摘要：邢清干渠作为南水北调中线工程的重要组成部分，采用长距离重力流输水管道。长距离重力流输水管道距离长、支线多、落差大，其门阀关闭过程中，流体流量的改变会产生具有一定破坏性的水锤压力。因此，分析针对性的关阀时间操作，对保证邢清干渠管道工程安全，提高使用寿命具有重要意义。结果显示，设置调压井后，当末端阀门操作时，水击波在调压井处得到消散，可降低管道内水压力。在相同关阀时间时，管道压力得以大幅降低。所有调流阀操作应该遵循缓开缓闭的原则，邢清干渠输水管道建议采用20分钟的关阀时间。
关键词：南水北调中线；邢清干渠；长距离输水管道；关阀时间；水锤
1、引言
南水北调中线工程是引丹江口水库水，来缓解华北地区水资源危机，为河南、河北、北京、天津生活、工业、农业提供优质用水，整个总干渠长1432km。长距离输水存在蒸发等损耗，采用重力流压力管道输水具有节约能源、水质不易被污染、漏损小，线路布置灵活、节约土地资源等优点而成为长距离输水方案的首选[1]。
邢清干渠作为河北省南水北调配套工程的一部分，是南水北调中线工程的重要组成部分。其采用有压管道输水，地下埋管的形式，管材选用PCCP和DIP管，管径DN2200～DN1200，管道设计内压0.6～1.0MPa。
对于长距离重力流输水管道来说，由于流体流量的改变，会造成压力的大幅度升降和震荡，这种现象称为水锤。水锤存在时，管路系统内载荷剧烈变化，轻则出现噪音或振动，重则会使大型管道系统的设备，诸如管路、泵、闸门等遭受严重破坏[2]。因此，研究水锤计算及防护对于提高设计水平、降低工程成本和提供防护措施、保证设备安全都有着十分重要的意义。
毕小剑等[3]采用特征线法对某重力流输水管道的水力过渡过程进行分析，提出管路末端阀最优关闭方案。刘志勇[4]对重力流输水管道末端关闭水锤特性进行了研究。更多研究者[5-7]结合工程案例，从多泵联合运行的长距离输水系统停泵水锤进行了计算和分析。
然而，水锤表现出来的水动力学特性对边界条件极其敏感，同时大多数输水管道系统的水锤分析都是建立在门阀的骤开骤闭。但实际情况却需要了解正常使用状况下的防护操作策略，因此，针对性的输水管道关阀时间研究，就显得更有实际意义。
本文以邢清干渠为例，进行了输水线路水锤分析计算，模拟正常输水的压力分布，验算管线流量分配情况，进一步模拟关阀水锤的压力分布，确定关阀时间，调整防护措施，提出运行调度方式。
2、工程背景
邢清干渠位于河北省中南部，受水区为邢台市的11个县市13个供水目标，地处东经113°52′～115°42′、北纬36°50′～37°23′之间。邢清干渠从总干渠赞善分水口分水，沿线经沙河高新技术开发区、沙河水厂、金百家水厂、南和任县、平乡巨鹿、广宗6个分水口，在威县分成两支线，一支线给南宫、新河输水，另一支线给威县、临西、清河输水。途径沙河、邢台市开发区、南和、平乡、广宗、威县、清河、南宫8个县市，全长168.746km。管道分水流量示意图图1所示。邢清干渠分段流量及各分水口流量、工程主要技术指标见表1所示。
3、数值模拟及结果分析
3.1 数值模拟方案
Bentley Hammer是Bentley同美国EHG联合开发，其使用的是分析水力瞬变最基本、最严格、最有效的算法—特征线法。Hammer所采用的特征线法计算的是管道中间点的结果，其可以准确捕捉可能被其他方法忽略的关键变化。
Hammer用户可以选择使用内置稳态引擎来自动计算初始条件或输入稳态数据，并且具备多平台界面，包括独立版本界面，AutoCAD、ArcGIS和MicroStation平台集成界面。
同时，Hammer还提供毫秒级的动态数据查看，来观察整段管线中压力的变化过程，以此了解压力波动的产生、发展和延续的过程，对于压力变化和如何设置保护提供了全过程数据分析支持。
基于此，根据供水管线布置、管道管径、管材长度、阀件组成及排气阀设置等参数，利用美国Bentley HAMMER水锤分析软件进行计算。
同时，根据邢清干渠的特点，分析计算如下四种工况：1）无调压井，清河调流阀关闭，其余分水口正常运行；2）无调压井，南宫调流阀关闭，其余分水口正常运行；3）无调压井，南宫在分水口设计供水流量调流阀关闭，其余分水口均不分水；4）设调压井，南宫分水口在设计供水流量调流阀关闭，其余分水口均不分水。模拟正常输水的压力分布，验算管线流量分配情况。模拟关阀水锤的压力分布，确定关阀时间。调整防护措施，提出运行调度方式。
