小井沟水利工程长距离输水管线水锤计算与分析

肖春丽，高星吉，毕 瑶

(1.四川省水利规划研究院，成都，610072；2.四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，成都，610072；3.四川省水利科学研究院，成都，610072)

1 工程概况

小井沟水库位于自贡市西部越溪河上游，是一座以城市供水、农业灌溉为主要任务的综合利用水利工程，小井沟水库正常蓄水位429.00m，大坝为混凝土面板堆石坝，最大坝高87.60m。水库总库容1.66亿m3，工程等别为Ⅱ等，工程规模为大(2)型，供水工程主要建筑物级别为3级。供水工程地震设防烈度为Ⅶ度。工程建成后，多年平均新增城市供水6800万m3，向自贡市供水管道总设计流量为3.2m3/s，其中利用已建供水管道输水流量为1.0m3/s，新建供水管道输水流量为2.2m3/s，单管管线全长26.954km。

2 输水管线布置

新建供水管道布置基本沿已建原有管道平行布置，大体由西至东，从双河口起沿土地河右岸经荣县境内双石镇、成佳镇、白庙镇，再经自贡市贡井区输水至长土水厂。

新建供水管道为两根玻璃钢管平行布置，在方家坪隧洞前汇合，方家坪隧洞为有压隧洞输水，出方家坪隧洞后仍然采用两根玻璃钢管道供水。

新建的两根DN1200玻璃钢管，糙率为0.009，不经加压自流输水时，单管输水流量为1.1m3/s。双河口泵站取水点的水面高程为358.50m，自贡市长土水厂交水点水面高程为337.80m，高差20.70m，单管管线全长26637m。

图1 供水管线布置示意

3 设计计算思路

(1)根据设计参数进行供水管道输水能力计算，确保系统在正常运行工况下，达到单根管线输水流量1.1m3/s、双根管道输水流量2.2m3/s的设计要求。

(2)根据布置计算有压输水系统水锤压力分布，得出管道末端阀门在不同关闭时间和不同开启时间的沿线最大压力和最小压力分布，确定合理的阀门关闭和开启时间，降低最大水锤压力，复核管道沿线高程布置，控制管道沿线负压值满足规范要求。

(3)依据方家坪有压输水隧洞最大压力和最小压力分布，确定隧洞结构尺寸。

4 输水能力计算和排气补气阀设置

小井沟供水工程具有距离长、起伏大、沿途弯道多的特点[1]，取水点水位358.50m，交水点水面高程337.80m，进出口高差20.7m，新建管线路径基本与原有管线平行。已建供水管道直径1.0m，不加压输水流量约0.6m3/s，据此推算出原管道局损系数。类比已建管道局损系数，糙率0.009[2]，单管最大输水流量为1.106m3/s，满足设计供水要求。

根据供水工程管道布置，管线驼峰顶部或坡段顶部，设自动排气补气装置，管线较低部位设排污阀[3]。

5 水锤计算

5.1 计算模型

新建供水管道系统两根管路平行布置，单管全长26.954km。在方家坪隧洞汇合，方家坪隧洞为有压供水隧洞，隧洞长1312m，出方家坪隧洞后仍然采用两根DN1200玻璃钢管道供水。两根供水管路计算模型，水锤计算管段分段情况如图2所示。

图2 新建供水管道水锤计算模型

各管段长度分别为：

L1=5642m，共142个计算节点；L2=5642m，共142个计算节点；L3=1312m，共17个计算节点；L4-L7=20000m，每段各126个计算节点，全部共504个计算节点；L8-L11=20000m，每段各126个计算节点，全部共504个计算节点。

水力过渡过程计算的基本方法，基于有压管道的非恒定流(也称瞬变流)计算理论，其弹性水锤波计算采用特征线方法，瞬变流计算的基本方程是运动方程和连续方程[3-4]。

5.2 管道末端阀门关闭水锤压力计算

5.2.1 两根管道末端阀门同时关闭的水锤压力计算

两根管道正常运行，各输水流量1.1m3/s，管路末端取水阀门同时关闭，关闭时间分别为100s、140s、180s、220s、260s、300s、400s、500s、600s。阀门关闭时间100s、600s时沿管线最大最小压力分布曲线如图3-图4所示。

图3 两根管路末端阀门同时关闭100s时，沿管线最大最小压力

图4 两根管路末端阀门同时关闭600s时，沿管线最大最小压力

从计算结果可知，管道末端的取水阀门关闭时间不能太快，否则会有两个危害，一是最低压力线可能接近或低于管顶高程；二是关阀引起的最大内水压力(包括水锤压力)会超过0.6MPa。即使管道末端取水阀门关闭时间600s，在管线25000m下游方向的管线低点位置，例如在桩号25+594.52处，其管线高程最低306.5m左右，桩号26+834.55处管线高程307.75m左右，都是属于管线高程较低的部位，会承受较大的内水压力，最大内水压力会接近或超过0.6MPa，但是考虑到管线最低点的位置高程与上游管道进口水位差已经达到52m左右，也就是不输水时管道最低点的静压力已经超过0.5MPa，再通过延长阀门关闭时间来降低最大水锤压力的实际效果不大。两根管道同时关闭，不同关闭时间管路最低点承受压力见表1。

