Bentley Hammer软件在长距离压力输水管道工程中的应用

崔 磊

（山西省水利水电勘测设计研究院有限公司 山西太原 030024）

1 概述

灵石县小水网供水工程供水管道首部接东山供水工程输水线路大沟分水口（桩号DL0+000）- 输水线路末端两渡分水口（桩号DL27+917.81）段末端受水点。

自两渡镇供水起点开始，铺设一条供水主管线，长约0.67 km，下穿汾河右大堤进入汾河滩地，沿汾河左岸至三交河处。聚义供水支线在此处右转沿着三交河向上游，至聚义焦化集团，该支线长约9.67 km；夏门供水支线沿着汾河至下游夏门镇，然后在与交口河交叉处折向交口河，沿沟向上游，至夏门支线末端，该支线长约22.77 km。沿途在玉成村布置分支管，分支长约1.9 km。夏门供水支线末端与中部引黄工程供水管线连接，连通段长5.14 km。工程布置如图1所示。

图1 灵石东山供水县域小水网供水工程布置流程图

2 Bentley Hammer 水锤软件

水锤是指在有压管道中，由于某种外界原因（如阀门突然关闭、水泵机组突然开机、停机等），使管道内流速发生突然变化，从而引起压强急剧升高或降低的交替换变化的水力现象。常见的水锤有停泵水锤、关阀水锤、弥合水锤等。

Hammer 软件通过模拟水锤效应发生的原理，可以进行多种水锤水力计算与设计。Hammer 软件拥有快捷的计算引擎和易于操作的界面，得到广大用户的信赖，可以高效识别、管理和降低与瞬态相关的风险。Hammer 软件同时还能进行瞬态分析计算、具有良好的数据兼容性等优势。Hammer 软件主要有以下功能和特点：

1）所使用的解法是对水击动态分析较为成熟可靠的特征线数值解法。

2）包含了多种水锤控制装置比如空气罐等，可以为多种水力控制装置建立计算模型。

3）能够仿真模拟一系列完整的水击瞬时现象，可以为大多数常见水击现象建立模型。

4）具有初始稳态流计算引擎，可以计算模型的初始稳态水力条件。

5）自动计算每一个时间步骤的瞬时水击对管道的冲击力的大小及方向。

6）可以进行水泵反转速、水力涡轮模拟。

3 模拟工况

本工程从两渡分水口开始可以分成总干线、聚义支线、厦门支线、玉成分支和连通段五部分，整个供水管路呈树枝状分布，各支线末端均设流量调节阀。结合工程的总体布置，选取工程运行过程中可能出现的最不利工况进行模拟。运行过程中由于事故末端流量调节阀突然关闭产生水锤的最不利工况主要包括以下几种：

工况一：仅给聚义支线供水，其它支线分水口末端关闭。

工况二：仅给厦门支线供水，其它支线分水口末端关闭。

工况三：仅给玉成支线供水，其它支线分水口末端关闭。

工况四：仅给连通段东方铝业供水，其它支线分水口末端关闭。

4 模型建立

根据工程总体布置，共布设检修阀14 个，其中大沟支线4 个，总干线1 个、厦门支线4 个、聚义支线2个、玉成分支1 个、连通段2 个。排气阀63 个，其中大沟支线31 个，总干线1 个、厦门支线18 个、聚义支线9 个、玉成分支1 个、连通段3 个。流量调节阀5 个，其中总干线1 个、厦门支线1 个、聚义支线1 个、玉成分支1 个、连通段1 个。末端出水池6 座，其中大沟支线1 座、厦门支线1 座、聚义支线2 座、玉成分支1 座、连通段1 座。管网中平面拐点和竖向拐点总共586个，两节点间连接的管道共661 节，将所有的管道拐点坐标及各种控制阀、出水池坐标输入excel 表格导入Hammer 软件建立管网模型。随后将设计好的管道参数、各种控制阀参数及流量参数输入软件，利用初始稳态流计算引擎，计算模型的初始稳态水力条件，验证模型的正确性，为后期模拟计算各种关阀水锤做准备。

5 模拟分析

模型建立好以后，输入参数选择合适的关阀曲线，对各种工况进行模拟计算分析，各种工况的压力水头线计算结果如下所示。

1）工况一：仅给聚义支线供水，其它支线分水口末端关闭。计算参数：设计流量Q=0.561 m3/s，末端关阀时间T=360 s，关阀曲线为直线型。计算结果见图2～图5：

图2 东山调蓄池到聚义出水池

图3 东山调蓄池到厦门出水池

图4 东山调蓄池到玉成出水池

图5 东山调蓄池到连通段出水池

分析结果见表1。

表1 工况一分析结果

2）工况二：仅给厦门支线供水，其它支线分水口末端关闭

计算参数：设计流量Q=0.209 m3/s，末端关阀时间T=360 s，关阀曲线为直线型。计算结果见图6～图9：

图6 东山调蓄池到聚义出水池

图7 东山调蓄池到厦门出水池

图8 东山调蓄池到玉成出水池

图9 东山调蓄池到连通出水池

分析结果见表2。

表2 工况二分析结果

3）工况三：仅给玉成支线供水，其它支线分水口末端关闭。计算参数：设计流量Q=0.073 m3/s，末端关阀时间T=360 s，关阀曲线为直线型。计算结果见图10～图13：

图10 东山调蓄池到聚义出水池

图11 东山调蓄池到厦门出水池

图12 东山调蓄池到玉成出水池

图13 东山调蓄池到连通出水池

分析结果见表3。

表3 工况三分析结果

4）工况四：仅给连通段东方铝业供水，其它支线分水口末端关闭。计算参数：设计流量Q=0.282 m3/s，末端关阀时间T=360 s，关阀曲线为直线型。计算结果见图14～图17：

图14 东山调蓄池到聚义出水池

图15 东山调蓄池到厦门出水池

图16 东山调蓄池到玉成出水池

图17 东山调蓄池经连通段到东方铝业出水池

分析结果见表4。

表4 工况四分析结果

6 结语

运用Bentley Hammer 水锤软件对灵石东山供水县域小水网供水工程压力输水管道工程进行事故关阀水锤模拟，从以上分析结果可知合理的设置排气阀及末端流量调节阀关阀时间可以有效的避免长距离压力输水管道工程中事故水锤的发生。同时还可以为工程实际运行提供理论支持，一定程度上也验证了设计的合理性。