3.2 计算结果
1）工况一
清河调流阀关闭，其余分水口正常运行，水锤压力包络线如图2。
清河调流阀5分钟匀速关闭，阀前最大水锤压力78.26m水头；10分钟匀速关闭，阀前最大水锤压力64.30m水头；20分钟匀速关闭，阀前最大水锤压力48.09m水头；30分钟匀速关闭，阀前最大水锤压力44.44m水头；60分钟匀速关闭，阀前最大水锤压力40.37m水头。
2）工况二
南宫调流阀关闭，其余分水口正常运行，水锤压力包络线如图3。
清河调流阀5分钟匀速关闭，阀前最大水锤压力78.26m水头；10分钟匀速关闭，阀前最大水锤压力64.30m水头；20分钟匀速关闭，阀前最大水锤压力48.09m水头；30分钟匀速关闭，阀前最大水锤压力44.44m水头；60分钟匀速关闭，阀前最大水锤压力40.37m水头。
2）工况二
南宫调流阀关闭，其余分水口正常运行，水锤压力包络线如图3。
南宫调流阀5分钟匀速关闭，阀前最大水锤压力82.07m水头，调压井前最大水锤压力88.53m水头；10分钟匀速关闭，阀前最大水锤压力64.61m水头，调压井前最大水锤压力82.47m水头；20分钟匀速关闭，阀前最大水锤压力46.99m水头，调压井前最大水锤压力75.77m水头；30分钟匀速关闭，阀前最大水锤压力42.81m水头，调压井前最大水锤压力69.19m水头；60分钟匀速关闭，阀前最大水锤压力38.12m水头，调压井前最大水锤压力63.17m水头。
3.3 结果分析
对比工况一、二和工况三，可以发现，整个邢清干渠长距离管道系统中，当其他分水口不正常运行的情况下，重力流输水管道末端关阀过程中，水锤压力骤增。可见，全部停止运行长距离输水管道中分水阀，给管道末端阀门压力很大，会影响管道工程的安全性能。
对比工况三和工况四，可以发现，在广宗县设置调压井后，南宫调流阀20分钟关闭时，上游管道水锤压力46.99m水头；30分钟关闭时，上游管道水锤压力42.81m水头。调压井位置的水锤压力也降低了4.18m水压。
若管道内压设计值为工作压力的1.4～1.5倍，则20和30分钟关闭阀门的水锤压力均可控制在管道设计压力之内。
可见，设置调压井后，在相同的关阀时间时，管道压力大幅降低，管道安全性能大幅提高。从工程运行安全角度考虑，设置调压井非常必要。
4、结 论
针对邢清干渠重力流长距离输水管道，在常规运行过程中，由于关阀可能造成的水锤效应进行了相应模拟分析，得到了如下结论：
1）若管道内压设计值为工作压力的1.4～1.5倍，则20和30分钟关闭阀门的水锤压力均可控制在管道设计压力之内。
2）设置调压井后，当末端阀门操作时，水击波在调压井处得到消散，可降低管道内水压力。在相同关阀时间时，管道压力大幅降低，管道安全性能大幅提高。
3）所有调流阀操作应该遵循缓开缓闭的原则，邢清干渠输水管道的计算结果建议采用20分钟的关阀时间。
参考文献:
[1]赵小利,高双强,吴钊,等. 长距离重力流压力输水工程水锤防护设计探讨[J]. 水利与建筑工程学报, 2012, 10(3): 88-91.
[2]韩庆书,刘月田. 水锤数值模拟与应用[J]. 水动力学研究与进展(A辑), 1991, 6(3): 95-102.
[3]毕小剑,赵秀红,杨宝奎,等. 长距离有压重力输水工程优化设计[J]. 水利与建筑工程学报, 2007, 5(1): 28-30.
[4]刘志勇,刘梅清,蒋劲,等. 重力有压输水系统水锤及其防护研究[J]. 中国农村水利水电, 2008(10): 79-81.
[5]周广钰,吴辉明,金喜来,等. 某长距离管道输水工程停泵水锤安全防护研究[J]. 人民黄河, 2015, 37(10): 123-127.
[6]冀健红,高传昌,刘新阳. 长距离多泵联合运行输水系统停泵水锤防护措施[J]. 南水北调与水利科技, 2014, 12(6): 112-115.
[7]王文全,张立翔,闫妍,等. 长距离输水系统停泵水锤的数值模拟[J]. 农业机械学报, 2010, 41(11): 62, 63-66.
作者简介:
刘小波（1982-），男，汉族，河北省水利水电第二勘测设计研究院，工程师
论文作者:刘小波
论文发表刊物:《基层建设》2017年第10期
论文发表时间:2017/7/25
标签：压力论文; 管道论文; 水头论文; 水口论文; 干渠论文; 大水论文; 南宫论文; 《基层建设》2017年第10期论文;