长距离输水系统串联多阻抗调压室的水锤防护效果

梁圣辰，张 健，贺 蔚，唐洪武，肖 洋，何 平，廖峻杰，蒋 捷

(1.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098；2.水安全与水科学协同创新中心，江苏 南京 210098；3.广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

长距离输水工程能够有效连通各大水系、解决水资源分配问题[1-2]。由于地形落差往往需要水泵加压输水[3]，但水泵抽水掉电后，降压波向管线下游传播，压力较小处压力可能降至汽化压力，导致水柱分离[4-6]，水柱弥合后可能产生巨大压力，严重破坏管线水力元件，造成经济损失，故需要在系统管线设置水锤防护措施。

张健等[7-10]对空气阀、单向塔、双向调压室、空气罐、超压泄压阀、泵后蝶阀两阶段关闭等常用水锤防护措施进行了详细研究，朱雪强等[11-13]研究表明，针对一些特殊输水工程，联合防护方案能取得良好的防护效果。针对调压室，童祥等[14]系统研究了阻抗孔面积与输水管道面积的合理比值，陈岚等[15]给出了串联双调压室临界断面的设计方法，张帅等[16]分析了上游串联双调压室的合理尺寸，张健等[17]探讨了气垫调压室临界断面计算中的合理参数取值，周建旭等[18]建立不同水力模型对设置并联调压室的水电站稳定性进行了讨论。

在长距离、大流量输水系统中，水流惯性往往较大，对于出水池水位较低而管线布置高程较高的输水系统，水泵抽水掉电后泵后管线压力除了受第一波降压波影响外，较大的涌浪降幅也将对输水系统产生较大的影响，容易造成调压室涌浪过低，管线出现负压。仅在泵后设计调压室往往需要较大面积，故有必要增设辅调压室进行联合防护以减小调压室面积。串联多调压室布置即在输水系统管线多处增设调压室，在输水工程中已经得到广泛应用。但无论是单调压室还是串联多调压室，各调压室阻抗孔径的选取对水锤防护效果均有较大的影响，因此在选取调压室阻抗孔径时，需要进行详细分析。本文结合工程算例，基于瞬变流计算的特征线法进行一维数值模拟计算，对比分析了单阻抗调压室和串联多阻抗调压室两类防护措施的水锤防护效果，验证了后者的优越性，同时针对两种布置情况下调压室阻抗孔径的选取进行了系统的优化研究。

1 算例数值模拟

图1 测压管水头线和管中心线高程Fig.1 Water head line and tube centerline elevation of piezometric tube

本文以粤东三江连通引水工程为研究对象，该工程取水口水位-1.4 m，出水池水位23.5 m，管材为DN4300钢筋混凝土，全长约27 km，稳态工况如图1所示(图中H、h、L分别为测压管水头、管中心线高程和泵后的距离)，利用6台设计扬程为44.59 m的单级双吸离心泵加压输水，输水流量20 m3/s。泵站机组抽水掉电后，要求管线留有2 m压力(本文压力均以水头表示)安全裕量。

水泵抽水掉电且泵后阀拒动，若全线无水锤防护措施，由图2(图中H、Q、t分别为泵后压力、泵后流量和时间)可知，泵后产生约47 m降压，水锤波以约800 m/s波速向泵后管线传播，掉电一个相长(约68 s)后出水池反射的升压波使泵后压力上升，水体约138 s后发生倒流，最大反转速度达503.57 r/min。由图3(图中Hin为管道内压力水头)可知，泵后管线几乎都产生严重负压，桩号23+000处负压最大，达-33.64 m(压力低于-10 m时，水体已发生汽化，图3中低于-10 m的压力仅代表负压的严重程度)，这是因为泵后降压速率快且该段管道初始压力小导致出水池反射降压波能力差，向前防护距离短。

图2 无防护水泵抽水掉电泵后压力与泵后流量变化过程Fig.2 Change processes of pressure and discharge behind pump with unprotected power-down

图3 无防护水泵抽水掉电管线最小压力包络线Fig.3 Envelope curves of minimum pressure along pipeline for the pump with unprotected power-down

表1 单阻抗调压室体型参数和涌浪压力计算结果

1.1 单阻抗调压室模拟结果

调压室面积越大，调压室水位和管线压力也越大，为保证输水系统安全，初步拟定在泵站出口设调压室防护停泵水锤，设计了3种调压室防护方案，调压室体型参数和涌浪压力计算结果如表1所示。

图4 阻抗孔径对最低涌浪的影响Fig.4 Effect of impedance hole apertures on minimum surge

图5 阻抗孔径对管线最小压力包络线的影响Fig.5 Effect of impedance hole apertures on envelope curves of minimum pressure along pipeline

