大口径重力、泵送混合的长距离输水管线薄弱段分析研究

陈立志

(大连市水务集团水资源有限公司，辽宁 大连 116000；)

0 引 言

根据工程实际地形情况，一般情况下长距离输水管线输水方式可选择重力流和泵送流两种。通常在工程条件允许的情况下优先选择重力流输水方式。但当管线上的阀门关闭操作不当或出现故障时，地形落差越大，管道承受的压力越大，易发生水锤造成爆管事故[1]。泵送流输水方式是通过泵站加压的方式输水，此类管线运行涉及水泵加压，事故停泵时导致水锤波叠加引发重大爆管事故[2]。因此，大口径重力流、泵送流混合的长距离输水管线更为复杂，一旦产生水锤现象引发爆管事故，将导致全线停运中断供水，且抢修工作困难，抢修周期长，会带来重大损失。为预防爆管事故的发生，需有针对性的做好防护措施，因此管道薄弱段分析研究至关重要。

文章以某大口径重力泵送流混合长距离输水工程为例，通过构建水力模型，对长输管线进行薄弱段分析，得出薄弱段等级，并提出相应的薄弱段维护措施。

1 技术路线

输水管线薄弱段分析技术路线，见图1：

图1 输水管线薄弱段分析技术路线

2 构建水力模型的基本边界条件[3]

2.1 空气阀

由于空气阀的进气、排气和管中水流的运动过程是相对复杂的，故只有采用特征线法进行数值模拟计算才能求得比较精确的解。模拟时，假定空气阀等熵流入空气阀，且进入管内的空气积蓄在空气阀周围，遵循等温定律。流入阀的空气质量流量取决于管内的温度T、绝对压力P以及管外大气绝对压力P0和绝对温度T0。空气的流动速度分为亚音速和临界音速。

空气以亚音速等熵流进(P0>P>0.5283P0)：

(1)

空气以临界流速等熵流进(P≤0.528P0)：

(2)

当1.894P0≥P≥P0时，空气以亚音速排除空气阀：

(3)

当P>1.894P0时，空气以临界流速流出空气阀：

(4)

式中：Cin、Cout为空气阀流入和排出的流量系数；Ain、Aout为阀的开启面积；ρ0为大气密度；P为管内绝对压力；P0为大气绝对压力。

空气阀边界方程：

(5)

2.2 单向调压塔

一般在输水管道常出现负压和水柱分离的许多主要特别的地方设置单向调压塔，比如一些鱼背点、主要的峰点、驼峰以及膝部折点等，单向调压塔与普通的双向调压塔比较，塔中的设计水位线不需要能够达到水泵平时工作时的水力坡度线，所以它的安装高度不受限制，可以有效的节约造价，消除断流弥合引起的水锤现象。

调压塔流量：

Qp1+Qp3=Qp2

(6)

式中：Qp1为流经调压塔前管内流量，m3/s；Qp2为流经调压塔后管内流量，m3/s；Qp3为流出调压塔流量，m3/s。

流经调压塔后管内流量计算公式为：

(7)

式中：Ca为调压塔出口流量系数；Ap为补水短管的过流面积，m2；Hp3为调压塔水位，m；Hp为管中压力，m。

流出调压塔流量的计算公式为：

(8)

式中：Smax为调压塔内浮球阀控制最高水位(常数)，m；Z为塔相对于基准面高度，m；Q3为塔内流量，m3/s；Δt为调压塔出流时间，s；F为塔断面面积，m2；

当Hp3≤Hp，Qp3=0时：

Qp1=(-Hp+Cpt)/B1

(9)

Qp2=(Hp+Cm2)/B2

(10)

3 水力过渡过程模型求解

水锤计算方法较多，可采用特征线法。将以偏微分方程式表示的水锤基本方程组转化为在特征线上的常微分方程，用差分法求解常微分方程[4]。水锤计算的特征差分方程为式(11)-(14)。

QT=Cr-CaHT

(11)

