南分干渠管线压力线

南分干渠减压：南一减压阀阀前压力49.39m，阀后压力1.91m，减压47.79m。稳态运行时整个南分干渠干管的压力包络线见图3。从图中可以看到由于在南分干渠上减压阀的设置，在管线中间的位置，管线中的压力均出现了明显的直线型下降，而在管线末端由于其边界条件设置的出口压力是0m，所以在此处的压力从阀前的接近50m也变为0m。

图6 南分干渠管线压力线

图7 南分干渠管线压力线

图8 南分干渠管线压力线

4.1.3 设计流量

在南分干渠上设置一个减压阀，定义为南一减压阀，其桩号为10+726.71的基础上，将相关过流阀门的开度进行了适当的调整，使得各个管段的流量均在设计的设计流量工况下运行，且均能满足承压要求，此时系统最大压力出现在南三支渠末端桩号7+941.4处，其值为52.57m，最小压力为0m。

南分干渠减压：南一减压阀阀前压力52.13m，阀后压力1.73m，减压50.4m。稳态运行时整个南分干渠干管的压力包络线见图4从图中可以看到由于在南分干渠上减压阀的设置，在管线中间的位置，管线中的压力均出现了明显的直线型下降，而在管线末端由于其边界条件设置的出口压力是0m，所以在此处的压力从阀前的接近50m也变为0m。

4.1.4 最小流量

在南分干渠上设置一个减压阀，定义为南一减压阀，其桩号为10+726.71的基础上，将相关过流阀门的开度进行了适当的调整，使得各个管段的流量均在设计的最小流量工况下运行同时，使得各管段均能满足承压要求，此时系统最大压力出现在南三支渠末端桩号7+941.4处，其值为80.23m，最小压力为0m。

南分干渠减压：南一减压阀阀前压力55.18m，阀后压力1.49m，减压53.69m；稳态运行时整个南分干渠干管的压力包络线见图5从图中可以看到由于南分干渠上减压阀的设置，在管线中间的位置，管线中的压力均出现了明显的直线型下降，而在管线末端由于其边界条件设置的出口压力是0m，所以在此处压力从阀前的接近53m也变为0m。

4.2 工况二

4.2.1 加大流量

在南分干渠上设置一个减压阀，定义为南一减压阀，其桩号为10+726.71。将相关过流阀门的开度进行了适当的调整，使得各个管段的流量均在设计的加大流量工况下运行。同时，使得各管段均能满足承压要求，此时系统最大压力出现在南分干渠桩号11+472.71处其值为48.62m，最小压力为0m。

南分干渠减压：南一减压阀阀前压力44.17m，阀后压力3.02m，减压41.15m。稳态运行时整个南分干渠干管的压力包络线见图6从图中可以看到由于在南分干渠上减压阀的设置，在管线中间的位置，管线中的压力均出现了明显的直线型下降，而在管线末端由于其边界条件设置的出口压力是0m，所以在此处的压力从阀前的接近48m也变为0m。

4.2.2 设计流量

在南分干渠上设置一个减压阀，定义为南一减压阀，其桩号为10+726.71的基础上，将相关过流阀门的开度进行了适当的调整，使得各个管段的流量均在设计的设计流量工况下运行，同时使得各管段均能满足承压要求，此时系统最大压力出现在南三支渠末端桩号7+941.4处，其值为52.63m，最小压力为0m。

南分干渠减压：南一减压阀阀前压力49.39m，阀后压力0.65m，减压48.74m。稳态运行时整个南分干渠干管的压力包络线见图7。从图中可以看到由于在南分干渠上减压阀的设置在管线中间的位置，管线中的压力均出现了明显的直线型下降，而在管线末端由于其边界条件设置的出口压力是0m，所以在此处的压力从阀前的接近50m也变为0m。

4.2.3 最小流量

在南分干渠上设置一个减压阀，定义为南一减压阀，其桩号为10+726.71的基础上，将相关过流阀门的开度进行了适当的调整，使得各个管段的流量均在设计的最小流量工况下运行，同时使得各管段均能满足承压要求，此时系统最大压力出现在南三支渠末端桩号7+941.4处，其值为80.69m，最小压力为0m。

南分干渠减压：南一减压阀阀前压力54.95m，阀后压力1.37m，减压53.58m。图8中可以看到由于在南分干渠上减压阀的设置，在管线中间的位置，管线中的压力均出现了明显的直线型下降，而在管线末端由于其边界条件设置的出口压力是0m，所以在此处的压力从阀前的接近53m也变为0m。

5 结论及建议

本文对管道水力仿真计算方法进行简介，以黄花滩灌区南分干渠为例，系统的介绍了恒定流下设计工况和其它工况下管网水力仿真计算。首先确定最不利工况，分为工况一、工况二，将最不利工况作为控制工况对系统中采用的各种管材的承压能力进行校核。通过在南分干上设置减压阀，调整相关过流阀门的开度控制管段流量，工况一又分为无任何防护、加大流量、设计流量和最小流量，工况二又分加大流量、设计流量和最小流量，分别计算7种工况下管道的压力线，判断最大压力值出现位置及压力大小，分析管道压力变化，为后续管网安装、运行和维护提供数据基础和技术支撑。

根据上述计算结果，主要有以下几点建议：

（1）在南分干渠上设置一个减压阀，定义为南一减压阀，其桩号为10+726.71。

（2）在南分干渠局部凸高点装设2个进排气口径相同的普通式进排气阀，其桩号及具体尺寸为6+18.75（150mm/150mm）,10+726.71（150mm/150mm）。

（3）在整个系统启动过程中，鉴于南分干渠的管道承压能力有限，为了保证系统的安全，鉴于每一次启动都采用空管启动，即要求在关阀的过程中将整个系统放空，在启动过程中慢慢注水同时将所有的过流斗口的阀门都打开这样逐渐启动。

（4）为了保证系统的安全运行，整个系统中的一切设备例如管道、减压阀、截断阀、进排气阀等相应的设备在投入运行之前都必须进行耐压现场试验。陕西水利

[1]贾乃波,杜培文.长距离大型引水工程全系统水力仿真计算及优化设计 [J].山东水利,2007（11）.

[2]杨晓峰.长距离输水工程沿程压力控制设计[J].水利科技.2007（04）.

[4]杨玉思,李树军,辛亚娟.长距离大管径重力流输配水管道水锤防护方法探讨 [J].给水排水.2008（10）.

[5]程鹏.摩阻对长距离输水管道水力过渡过程的影响研究[D].西安:长安大学.2012.