分水口间距对管网水锤压力分配影响的试验研究

魏 闯 雷成霞 李明思

（1.山西水利职业技术学院 山西运城 044004；2.石河子大学水利建筑工程学院 新疆石河子 832000）

0 引言

党的十九大提出要实施全民节水行动，习近平总书记指出治水方针“十六字”，强调节水需要从根源抓起，其中农业用水比例可达到60%以上，而决定灌溉水利用效率的关键因素是输配水过程中损失量的多少。管网输水属于管道灌溉系统的一部分，首要问题是水锤负压，前人已经做了许多的研究[1-10]，主要集中于单水锤研究、不同连接方式与水锤压力叠加的关系、采用特征线法对水锤的模拟以及相关防护措施等，但对不同分水口间距与管网中水锤压力的分配以及叠之间的关系研究较少，而这些是管网水锤中的重要问题，也是本文的研究意义所在。

1 试验概况

1.1 试验地点

于2010年4月至7月在石河子大学兵团灌溉试验中心站，进行输配水管网水锤试验平台的建设，同年8月开始水锤实验。水源来自本试验站地下水，供水方式采用离心泵、PVC-U 管网和蓄水池循环运行。

1.2 试验材料与方法

水源为蓄水池储水，压力水采用KQW200/300-45/4 型单级卧式离心泵提供，电源采用国家电网发电车供电，试验管网选用工程上常用的PVC-U 管材，阀门为PVC 材质的蝶阀，均为专业PVC 厂家采购。管道长度为8 m，公称压力0.63 MPa，公称外径200 mm，壁厚4.9 mm。水锤压力动态监测采用压力变送器进行采集。

水锤试验管网按照树状管网的布置形式，铺设方式尽量接近实际工程使用条件，管道平放于整平后的试验大田田间地面上。试验管网干管管径200 mm，总长度32 m，支管管径200 mm，2 支管的长度均为16 m。分水口间距0 m（又称对置布置，2 个支管垂直于干管对称布置在干管两侧，分水口位于同一位置）和18.6 m（2 个支管垂直于干管错位布置在干管两侧，分水口距离为18.6 m）两种情况进行试验研究，压力变送器安装于干管和支管侧面，支管分水口间距0 m（对置布置）试验管网具体布置和监测采集设备安装如图1所示，支管分水口间距18.6 m 试验管网具体布置和监测采集设备安装如图2所示。

图1 支管分水口间距0 m（对置布置）试验管网图

进行水锤分配试验时，首先进行分水口对置布置水锤压力分配试验，先将干、支管上的阀门A 关闭，阀门B、C、D 处于全开状态，启动水泵，压力表读数稳定后，缓慢打开阀门A，试验管网干、支管充水，再通过阀门B、C、D 接入回水管道，最终返回蓄水池，形成循环供水运行状态。整个管网运行稳定后，通过干、支管上的超声波流量计观测流量动态数值，干管和支管流速分别达到3.12 m/s 和0.81 m/s 的稳定数值后，启动压力监测采集系统采集压力数据，紧接着手动快速关闭干管末端的阀门B，并保持全关闭状态60 s，此时阀门A、C、D 处于全开状态，压力变送器数据采集保持时间60 s，采集频率20 次/s。为确保试验准确有效，按照上述试验程序，进行3 次重复性试验。

分水口间距18.6 m 布置水锤压力分配试验，试验程序同分水口间距0 m 的对置布置水锤压力分配试验相同，干管流量参数控制条件相同，保持同一水流状态下进行3 次重复性试验。

2 试验结果与分析

2.1 支管水锤分配压力比率分析

支管水锤压力的分配，有利于管网的稳定的运行，因为其对干管水锤的压力有明显的削弱分配作用。通过试验采集的压力变送器数据，计算出支管水锤压力分配比率，具体见表1和表2。

由表1和表2可以得出，分水口间距为0 m（对置布置）和18.6 m 的水锤压力分配比率范围分别为0.495～0.814 和0.479～0.732，平均值分别为0.648 和0.617，极端压力分配水头值分别为21.63 m 和16.34 m，且对置布置的各项指标数值均高于18.6 m 布置形式对应的数值。同时，分水口距离0 m（对置布置）的干管水锤压力分配值大于布置形式为18.6 m 的，支管水锤压力同样，这是由于水锤波在运行中，水体对其由能量有一定的消减分配作用造成的。

表1 支管水锤压力分配比率表（分水口间距0 m）

表2 支管水锤压力分配比率表（分水口间距18.6 m）

2.2 不同分水口距离布置条件下的水锤压力分配

每一种布置方式都通过3 次重复性试验，选取科学合理的数据，并进行深入分析，得出如图3和图4的关系曲线。

图3 分水口间距0 m 水锤压力分配

图4 分水口间距18.6 m 水锤压力分配

由图3和图4可以看出，整个试验管道各路的压力变化波动趋势基本一致，但变化幅度有差异。对置布置（分水口间距0 m）的压力水头分配最大值出现在13 号压力监测点，间距为18.6 m 出现在12 号压力监测点，最大值均在分水口处，12 号和13 号均为2 种分水口布置的支管首端第一个压力监测点。分析水锤分配压力情况，对于对置布置的干管而言，由干管末端阀门B 前12 号压力监测点至首部1 号压力监测点，呈现逐渐减弱的趋势。其中，对置布置时，瞬态操作的阀门B 前，干管压力监测点12 号波动的幅度最大。支管的水锤压力值分布，由支管分水口处13 号压力监测点向支管末端方向，逐渐减小。对置布置方式，由于水锤波同时传至公共分水口处，并同时向两个支管进行压力分配和传播，压能经历衰减次数仅一次，传播距离也较短；分水口间距18.6 m 的错距布置时，两个分水口均要经历水锤波压能衰减，且传播距离较远，衰减幅度也随着增大，分水口距离干管末端阀门B 越近，分配的压力就越大，分水口距离阀门B 越远，分配压力就越小。

3 结论及建议

分水口间距的变化，不但影响干管水锤波的传播距离，而且还关系到管道中压力的分配。一般而言，分水口间距越大，水锤波的传播距离越远，水锤压力衰减也越多，从而压能损失也就越多，整个管网的沿程压力分配也呈逐渐减小的变化规律。经试验获得数据并分析得到水锤压力分配比率（对置布置和间距为18.6 m）范围为0.479～0.814，其平均值分别为0.648 和0.617。

干管沿程压力的水头最大值出现在监测点12路，即干管末端瞬态操作阀门前，其他监测点的压力水头向干管首端逐渐递减。对于两个支管水锤压力水头而言，均从干管分水口起，向支管末端阀门处，呈逐渐递减的变化趋势，而且位于下游支管的压力水头要略大于上游支管，这是由离瞬变源位置的远近决定的，距离越远，损失的压能越大。水锤压力最大值极易产生的地方主要集中于阀门前和分水口处，实际工程中应该加以重视。文中数据的获取主要来源于试验，为了技术进一步推广和应用，以后试验中应加强对不同分水口间距的研究，同时通过模型验证，找出经济合理符合实际工程应用的分水口距离。