高落差重力流输水管道开关阀水锤模拟分析

李 妍 , 白绵绵, 闫 飞

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065；2.陕西省水利电力勘测设计研究院,西安 710000)

0 前 言

水锤现象是管路系统中因流体流态剧烈改变而引起的急骤压力交替变换的水力撞击现象。长距离输水有重力输水和水泵加压两种方式。重力流方式和水泵供水相比，多应用小规模工程中，应用方式比较传统，流量和流速的变化比较大，控制方法不合理，多采用传统粗放式的控制方式，经常发生突发的爆管现象[1]。管线末端富余水头较大是重力流输水系统最明显特点，阀门突然启闭，管道内压力急剧升高和降低，引发水锤现象，严重时会造成管道或设备强度不够而破裂、管道塌瘪、管道接口位置改变和渗漏等危害[2-4]。为了掌握高落差重力流输水管道的开关阀水锤规律，许多学者对此做了大量的研究工作。董茹[5]等对带有支线管路的重力流输水工程的关阀水锤进行研究，发现主线和干线阀门的合理关闭时间对于水锤防护有着重要作用。周天驰[6]等针对重力流供水系统各个部位的水力学特点，确定在4个水厂前设置超压泄压阀及采用120 s的开关阀规律的联合水锤防护方案。在实际工程中，确定阀门最优关闭时间建立输水系统最佳工作状态，能够明显减小因关阀操作不当诱发的水锤危害。

本文以青海省玉树市供水管道配套工程为依托，基于典型的高落差重力流输水管路系统，深入分析开关阀历时规律与水锤波传播和反射之间的关系，提出合理的阀门调节措施，为管路系统运行的水力调度、自动化控制以及设备选型提供决策依据。

1 工程概况

水源为新建的国庆水库，通过隧洞及重力自流输水管道送至县城净水厂，解决玉树市17.5万人口的生活饮用水问题。该工程设计规模为4.5万m3/d，管道线路总长度9.0 km，公称压力为2.5 MPa，采用K9级DN500 mm球墨铸铁管；国庆水库正常蓄水位4 027.10 m，设计洪水位4 028.50 m，死水位4 001.50 m，管线末端地面高程3 778.99 m，净高差248.11 m；减压池内设计正常水位3 952.94 m，净水厂所需总水头20 m，作为压力控制点。在管道设计桩号2+258.00 m处布设200 m3减压池，净尺寸为7.8 m×7.8 m×3.5 m(长×宽×深)；末端设置鼠笼型活塞式调流调压阀，利用均匀分布的小孔使水柱对撞破裂而消能，在运行初期或小流量情况下，对末端压力及流量进行控制，最终实现原水从国庆水库重力流至净水厂，并且满足水厂所需水头要求。工程的输水系统布置、管道纵断面布置及稳态工作水压线见图1和图2。

图1 输水系统布置

图2 管线稳态运行时水力坡降线

2 开关阀水锤模拟分析

本次采用HAMMER V8模拟软件，基于特征线法对整个输水系统从一个稳态过渡到另一稳态的瞬间变化进行计算分析，包括管道内节点与管道连接的水池、阀门等其他过流元件。该工程净水厂前布设有蝶阀+过滤器+调流调压阀+伸缩接头+蝶阀，上游蝶阀为检修蝶阀，中间调流调压阀是为了调节流量和消减水压，下游蝶阀为工作阀，便于水厂总进水管运行时正常启闭。所以在模拟计算分析过程中，开关阀操作对象是下游蝶阀，下游蝶阀动作时，中间调流调压阀同步动作，即同时开启或同时关闭。当阀门关闭后管线各点压力为该点高程与首端水库水位的几何落差，即各点的静水头，正常输水时的各点测压管水头，即各点的动水头。阀门关闭后，输水系统经历由动水头到静水头的过渡过程，此过程会产生很大水锤压力[7]。

2.1 关阀水锤计算

根据本工程蝶阀特性及自动化控制设计为线性启闭，本次分别对蝶阀线性关闭时间150、300、600、900、1 200 s 5种工况进行模拟计算。

末端阀门在150 s内关闭时的水锤模拟结果如图3所示。从图中可以看出管道自上游至下游逐渐升压十分明显，最大压力出现在桩号8+840.00 m处，最大水锤压力299.50 m，是静水压的1.74倍，已超过CECS193:2005《城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》中1.3～1.5倍最大工作压力的上限值[8]，此时管线及阀门均需要选择更高的压力等级，特别是阀门应采用4.0 MPa。减压池前端进口最大水锤压力97.50 m，是静水压力的1.19倍；池内最大水深3.32 m，最小水深3.20 m。

