郑元伟

(中国安能集团第三工程局有限公司，成都 610000)

对于长距离输水管线,当管线中流量发生变化或管线在输水过程中发生事故时,长距离输水管线中水流流动的稳态条件即被破坏,管道内的水流状态由稳态变成非稳态。在水流由非稳态恢复到新稳态的过程中,输水管线中水流的各项水力参数随时间而产生急剧变化,其变化程度往往超出恒定流的设计范围,从而对输水系统造成非常不利的影响,当这一变化速度过快时,就会导致输水管线管材结构的破坏,甚至会发生严重的漏水事故。因此，系统研究输水系统的过渡过程,对于输水工程的设计和运行很有必要。张学林[1]对长距离有压输水管道进行水力过渡过程研究；孙江河[2]等探讨了长距离输水管道水力过渡过程中的控制指标；黄昌清[3]通过过程实例分析了长距离高水头输水系统水力过渡过程；南云朋[4]等分析了长距离多级串联增压输水管道水力过渡与水锤防护措施；杨晖[5]等对水电站水力过渡过程进行了仿真计算研究；王素英[6]等通过具体工程实例进行输水管道水力过渡过程计算分析；白绵绵[7]等分析了旁通阀对长距离重力流输水管线水力过渡过程的影响；张建勋[8]等基于C平台研究水力过渡过程的计算；周天驰[9]等基于Hysimcity进行复杂重力流供水系统水力过渡过程分析与水锤防护设计。

输水系统的水力过渡过程是非常复杂的非线性变化过程。本文针对葫芦岛长距离输水管线工程，对输水系统的水力过渡过程进行研究，主要研究最大压力关阀与最小压力工况下开阀的时间计算，分析阀门的开启、关闭时间对输水系统最大压力的影响。

1 计算理论和方法

1.1 有压管道非恒定流数学模型和特征线法

有压管道非恒定流基本方程见式(1)、式(2)：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中：H为以某一水平面为基准的测压管水头；V为管道断面的平均流速；A为管道断面面积；Ax为管道断面面积随X轴线的变化率；θ为管道各断面形心的连线与水平面所成的夹角；S为湿周；f为Darcy-Weisbach摩阻系数；a为水击波传播速度。

式(1)和式(2)是一组拟线性双曲型偏微分方程，可采用特征线法将其转化为两个在特征线上的常微分方程，见式(3)、式(4)：

(3)

(4)

式(3)、式(4)沿特征线C+和C-积分，其中摩阻损失项采取二阶精度数值积分，并用流量代替断面流速，整理后可得式(5)、式(6)：

C+：QP=QCP-CQP·HP

(5)

C-：QP=QCM+CQM·HP

(6)

1.2 阀门数学模型

水厂进阀门的过流量见式(7)：

(7)

式中：Q11为阀门单位流量；Df为阀门直径；Hf为阀门前后水压力差。

2 计算模型和特征参数

葫芦岛长距离输水管线工程主要由水库向规划水厂供水，供水管线由一条输水干线组成，为有压重力流。其中，输水干线全长42.505 km，设计输水流量1.215 m3/s，输水系统由钢管和PE管组成。为保证运行过程中供水目标的水量变化，实时调整管道输水流量，管道末端设置一台调流阀。输水系统简要布置见图1。

图1 重力流输水系统简要布置

长距离重力流输水系统中，往往在靠近上游水库的高点设置双向调压塔或调压水箱稳定系统压力，改善输水系统的运行条件。在平面桩号K3+870处设置一个5 m3的调节气压，气压罐的气压压力为0.6 MPa，含橡胶气囊，罐体设计压力为1.0 MPa。

3 水力过渡过程计算分析

3.1 最大压力工况关阀计算

供水工程的最高水位取水库校核洪水位77.01 m，采用一段直线关闭规律，分别取关阀时间180、240和360 s进行计算，计算成果见表1。

表1 水库校核洪水位时管道不同直线关闭规律的最大压力

各关闭规律下的压力线见图2-图7。图中红色曲线为最大压力线，绿色曲线为输水系统初始压力线,蓝色曲线为输水系统最小压力线。

图2 180 s一段直线关阀-无调节设施

图3 240 s一段直线关阀-无调节设施

图4 360 s一段直线关阀-无调节设施

图5 180 s一段直线关阀-有调节设施

图6 240 s一段直线关阀-有调节设施

图7 360 s一段直线关阀-有调节设施

3.2 最小压力开阀计算

供水工程的最低水位取水库死水位45.74 m，采用一段直线开启规律，分别取开阀时间180、240和360 s进行计算，计算成果见表2。

表2 水库死水位时管道不同直线关闭规律的最大压力

续表2

各关闭规律下的压力线见图8-图13。图中蓝色曲线为最小压力线，绿色曲线为输水系统初始压力线，红色曲线为输水系统最大压力线。

图8 180 s一段直线开阀-无调节设施

图9 240 s一段直线开阀-无调节设施

图10 360 s一段直线开阀-无调节设施

图12 240 s一段直线开阀-有调节设施

图13 360 s一段直线开阀-有调节设施

4 水力过渡过程计算结果

4.1 关阀过程

1) 根据《城镇供水长距离工程技术规程》(CECS 193)要求，水锤防护措施设计应保证输水管道最大水锤压力不超过1.3～1.5倍最大工作压力。输水系统上游水库最高水位为77.01 m，水厂进水池水位为11.62 m，最大控制压力为85.00 mH2O，但葫芦岛输水管线工程PE管采用的公称压力为0.8 MPa，根据规范要求，须预留0.2～0.4 MPa安全余量，故将输水系统最大压力控制在60 mH2O以下。考虑到输水系统的经济性，将大于60 mH2O的局部管段替换为公称压为力1.0 MPa的PE管或钢管，以保证输水系统的安全性、可靠性。

2) 对已设置防护措施，不同阀门关闭规律的水锤计算进行分析后可得，现有防护设备可满足系统最大输水压力的控制要求，阀门的关闭规律为：360 s一段直线关闭。

4.2 开阀过程

1) 根据《城镇供水长距离工程技术规程》(CECS 193)要求，输水系统应消除断流及断流弥合水锤的危害，全输水系统应尽量避免出现负压。以上游水库最低水位作为控制工况，可得输水系统PE管段最小压力大于0，钢管段最小压力大于-2mH2O。

2) 对已设置防护措施，不同阀门开启规律的水锤计算进行分析后可得，现有防护设备可满足系统最小压力的控制要求，阀门的开启规律为：360 s一段直线开启。

5 结 语

根据水力过渡过程的计算分析可知，在已有的防护措施下，调整阀门关闭、开启规律为360s一段直线关闭(开启)，即可满足压力计算的要求。防护措施确定为空气阀、水击泄放阀及空气压力罐组合的防护方式。

输水系统的主体为PE管，公称压力为0.8 MPa。规范要求的控制水锤压力一般为1.3～1.5倍的最大工作压力，即控制水锤压力为85～96 mH2O。管线的压力实际上低于常规输水系统的控制压力。本文围绕此种特殊条件进行防护，对最大、最小压力工况进行计算。为确保工程安全，在今后的通水试验或其他试验时，应保持观察、观测，如有需要，可根据实际情况适当延长阀门的开启、关闭时间。