长白县备用水源管线工程水力过渡过程研究

宣 淼，李 琦，云天禹

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021；2.昌图县水利事务服务中心，辽宁 铁岭 112500）

0 引言

重力流输水管线设计中，输水系统流量调节等工况的转换都可能导致输水系统中水力参数发生剧烈变化，产生全系统的水力瞬变现象，轻则导致相邻管路出现非正常供水，重则导致爆管事故，危及整个输水系统的正常、稳定运行；且长距离供水工程水力过渡过程具有水力滞后严重、管道内滞留气体排除困难、水锤防护措施复杂等特点。因此，需要进行各种工况下的系统水力过渡过程计算，以此对全系统的运行可靠性、稳定性和危险工况进行预测，为输水管线整体运行调节、水锤防护措施的选择等提供科学依据和建议，以保证工程安全运行、降低工程成本[1，2]。

1 工程概况

长白县备用水源工程由拦河坝工程和输水管线工程组成，供水水源为西沟拦河坝，位于十九道沟支流西沟沟口以上1.3 km处。输水管线工程自起点拦河坝输水洞起至长白县净水厂止，总长约19.3 km，其中自双山六级电站至净水厂段利用现有管线6.2 km，新建管线13.1 km。新建管线自拦河坝下180.0 m起，终点为双山六级电站附近现有供水管线接入点处，管线主要沿西沟及十九道沟布设。

2 研究内容

结合工程质量要求，对压力输水系统进行水力过渡过程仿真计算，模拟工程设计和运行中可能出现的水力过渡过程，有效地减小过渡过程产生的危害。主要研究内容：对长白县供水工程系统稳态运行工况计算，通过计算输水系统的水力损失确定输水管线的运行参数，计算设计工况下系统测压管水头和内水压力，并复核输水系统管线布置的合理性，输水系统是否满足过流要求；分析长白县供水工程开关阀的最危险工况，在最危险工况下优化重力流段的开关阀规律。

3 水力过渡过程计算原理及数学模型

3.1 水锤计算的特征相容方程

描述任意管道中的水流运动状态的基本方程：

式中：H——测压管水头；A——管道面积；x——沿管轴线的距离；t——时间变量；a——水锤波速；g——重力加速度；Q——流量；β——管轴线与水平面的夹角；f——摩阻系数；D——管道直径。

式（1）（2）可简化为标准的双曲型偏微分方程，从而可利用特征线法将其转化成同解的管道水锤计算特征相容方程。

对于长的管道A—B，其两端点A，B边界在t时刻的瞬态水头HA(t)，HB(t)和瞬态流量QA(t)，QB(t)可建立如下特征相容方程：

式中：△t——计算时间步长；△L——特征线网格管段长度；△L=a△t（库朗条件）；k——特征线网格管段数，k=L/△L；R——水头损失系数，R=△h/Q2。

水力过渡过程计算一般从初始稳定运行状态开始，即取此时t=0，因此，当式中(t-k△t)＜0时，则令(t-k△t)=0，即取为初始值。式（3）（4）均只有两个未知数，将其分别与A，B节点的边界条件联列计算，即可求得A，B节点的瞬态参数。

3.2 阀门控制节点方程

一般情况下，出口阀门的过流方程：

式中：Cd——阀门流量；AG——阀门流量系数；△Hp——过阀水头损失；τ——阀门开启面积；Cr——阀门全开时的流量系数；Ar——阀门全开时的面积。计算过程中，通过读取厂家提供的阀门开度与流量系数关系曲线，反应阀门实际过流特性，提高计算精度。

3.3 计算控制条件

1）输水系统在开关阀的过渡过程中，不允许出现负压，最大内水压力必须满足管道最大压力的承压标准。

2）供水沿线最大压力原则上须满足GB 50265-2010《泵站设计规范》[3]，根据管线布置，按照相应的管材要求控制，最终根据计算结果进行相应调整。

4 输水系统阀门开启关闭过渡过程计算

输水系统起点拦河坝最低输水水位（死水位）842.50 m，最高输水水位（校核洪水位）847.46 m，终点长白县净水厂水位782.96 m（考虑8.00 m富余水头），输水系统最大供水流量0.25 m3/s，水厂前设有蝶阀。由于输水系统起、终点落差较大，在末端水厂阀门开启、关闭过程中将不可避免产生较大的压力波动。为确定合理的阀门调节程序，避免造成管线的破坏，主要对输水系统末端阀门开启、关闭工况进行过渡过程计算，从而校核输水系统沿线最大压力是否符合压力控制标准。