表1 不同关闭时间管路最低点承受压力计算成果(两根管道同时关闭)

取水阀门关闭时间大于600s，除个别部位外基本可以保证供水管道全线最大内水压力低于0.6MPa，最小压力高程线也都高于管顶高程2m以上。

5.2.2 一根管道末端阀门关闭的水锤压力计算

两根管道正常运行，各输水1.1m3/s，其中一根管路末端取水阀门动作关闭，另一根管道末端取水阀门保持不动，仍然输水1.1m3/s。动作阀门的关闭时间分别为100s、140s、180s、300s、400s、500s、600s，阀门关闭100s、600s时沿管线最大最小压力分布曲线如图5、图6所示。

图5 一根管道末端阀关闭100s时，管路沿管线最大最小压力分布

图6 一根管道末端阀关闭600s时，管路沿管线最大最小压力分布

计算结果与两根管道末端取水阀门同时关闭的计算曲线比较，一根管道阀门关闭时产生的最大压力线在方家坪隧洞之前明显降低，这是由于方家坪隧洞是两根管线汇合的有压引水隧洞，洞径较大，一根管道阀门关闭产生的最大压力线在方家坪隧洞下游才会显著升高。从不同关闭时间的压力分布图和表2知，一根管线阀门关闭时间超过600s，基本可保证沿线供水管道最大内水压力低于0.6MPa，最小压力高程线也都高于管顶设计高程，可以满足有压输水管线布置要求。

表2 不同关闭时间管路最低点承受压力计算成果(一根管道关闭)

5.3 管道末端阀门开启水锤压力计算

5.3.1 两根管道末端阀门同时开启的水锤计算

小井沟供水系统两根管路末端取水阀门开启时将产生降压波，当两根管路的阀门同时开启时，一定是从管路中流量为零开始启动，计算阀门不同开启时间时的最低压力高程线是否低于管顶高程，从而制订出控制管道末端阀门开启的操作时间。分别计算了两根管道末端阀门同时开启时间分别为180s、220s和300s。开启时间300s时沿管线最大最小压力分布曲线如图7所示。

图7 两根管路末端阀门同时开启时间300s时，管线最大最小压力分布

从计算结果表明，两根管道末端的取水阀门同时开启的时间过快，将引起管路的最低压力线低于管顶高程。取水阀门开启时间超过300s后，基本可以保证管线最低压力高程线高于管顶高程，说明若两根管路同时开启，最快时间需要超过300s。

5.3.2 两根管道初始停运，其中一根管道末端阀门开启的水锤计算

小井沟两根输水管道初始处于停运状态，其中一根输水管道末端取水阀门开启，输水流量1.1m3/s，当阀门开启时间180s时，两根管道沿线的最大压力值均在0.6MPa内，最小压力高程线在17.5km、23km段穿过管顶高程，出现负压。当阀门开启时间220s时，两根管道沿线的最大压力值均在0.6MPa内，可以保证管线全长范围内最低压力高程线均高于管线高程，说明一根管路末端取水阀门的开启时间不应小于220s。

图8 一根管道末端阀开启时间220s时，管线最大最小压力分布

5.3.3 一根管道正常运行，另一根管道末端阀门开启的水锤计算

一根管道处于正常输水运行状态，输水流量1.1m3/s，另一根管道由停运状态开启末端取水阀门，输水流量也为1.1m3/s，当阀门开启时间180s时，两根管道沿线的最大压力值均在0.6MPa内，最小压力高程线部分接近甚至部分穿过管顶高程，出现负压。当阀门开启时间220s时，两根管道沿线的最大压力值均在0.6MPa内，最小压力高程线基本都能保证在管顶设计高程以上，不会出现负压，满足有压管道输水要求。

6 结论

为确保管道安全运行，操作控制时间须统一，两根管路供水阀门同时关闭和单独关闭的时间都不小于600s；双根管道同时开启和单根管道开启的操作时间都不小于300s。考虑到计算和实际操作的误差以及数学模型的局限性，在管路末端取水阀门上游侧设置水锤泄放阀，作为整个供水管路的安全储备。

操作控制时间统一的情况下，供水管路末端阀门关闭和开启对方家坪有压隧洞的压力变化影响较小(压力变幅小于10m)。

长距离输水管道阀门开启、关闭或其他操作工况，发生水锤的情况下，通过水锤计算分析确定合理的阀门开启和关闭时间，保证管顶在最高压力高程线以上，并有效降低最大水锤压力，控制了管道工程投资。

目前供水管线已试运行近2年，管道过流能力满足设计过流要求，压力测试值在控制操作时间的条件下，压力值未超出计算值，工程运行安全稳定。