长距离重力有压流输水管系统连通管布置研究

彭志远　桂绍波

摘要：为更合理、科学地布置连通管，使得双管并联长距离重力有压流管路系统更经济、安全，建立了一个理想的双管并联长距离重力有压流输水管路模型。该模型管道采用相同的材质、相同的管径，忽略连通管长度以及连通管桥接带来的水力损失，并假设输水系统的局部损失系数均匀分布。然后根据水力学原理，建立了基本的能量方程和连续方程来对该模型进行求解。再结合实际工程的具体设计要求，得到一个关于相邻连通管间距的数学表达式，进而提出了一种双管并联长距离重力有压流输水管路系统连通管布置的设计方法。最后定量分析了相邻连通管间距的影响因素及其对压力水力坡降线、输水流量的影响。结果表明：相邻的两根连通管之间的距离仅与上下游水位、管线中心点高程、输水管线建筑物、连通管的位置以及最低水量的要求有关，与管材、管径、管内平均流速、输水流量、水力损失系数无关;相邻的两根连通管间距越大，故障段前后的并联管和故障段单管的水力坡降线就越缓;连通管桥接后的输水流量与检修段的水力损失在整个输水系统总损失的占比有关。研究结果对双管并联长距离重力有压流输水管路系统连通管布置具有一定的指导意义。

关键词：长距离重力有压流; 连通管布置; 双管并联; 水力坡降线; 输水流量

中图法分类号： TV134

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.020

0引 言

为了提高输送的可靠性，一些长距离重力有压流输水管道工程通常采用双管并联的设计方案[1]，以便在一条线路检修时另一条线路可以继续运行。对于一些重要的供水工程，当一条管路局部检修时，整个输水系统所输送的流量应满足最小流量要求。工程上，常规的做法是在并联的双管之间设置连通管[2]，如图1所示。

由图1可知，在双管之间采用连通管后，当管路某处（如P点）出现“爆管”等紧急情况需要检修时[3-4]，可将检修阀17和检修阀18关闭，同时打开连通管上的阀1和阀2。通过连通管的桥接，在局部故障检修时实现输水系统的局部单管运行，从而增大输送流量，以此来满足最小输水流量要求[5-6]。

显然，连通管越多，故障检修时所输送的流量越大[7-8]。但是连通管过多，工程的整体投资造价将会增加，不利于工程的成本控制[9-10]。此外，还应考虑故障运行时的系统安全性[11-12]。当管路局部检修，输水系统采用连通管桥接的方式运行时，输水系统的管路特性发生了改变，在局部单管运行的部位其水力损失将增大，水力坡降线在该处突然陡降，可能导致该处管路局部高点出现真空，影响管线的安全运行[13]。

考虑经济性和安全性，有必要对连通管设置的数量以及布置的位置进行科学的研究，分析连通管设置的各种影响因素，为工程实际应用提供一种新的设计思路。基于此，本文建立了一个理想的双管并联长距离重力有压流输水管路模型，并定量分析了相邻连通管间距的影响因素及其对压力水力坡降线、输水流量的影响。

1数学模型

1.1正常运行工况

假设有双管并联长距离重力有压流输水管道系统，上游水位为

SymbolQC@1，下游水位为

SymbolQC@2。管线建筑物总长L，管径为D0，所有管道采用同一材质，管线中心点高程z0（x），正常运行时单管输水流量为Q0/2，管线内的平均流速为u0，总输水流量为Q0，输水系统的测压管压力线p（x）如图2所示。管线末端中心线高程在下游水库水位以下，管线末端为淹没出流。

1.2检修工况

本文以考虑一处检修的情况为例：选取x点后的某一处检修，管线在该检修点断开，打开检修点前后相距Δx（0<Δx≤L）的两条相邻连通管，则该检修工况下的双管并联重力有压流管路系统的总输水流量为Q′。

此时，重力有压流管路系统被分割为3段，如图3所示：第一段为上游水库至x点的双管并联重力有压流段，管线内的平均流速为u1，单管输水流量为0.5Q′，该段管线中心压力水头为p1（x），该段管线的沿程水力损失和局部水力损失分别为hf1（x）和hj1（x）;第二段为由相邻的两根连通管隔出来的长为Δx的单管重力有压流段，管线内的平均流速为u2，输水流量为Q′，该段管线中心压力水头为p2（x），该段管线的沿程水力损失和局部水力损失分别为hf2（x）和hj2（x）;第三段为x+Δx至下游水库的双管并联重力有压流段，管线内的平均流速为u3，单管输水流量为0.5Q′，该段管线中心压力水头为p3（x），该部分管线的沿程水力损失和局部水力损失分别为hf3（x）和hj3（x）。

4算例验证

假设一供水工程，如图4所示，上游水库设计水位25 m，下游水库设计水位5 m。采用双管并联重力有压流供水，管线总长6 km，管线中心高程如图所示，管径为DN1600，管道材质为球墨铸铁管道，管道摩擦因数λ=0.032，局部水力损失按沿程水力损失的10%取值，设计流量6.93 m3/s，最小输水流量要求故障检修运行时应保证70%设计流量。

管路正常运行以及1～8号点依次检修时，输水管路系统的水力坡降线如图5所示，可看出，当1～8号点依次检修时的输水系统均无负压发生。因此，在此案例中，连通管的设置能够满足设计要求。

5结 论

本文建立了一个理想的双管并联长距离重力有压流输水管路系统模型，假设所有的管道采用相同的材质、相同的管径，并忽略连通管长度以及连通管桥接带来的水力损失，输水系统的局部损失系数均匀分布。根据水力学原理，建立了基本的能量方程和連续方程来对模型进行求解;结合实际工程设计要求，得到一个关于相邻连通管间距Δx的数学表达式，提出了一种双管并联长距离重力有压流输水管路系统连通管布置的优化设计方法，并得出以下结论：

（1） 在假设条件下，双管并联长距离重力有压流输水管路系統相邻的两根连通管之间的距离仅与上下游水位、管线中心点高程、输水管线建筑物、连通管的位置以及最低水量的要求有关，与管材、管径、管内平均流速、输水流量、水力损失系数无关。

（2） 在连通管的桥接作用下，故障段前后的并联管的水力坡降线比正常运行时更缓;故障段单管的水力坡降线比正常运行时更陡;相邻的两根连通管间距Δx越大，故障段前后的并联管和故障段单管的水力坡降线就越缓。

（3） 连通管的桥接会使得输水管路系统的输水流量变小，该流量与输水系统通过连通管桥接而形成的单管运行段Δx的水力损失系数之和在输水系统正常运行时的总水力损失系数的占比有关，为满足最小流量Q′≥φQ0的设计要求，该占比应不超过（1/φ2-1）L/3。

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（编辑：谢玲娴）