水泵抽水掉电后，泵后调压室的水体瞬间向泵前倒流，为了充分发挥调压室的调节性能，设计泵后蝶阀采用15 s一段直线快速关闭。由方案1与方案3相比可知，通过在简单式调压室底部设置直径较小的阻抗孔可以在保证调压室安全水深裕量和管线最小压力相差不大的同时有效减小调压室的截面积约6%。这是因为减小底部阻抗孔径能提高最低涌浪，使管线最小压力增大，故可对截面积进行缩减。方案2说明减小阻抗孔径可以大幅减小截面积且保证最低涌浪较大，但随着阻抗孔径减小，底部阻抗损失增大，加上水泵抽水掉电后巨大的降压波使得水位迅速下降，导致底部瞬时降压很大，调压室防护距离缩短，泵后管线压力迅速下降，管线初始压力较小处降至汽化压力，造成“水击穿室”，故单阻抗调压室防护方案存在最优阻抗孔径的选取。如图4、图5所示，截面积S一定(850 m2)，阻抗孔径d过小可以增大最低涌浪Zmin，但会造成“水击穿室”，使得管线末端初始压力较小的地方出现严重负压；当阻抗孔径增大至2.4 m时，管线最小压力最大，继续增大阻抗孔径，最低涌浪下降将导致底部压力降低。最优阻抗孔径的选取可先采用调压室涌浪波动振幅公式对调压室面积进行估算，然后试算阻抗孔径使得管线最小压力满足要求的同时保证调压室最低涌浪满足要求。

1.2 串联多阻抗调压室模拟结果

1.2.1 计算结果对比

水泵抽水掉电后，水锤波衰减较快，但在很长一段时间内由于水体惯性的存在，仍会产生较大的涌浪降幅，与方案3相比，增大调压室的面积(如方案4)能使调压室水位下降变慢，增大最低涌浪，使得管线最小压力增加，但面积显著增大。此时可在主调压室后增设辅调压室(桩号7+800处)进行防护。本文在设有调压室防护措施且泵后阀15 s一段直线关闭规律的基础上，为了有效防护负水锤并优化调压室体型，又设计了防护方案4和防护方案5进行对照(表2)。由表2可知，采用串联双阻抗调压室可在保证最低涌浪较大的同时提高管线最小压力，并大幅度减小总面积，可由1 000 m2缩减至690 m2(220 m2+470 m2)。

表2 串联多阻抗调压室体型参数和涌浪压力计算结果

1.2.2 串联多阻抗调压室联合防护机理

由图6、图7可知，串联双阻抗调压室之所以可以取得比单阻抗调压室更好的水锤防护效果，是因为串联双阻抗调压室可以加强反射水锤波，增大调压室对管线的水锤防护距离，水流在流经两个阻抗孔时都损耗了能量，加速了涌浪波动衰减，提高了稳定水位的能力。两个调压室的涌浪波动相互制约，使得涌浪降幅大幅度减小，调压室最低涌浪和管线最小压力大幅提升，故串联双阻抗调压室(方案5)所需总面积可以远比单阻抗调压室(方案4)小。以此类推，串联三阻抗调压室(方案6)的水锤防护计算结果(在桩号4+000处增设一个辅调压室)如表2、图6(图中Z为主调压室水位)和图7所示，相比于串联双阻抗调压室，串联三阻抗调压室在选取了合适的阻抗孔径后，可以在保证总面积由690 m2(220 m2+470 m2)缩减至610 m2(170 m2+220 m2+220 m2)的情况下，取得更好的水锤防护效果，有效提升调压室最低涌浪和管线最小压力，降低工程造价。由此可以类推，随着管线阻抗调压室数量的增加，串联多阻抗调压室的优越性将愈发明显。同单阻抗调压室防护类似，串联多阻抗调压室亦存在最优的阻抗孔径，可保证调压室最低涌浪和管线最小压力最大并有效减小调压室的总截面积。

图6 不同防护方案主调压室水位变化Fig.6 Water level change of principal surge chambers under different protection schemes

图7 不同防护方案管线最小压力包络线Fig.7 Envelope curves of minimum pressure along pipeline under different protection schemes

2 串联双阻抗调压室的参数优化

串联多阻抗调压室与串联双阻抗调压室类似，本文以串联双阻抗调压室为例分析调压室参数对调压室水锤防护效果的影响。串联双阻抗调压室的压力波动较为复杂，两个调压室面积和阻抗孔径的选取对防护效果影响很大，选取合适的阻抗孔径可以取得更好的水锤防护效果，在保证调压室最低涌浪和管线最小压力较大的同时使调压室面积大幅减小，故对串联双阻抗调压室阻抗孔径的选取进行研究是非常有必要的。在确定主、辅调压室数量和位置后，主、辅调压室面积和阻抗孔径对主调压室最低涌浪和管线最小压力的影响计算结果如图8和图9所示(图中D1、D2分别为主、辅调压室的直径，d1、d2分别为主、辅调压室的阻抗孔径，Hmin为管线最小压力)。

