基于末端闸门控制的长距离大管径供水管线水力过渡过程的研究

张正阳

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

1 工程概述

某工程供水管线工程由进水池向出水池（水厂前池）供水。进水池水位95.3m，出水池水位为78.73m，设计流量约25m3/s。供水线路长约15 km，管径3.6m，其中埋地钢管长约11.8km，隧洞长约3.5km。供水管线主要建筑物及设施包括埋地钢管、隧洞段、交叉建筑物、进/出口区域蓄水池、末端闸门等，其中输水管线中水流的输送与切断由管线末端闸门控制。

2 过渡过程计算

2.1 计算方法

本项目利用Bentley Hammer软件进行计算，计算原理基于管线内点的水锤基本方程、水柱分离模型及其他过流部件计算模型，利用带插值的特征线法进行处理计算。

2.2 稳态计算

通过稳态计算可知，得出当进水池、出水池处于设计水位时，管线通过流量26.27m3/s，管道流速2.58m/s，管线最高压力41.72mH2O（桩号3+388）。稳态运行工况下的水力坡度包络线、压力包络线如图1，图2。

图1 稳态水力坡度线

图2 稳态管内压力线

2.3 闸门关闭、开启过渡过程对比

结合螺杆启闭机制造行业的整体水平，螺杆启闭机电动启闭的速度约为0.2~0.3m/min，手动启闭速度约为0.01~0.016m/min。若采用闸门一段电动关闭，为优化整个管线过渡过程，用启闭机速度较小值0.2m/min作为关闭/开启速率标准，竖向孔口尺寸为3.6m，关闭/开启时间为18min。闸门关闭/开启规律如图3。

图3 闸门18m in一段关闭/开启规律

闸门关闭/开启过渡过程水力坡度包络线如图4。由计算结果可知，闸门18min一段关闭工况中，供水系统出现弥合水锤，最高瞬时压力达到128.73mH2O，远远超出管线承压能力，最低瞬时压力达到汽化压力，几乎全线拉断；闸门18min一段开启工况中，管道最高瞬时压力达到54.48mH2O，最低瞬时压力达到汽化压力，大段管线出现严重负压。因此考虑优化闸门关闭规律。

图4 闸门18m in一段关闭/开启管线水力坡度线

2.4 闸门关闭/开启规律优化

结合目前闸门启闭机的普遍制造水平，同时综合考虑工程总体布置及实际情况，选用10min+25min两段关闭/开启（拐点10开度）的关闭规律作为对比工况（关闭规律如图5），进行计算，此时工作闸门为电动与手动操作相结合。具体操作如下：关闭闸门时，10min电动关闭闸门开度的前90%，剩余10%开度利用25min手动关闭；开启闸门时，手动25min开启闸门最后10%开度，再利用10min电动开启剩余闸门开度的90%。

图5 闸门两段关闭/开启曲线

闸门关闭/开启过渡过程水力坡度包络线、压力包络线如图6，图7。工作闸门采用10min+25min两段关闭时，管道最高瞬时压力达45.98mH2O，出现在桩号3+388处，为输水管线的低洼位置，最低瞬时压力0.59mH2O，出现在进水闸门前，管路最高瞬时压力、最低瞬时压力均满足控制标准；工作闸门采用25min+10min两段开启时，管道最高瞬时压力达到45.41mH2O，出现在桩号3+388处，为输水管线的低洼位置，最低瞬时压力为0.61mH2O，出现在进水闸门前，管路最高瞬时压力、最低瞬时压力均满足控制标准。

图6 闸门25m in+10m in两段关闭/开启管线水力坡度线

图7 闸门25m in+10m in两段关闭/开启管线压力包络线

3 结语

（1）末端由闸门控制的长距离、大流量自流管线，相较于阀控自流管线，水锤问题更加突出。这是由于闸门的流量开度特性造成的：闸门流量特性通常相较蝶阀、调流阀等阀门而言，小开度时流量系数变化较大。因此闸门的关闭规律的选取尤为重要。

（2）对于重力流管线的关阀水锤有多种解决方式，如加装弥合式水锤预防阀，超压泄压阀等水力防护措施，而在其中最经济、最有效的方式就是在工艺及工程运行调度允许的情况下，改变闸门关闭/开启规律，如使用两段关闭模式，增长其小开度关/开时间。