4.1 不同水位下关阀计算

拦河坝水位选取校核洪水位和死水位两种工况，下游为水厂水位；供水流量为0.25 m3/s；水厂前蝶阀初始开度为1；末端蝶阀关闭操作方法按照不同关闭时间分为3种方案：180 s一段直线，240 s一段直线，300 s一段直线；目标开度均为0。经过渡过程计算，当拦河坝水位为校核洪水位时，3种方案阀前最大压力依次为143.47，130.38和119.17 m，蝶阀关闭管道沿线最大压力值依次为179.26，169.48和160.22 m；当拦河坝水位为死水位时，3种方案阀前最大压力依次为138.30，130.38和119.17 m，蝶阀关闭管道沿线最大压力值依次为174.14，164.49和155.41 m，2种工况最大压力值所在位置均为管道桩号K0+091.6位置处。末端蝶阀关闭时，3种方案下净水厂蝶阀前压力变化过程线见图1。

图1 末端蝶阀关闭时3种方案下净水厂蝶阀前压力变化过程线

由图1可以看出，2种工况下关阀越慢，压力上升越缓。3种方案的管道最大内水压力都发生在新建管道内，新建管道承压标准为200 m，管道发生最大压力处满足承压标准。原有管道承压标准为160 m，方案一、方案二在原有管道处（k0+000.0～-k6+200.0）的最大压力均超过160 m，不能满足管道承压标准；方案三最大压力所在位置满足承压标准的同时，原有管道内的内水压力也均小于160 m的承压标准，故推荐采用方案三，即300 s一段直线关阀规律。

4.2 不同水位下开阀计算

拦河坝水位的选取与关阀一致；供水流量为0.00 m3/s；水厂前蝶阀初始开度为0；末端蝶阀开启操作方法按照不同开启时间分为3种方案，时间与关阀相同；目标开度均为1。经过渡过程计算，当拦河坝水位为校核洪水位时，3种方案阀前最小压力依次为17.26，17.19和17.04 m，蝶阀开启管道沿线最小压力值依次为7.23，7.23和7.25 m；当拦河坝水位为死水位时，3种方案阀前最小压力依次为17.20，17.16和17.04 m，蝶阀开启管道沿线最小压力值依次为3.09，3.10和3.11 m，2种工况最小压力值所在位置均为管道桩号K13+109.0位置处。末端蝶阀开启时，3种方案下净水厂蝶阀阀前压力变化过程线见图2。

图2 末端阀开启时3种方案下净水厂蝶阀前压力变化过程线

由图2可以看出：2种工况下开阀越慢，阀前压力下降越缓，最终压力降到几乎同一水平。3种阀门开启方案沿线均未出现负压，均能满足要求，管道沿线的最小内水压力几乎相等。

通过对输水系统阀门开启、关闭过渡过程计算可知，关阀工况下无论是在拦河坝校核洪水位（847.46 m）时关阀还是在死水位（842.50 m）时关阀，都采取了3种方案进行计算，水锤压力主要取决于关阀时间；经过比较，建议采取方案三，即300 s一段直线关阀规律，满足管道承压标准的同时，能尽量节省关阀时间；开阀工况下3种阀门开启方案沿线均未出现负压，均能满足要求。

5 结语

通过对长白县备用水源管线工程水力过渡过程的研究，模拟了输水管线运行过程中可能出现的水力过渡过程，对输水系统的运行可靠性、稳定性和危险工况进行了预测，为输水管线整体运行调节、水锤防护措施的选择等提供科学依据和建议，也为后续工程设计过程中保证工程安全运行和降低工程成本提供了可靠依据，同时也为类似重力流输水管线水力过渡过程计算和相关工程设计起到了一定的参考作用。