QT=Cn+CaHT

(12)

CT=QL1+CaHL1-CfQL1|QL1|

(13)

Cn=QL2+CaHL2-CfQL2|QL2|

(14)

4 工程薄弱段实例分析

4.1 工程简介

某工程起点为AS加压泵站，终点为B水库。输水线路全长160km，包括输水管线148km、输水隧洞12km、加压泵站2处(AS加压泵站和GZ加压泵站)、排气阀井352座、检修阀井25座，单向调压塔2座等，设计最大供水量88万m3/d。工程示意图，见图2。

图2 工程示意图

4.2 工程薄弱段分析原则

根据本工程的实际情况及以往工程经验，提出以下三方面薄弱段分析原则，工程薄弱段分析原则，见表1：

表1 工程薄弱段分析原则

4.3 工程薄弱段分析

本工程由两段泵送流、一段重力流混合供水形式构成，针对本工程的实际情况，进行稳态、瞬态薄弱段分析，稳态、瞬态薄弱段分析结果，见表2；AS泵站-GZ泵站稳态压力分布图(最不利工况)，见图3；AS泵站-GZ泵站水锤压力包络线(最不利工况)，见图4；AS泵站-GZ泵站稳态压力分布图(常水位工况)，见图5；AS泵站-GZ泵站水锤压力包络线(常水位工况)，见图6；GZ泵站-隧洞入口稳态压力分布图(常水位工况)，见图7；GZ泵站-隧洞入口水锤压力包络线(常水位工况)，见图8；隧洞出口-B水库静压分布图(常水位工况)，见图9；隧洞出口-B水库稳态压力分布图(常水位工况)，见图10；隧洞出口-B水库末端关阀水锤压力包络线(常水位工况)，见图11。

表2 稳态、瞬态薄弱段分析结果

图3 AS泵站-GZ泵站稳态压力分布图(最不利工况)

图4 AS泵站-GZ泵站水锤压力包络线(最不利工况)

图5 AS泵站-GZ泵站稳态压力分布图(常水位工况)

图6 AS泵站-GZ泵站水锤压力包络线(常水位工况)

图7 GZ泵站-隧洞入口稳态压力分布图(常水位工况)

图8 GZ泵站-隧洞入口水锤压力包络线(常水位工况)

图9 隧洞出口-B水库静压分布图(常水位工况)

图10 隧洞出口-B水库稳态压力分布图(常水位工况)

图11 隧洞出口-B水库末端关阀水锤压力包络线(常水位工况)

4.4 工程薄弱段综合分析

根据工程薄弱段分析原则，结合上述工程稳态、瞬态薄弱段分析结果，对本工程进行薄弱段综合分析，结果如下：

1)AS泵站-GZ泵站：最不利工况下，2.65km管线综合评价为“重点薄弱段”，5.13km管线综合评价为“一般薄弱段”；常水位工况下，1.95km管线综合评价为“重点薄弱段”，3.05km管线综合评价为“一般薄弱段”；

2)GZ泵站-隧洞入口：由于该段管线稳态、瞬态均处于安全状态，因此评价为安全。

3)隧洞出口-B水库：常水位工况下，0.1km管线综合评价为“重点薄弱段”，0.35km管线综合评价为“一般薄弱段”。

5 薄弱段应对措施建议

根据文章中上述工程薄弱段分析，提出相应的薄弱段应对措施建议如下：

1)对于重点薄弱段建议重点监测，并尽快采取换管、加固等措施进行维护，加强日常检修、巡查次数。

2)对于一般薄弱段：建议重点监测，加强日常检修、巡查次数。

6 结 语

文章以某大口径重力泵送流混合长距离输水工程为例，通过构建水力模型，对长输管线进行科学、定量的薄弱段分析研究，根据实际情况及工程经验提出薄弱段分析原则，综合得出工程薄弱段等级，并提出合理有效的薄弱段维护措施，从而减少管线运行时因水锤引发的爆管事故，减少相关经济损失。