引青济秦管道工程防水锤措施研究

宋立钧

（秦皇岛市引青工程管理局，河北秦皇岛066305）

1 引言

引青济秦工程始建于1989年，是从青龙河桃林口水库向秦皇岛市区供水的跨流域调水工程。整个工程系统由桃林口小坝、引青西线、东西线对接、引青东线及北戴河支线、汤河支线、海港支线等组成，承担着向秦皇岛城市、卢龙灌区、唐山滦下灌区的供水任务。由于引青济秦东线工程管道规格采用了多种组合，沿线存在多个分水口，水锤计算过程复杂。为了防止水锤可能产生的危害，从阀门关闭角度、关闭时间、快关慢关等方面提出方案，采用特征线法原理进行水锤计算，分析成果可为引青济秦管理部门提供指导。

2 研究方法

采用特征线法计算水锤，按照弹性水拄理论，建立管道瞬变流（水锤）过程的运动方程和连续方程。经过简化求解，得到水锤计算最重要的基础方程。

2.1 特征线方程组

2.2 简化的相容性方程（有限差分方程式）

C+:Hpi=Cp-BQpi

C-:Hpi=CM+BQpi

其中，Cp=Hi-1+BQi-1-RQi-1|Qi-1|，CM=Hi+1-BQi+1+RQi+1|Qi+1|。

2.3 初始边界条件

管线末端的检修阀门：

△H=CVQ2

管线首端（调压井）：Hp1=ES

3 引青济秦工程防水锤应用

3.1 基本参数

3.1.1 波速a的计算与选定

水锤波速与管壁材料、厚度、管径、管道的支承方式及水的弹性模量等有关，计算公式为：

式中K为水的体积弹性模量，一般为2.06×103MPa；E为管壁材料的纵向弹性模数（混凝土E=2.06×104MPa）；为声波在水中的传播速度，随温度和压力的升高而加大，一般取1435m/s。

经计算得，水锤波传播速度选用875m/s。

3.1.2 步长与管线分段

计算管段全长36.255km。为控制住主要特征点，整个管线被分为213段，管段步长170m，时间步长0.195s。

3.2 方案计算

从阀门关闭角度、关闭时间、快关慢关等方面提供以下6种方案进行分析比较。

3.2.1 方案1——快关1min、慢关4min的关阀程序

方案1采用快关1min、慢关4min的关阀程序，经过该过程的水力瞬变计算，阀门处最高暂态水头值达98.11m，压头92.73m，发生于t=248.99s时。从图1看出，压力波动非常明显，并且压力波振荡的衰减相当缓慢，从图2看出，越靠近管线末端最高暂态水头值越大，并且部分管段最低暂态水头值较低，管线中管内水压强基本未出现负压，不会出现水柱分离，但最高暂态水头值较高。

3.2.2 方案2——均速8min的关阀程序

从方案1可知，由于快关后，反射波（负压波）未返回至阀端，阀门处水锤升压值很高，故需将关阀历时延长，方案2采用均速8min的关阀程序。

方案2阀门处关阀水锤暂态过程线见图3。从图3看出，压力波动仍较明显，压力波振荡的衰减仍较缓慢，但比方案1有所改观。阀门处最高暂态水头值97.0m，压头91.62m；最低暂态水头值为19.07m。从图4看出，全线最高暂态水头值略有降低，最低暂态水头值略有上扬，并且管线中管内水压强基本未出现负压。

3.2.3 方案3——均速15min的关阀程序

从方案2可知，将关阀历时延长，阀端最大水锤升压值降低，全线最高、最低水头有所改观，但压力波动仍较明显，最高暂态水头偏高。故方案3将继续延长关阀历时，采用均速15min的关阀程序。

从图5看出，压力波动较前方案明显减弱，暂态过程线比较平缓，最大波动值不高，压力波振荡的衰减较快。阀门处最高暂态水头值为73.16m，最低暂态水头值为23.61m。从图6看出，最高水头包络线和最低水头包络线均较平缓，全线最高暂态水头值较高，最低暂态水头值上扬，并且最低水头包络线全部位于输水管道轴线之上。

3.2.4 方案4——均速25min的关阀程序

从上述方案看，将关阀历时延长，阀端最大水锤升压值降低，压力波动减小，但最高暂态水头值仍然存在偏高现象，即使采用匀速20min的关闭程序，最高暂态水头仍达65.62m。故方案4将继续延长关阀历时，采用均速25min的关阀程序。

从图7看出，压力波动较前方案明显减弱，暂态过程线比较平缓，压力波振荡衰减较快。阀门处最高暂态水头值60.64m，压头55.26m，最低暂态水头值23.61m。最高暂态压力水头低于输水管线的试验压力0.6MPa。从图8看出，最高水头包络线和最低水头包络线均较平缓，全线最高暂态水头值较低，最低暂态水头值上扬，并且最低水头包络线全部位于输水管道轴线之上。所以该方案关阀程序可基本保证关阀时系统的安全运行。

3.2.5 方案5——均速30min的关阀程序

方案5采用均速30min的关阀程序。从图9看出，压力波动较前方案明显改善。阀门处最高暂态水头值59.69m，压头54.31m，最低暂态水头值18.23m。与方案4比较，计算成果接近。从图10看出，最高水头包络线和最低水头包络线均较平缓，与方案4基本一致。

3.2.6 方案6——快关1min、慢关30min的关阀程序

方案4、5比较可知，延长关阀时间对管线压力降低效果已不明显，故本方案采用快关1min，慢关30min的关阀程序。

从图11看出，压力波动较前方案明显减弱，压力波振荡的衰减较快。阀门处最高暂态水头值56.02m，压头50.64m，最低暂态水头值23.61m。最高暂态压力水头低于输水管线的试验压力0.6MPa。从图12看出，最高水头包络线和最低水头包络线均较平缓，全线最高暂态水头值较低，最低暂态水头值上扬，并且最低水头包络线全部位于输水管道轴线之上。该方案关阀程序可基本保证关阀时系统的安全运行。

3.3 最优关阀程序选取

从多种关阀程序的试算结果看出，关阀过程采用先快关1min，后缓慢关闭方案较优。最佳关阀程序为快关1min至60（°），后匀速30min缓慢关阀，可以有效地避免关阀水力过渡过程中压力升高，控制水锤压力升高，确保系统安全。

4 结语

从阀门关闭角度、关闭时间、快关慢关等方面提出方案，采用特征线法原理进行水锤计算。根据分析计算成果及工程实践总结，为防治水锤对系统安全稳定运行造成影响，提出以下几点措施：

（1）最佳关阀程序采取快关1min至60（°），后匀速30min缓慢关阀，可以有效地避免关阀水力过渡过程中压力升高，控制水锤压力升高，确保系统安全。

（2）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。

（3）建议根据实际情况制定管道末端阀门操作规程，确保输水管道安全。

（4）建议各净水厂关闭阀门前，应及时与引青管理局联系，采取统一协调行动，以保证工程安全运行。

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