图3 末端阀门在150s内关闭水锤包络线

末端阀门在300 s内关闭时的水锤模拟结果如图4所示。从图中可以看出同样管道全线升压过程显著，桩号8+840.00 m处的最大水锤压力250.60 m，是静水压的1.46倍，已接近于《城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》中1.3～1.5倍最大工作压力的极限值，最小压力20.10 m；减压池前端进口最大水锤压力89.40 m，是静水压力的1.09倍，池内最大水深3.35 m，最小水深3.19 m。

末端阀门在600 s内关闭时的水锤模拟结果如图5所示。从图中可以看出管道升压略微明显，最大水锤压力184.50 m，是静水压的1.07倍，最小压力18.40 m；阀门完成关闭后在静压上下范围内波动，关阀水锤改善了许多；减压池前端进口最大水锤压力85.50 m，是静水压力的1.04倍，池内最大水深3.42 m，最小水深3.20 m。

图5 末端阀门在600 s内关闭水锤包络线

末端阀门在900 s内关闭时的水锤模拟结果如图6所示。从图中可以看出管道升压平缓，最大水锤压力176.90 m，是静水压的1.03倍，最小压力19.10 m；减压池前端进口最大水锤压力84.40 m，是静水压力的1.03倍，池内最大水深3.48 m，最小水深3.23 m。

图6 末端阀门在900 s内关闭水锤包络线

末端阀门在1 200 s内关闭时的水锤模拟结果如图7所示。从图中可以看出管道升压更为缓慢，最大水锤压力175.60 m，是静水压的1.02倍，最小压力19.0 m；减压池前端进口最大水锤压力83.70 m，是静水压力的1.02倍。减压池内水深和流量瞬变如图8所示。由图8可见，减压池自380 s开始溢流，直至715 s结束，总溢流量3.30 m3，池内最小水深3.22 m。

图7 末端阀门在1200 s内关闭水锤包络线

图8 减压池内水深和流量瞬变

末端阀门进口压力值如图9所示。阀门关闭时间在150～600 s，阀门进口压力呈明显周期性波动，逐渐衰减；当关闭时间达到600 s，各点压力随阀门关闭逐渐减少，在阀门完成关闭(或即将完成关闭)后在静压上下范围内波动。通过模拟分析，阀门关闭时间应控制在6 000～1 200 s。如关闭过快，将造成管线末端水锤压力升高，小于600 s关闭时会出现最大水锤压力299.50 m，存在爆管风险；超过600 s关闭时水锤压力小于184.50 m，接近于管道静水压，如关闭过慢，将有多余水从减压池中溢流。关阀工况下，上下游阀门应同时动作；且关闭时间越长，系统最大水锤压力、阀门进口压力越小，但减压池溢流量增大。实际运行中，如果减压池上游阀门先关，会放空部分管段，造成负压，不利于管道安全；反之，造成溢流弃水。

图9 末端阀门进口压力值

2.2 开阀水锤计算

根据本工程地形高差大，以减压池为界，上下游两段管道静水压大，尤其是减压池至净水厂段管道末端静水压为173.95 m，若阀门开启速度过快，发生开阀过程中输水系统沿线压力迅速增大，惯性力不断冲击管壁，针对控制工况进行开阀水锤计算，根据结果选定合理的开阀时间。因此采用60、120、300、900 s的开阀时间，计算结果如表1所示。

表1 末端阀门不同开启时间对应极值

从表1中可以看出，开阀时间对应的节点最大压力值为静压值，即压力在静压值左右波动；减压池最大水深随开阀时间增长逐渐变小，但数值差距较小，开阀引起的水力过渡过程并不激烈，最大压力稍高于静压，建议阀门开启时间不低于60 s；同时，如果减压池内无水，应先开启上游阀门，当减压池内水位达到设计水位后，再开启下游阀门；如果减压池内水位已是设计水位，且管线充满水，可同时开启上下游阀门。

末端阀门采用电控蝶阀，在不同工况下均能自动按照预定时间启闭；水厂进水口处采用活塞式控制阀进行流量调节和消减富余水头，并与水库水位相关联建立输水系统阀门操作管理手册，保证沿线水量水压在合理范围内。

3 结 论

本文在不同开关阀规律下，进行了输水系统的水锤压力模拟计算，反映出阀前压力、减压池水深与阀调节规律之间的关系，并寻找管道内部的最大水锤压力，作为控制目标，得出结论如下：

(1) 阀门关闭时间越长，最大水锤压力越小，其降幅也越来越小；开阀最大水锤压力略高静水压；可降低所选管道及阀门的压力等级。

(2) 末端阀门最优关闭时间在600～1 200 s，且上下游同时关闭；超过1 200 s，减压池出现溢流。

(3) 末端阀门开启时间大于60 s，实时监测减压池水位确定上下游开阀顺序。

(4) 对本重力流系统来说，保证阀门启闭时间合理，就可将升降压值控制在要求范围内，无需其他防护设施。