由图8、图9可知，采用串联双阻抗调压室防护时，面积越大，输水系统调压室最低涌浪和管线最小压力也越大，主、辅调压室均存在最优阻抗孔径的选取。

2.1 主调压室阻抗孔径选取

主调压室因设置在泵后，由图8、图9可知，主调压室阻抗孔径d1过小虽然可以增大主调压室最低涌浪，但会造成“水击穿室”，此时管线最小压力主要受d1的控制，管线最小压力较低，随着d1增大，主调压室最低涌浪下降，但底部阻抗瞬时降压降低，主调压室的“穿室”作用减弱，管线最小压力显著提升，管线最小压力逐渐受主调压室最低涌浪控制；当d1增大至1.8 m时，管线最小压力最大，继续增大d1，受主调压室最低涌浪降低影响，管线最小压力逐渐下降，但随着辅调压室阻抗孔径d2增大，主、辅调压室间底部压差变小，该水力特性逐渐消失。因此在设计d1时应保证在不发生“水击穿室”的同时尽可能减小d1以保证主调压室具有富余的安全水深。此外，当泵后阀关闭规律确定以后，增大主调压室阻抗孔径将导致在泵后阀关闭期间加大水体倒流流量，使主调压室水位下降，增大泵后阀关闭期间产生的关阀水锤和水泵倒转转速，因此对给定的泵后阀关闭规律来说，亦存在较优调压室阻抗孔径的选取。

图8 阻抗孔径对主调压室最低涌浪的影响Fig.8 Effect of impedance hole apertures on minimum surge of principal surge chamber

图9 阻抗孔径对管线最小压力的影响Fig.9 Effect of impedance hole apertures on minimum pressure along pipeline

2.2 辅调压室阻抗孔径选取

由图8、图9可知，随着辅调压室阻抗孔径d2增大，主调压室最低涌浪和管线最小压力上升，d2为1.4 m时主调压室最低涌浪最高，受主调压室最低涌浪控制，管线最小压力也最大，继续增大d2，主调压室最低涌浪和管线最小压力呈下降趋势。这是因为随着d2增大，辅调压室水位降低，但底部阻抗压差显著下降，根据水头平衡方程，辅调压室底部压力增大，与主调压室底部压力之间的压差减小，使得主调压室最低涌浪和管线最小压力增大；d2增大至1.4 m时主调压室最低涌浪和管线最小压力最大，继续增大d2，辅调压室水位将加速下降，底部压力降低，与主调压室底部压力之间压差变大，使得主调压室最低涌浪逐渐下降，管线最小压力降低，该特性可由图10中D1=17 m、D2=25 m、d1=1.8 m情况下的3条水位变化过程线得以验证。由图10可以看出，d2较小时，主调压室水位呈迅速下降趋势，d2较大时，主调压室水位则缓慢下降，故在对d2进行选择分析时实际上就是在主调压室水位迅速下降与缓慢下降两种水位变化过程中寻找一个平衡点使得主调压室最低涌浪最高以保证管线最小压力最大。

图10 辅调压室阻抗孔径对主调压室水位的影响Fig.10 Effect of impedance hole aperture of secondary surge chamber on water level of principal surge chamber

由以上计算分析可以证明主、辅调压室均存在最优阻抗孔径，可通过试算得到。先通过涌浪公式估算主、辅调压室的截面尺寸，试算得出主调压室的最优阻抗孔径d1，在保证不发生“水击穿室”的情况下再对辅调压室的阻抗孔径d2进行试算。在主、辅调压室均选取最优阻抗孔径后，串联双阻抗调压室可取得最佳的水锤防护效果，显著提升调压室最低涌浪和管线最小压力，大幅度减小调压室截面尺寸。该结论也适用于串联多阻抗调压室，即在串联多阻抗调压室布置系统中，各调压室均存在最优阻抗孔径。

3 结 论

a. 单调压室防护方案中，在保证不发生“水击穿室”的情况下，在调压室底部设置直径较小的阻抗孔可以保证较大的安全水深和管线最小压力，有效减小调压室面积。

b. 相比于单阻抗调压室防护方案，串联多阻抗调压室水锤防护效果更佳，可以加强对水锤波反射，加速涌浪波动衰减，提高管线最小压力和调压室最低涌浪，故在长距离输水系统中，串联多阻抗调压室布置总面积要远小于单阻抗调压室。随着管线阻抗调压室数量的不断增加，串联多阻抗调压室的优越性愈发明显。

c. 串联多阻抗调压室布置系统中，调压室面积越大，输水系统调压室最低涌浪和管线最小压力也越大，主、辅调压室均存在最优阻抗孔径的选取，使得调压室的最低涌浪和管线最小压力最大以满足输水系统的运行要求并大幅度减小调压室截面尺寸。