罗定市原水工程关阀水锤分析

陈伟文

（广东省建科建筑设计院有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

由于输水工程的特殊性和复杂性，长距离输水中存在很多的问题，其中最常见、最突出的问题是长距离输水管线水锤保护[1]。目前，水锤计算分析方法和软件在工程设计中的应用越来越广，输水配水工程设计当中针对水锤防护内容的研究成果日渐增多[2]。其中，目前常用的水击现象数值计算方法有有限差分法、有限元法、有限体积法、以及特征线法等，其中特征线法处理简单、精度较高，应用最为广泛[3]。延长阀门关闭时间是减小水锤危害的有效途径[4]。本文结合实例，通过对末端阀门不同关闭时间进行比较，结合测压管水头和沿程管道压力包络线分析，得出合理的水锤防护方案从而优化了管道设计。

1 工程概况

随着罗定市的各项各业日益发展扩大，原金银河供源水管（内径1.2m）已不能满足市民及各项业发展的需求，现急需铺设一条从金银河水库至七和水厂的源水供水管确保市民及各项业用水需求。经线路比选后，确定了总长9.5km 的推荐方案，推荐方案起点位于金银河水库原取水点，终点接入七和水厂絮凝池，由于金银河水库地势较高，计算后原水可不经加压泵站，通过地势差输送到现状七和水厂。本次设计管径DN1400，输水能力23 万t/d，水力坡降3‰。管材为球磨铸铁管，壁厚14mm。

2 模拟建立

2.1 水库参数

罗定市金银河水库位于罗定市中部——罗定江中游右岸群山，跨越罗平、素龙、生江三个镇，距城区15km。金银河水库是一座集供水、灌溉、防洪、发电等综合效益的中型水库，是罗定市最大的供水水源，是我们共同的大水缸。供水范围覆盖罗城、生江、附城、双东、素龙、围底、华石、苹塘等8 个镇（街），受益人口50 多万人。

金银河输水工程于2008 年5 月动工兴建，2009 年6 月建成通水，设计日供水量14 万m3，日最大供水量可达22 万m3。现有取水口1 个，位于金银河水库副坝下游，总供水能力0.5 亿m3/年，已建成日供水量8 万m3，规划金银河水库取水口继续保留，扩建到日后最大供水量31m3，以满足用水量要求。正常水位100.60m，相应库容3225 万m3。

2.2 管道参数

由于本次从水库向城区水厂供水，不需要泵站加压，故不考虑经济流速。

2.2.1 满流或压力流的输水管管径

式中：Q——输水管计算流量，m3/s；V——管道流速，m/s。

2.2.2 沿程水头损失

式中：hy——沿程水头损失，m；L——计算管段长度，m；i——管道单位长度的水头损失（水力坡降）。

由于本次采用的是内衬水泥砂浆的球墨铸铁管道，《室外给水设计标准》（GB 50013—2018）推荐采用的管渠沿程水头损失计算公式如式（3）所示。

2.2.3 位置水头

金银河水库常蓄水位约95m，终点七和水厂第一个处理设备网格絮凝调节池设计水位约67m，则位置水头约28m。

2.2.4 计算结果

综上计算结果如表1 所示。

表1 水力计算

2.3 瞬态参数

波速计算采用以下公式计算。

本项目DN1400 球墨铸铁管壁厚14mm 波速计算结果为982.31m/s。

管道选用球墨铸铁管，公称压力1.6MPa。应用水力瞬变的特征线方法，定位阀门边界进行求解计算。

3 停泵水锤分析

3.1 稳态模拟

稳态运行时的水力坡度（总水头线）曲线和有压输水管道高程曲线，如图1 所示。

图1 稳态高程曲线

终点处设流量控制阀，控制流量为23 万m3/d，稳态运行时最大压力水头46m，管道没有产生负压。

3.2 无排气阀防护水锤模拟

根据前述波速计算公式，管径DN1400 球墨铸铁管波速为982.31m/s，末端设计DN1400 控制阀和流量调节阀，本系统水锤相为U=2L/a=19.64s。应控制关阀时间大于水锤相，避免产生直接水锤。

没有设置排气阀的情况下，末端阀门分别按10s 内匀速关闭（图2），30s 内匀速关闭（图3），60s 内匀速关闭（图4），60s 内分两阶段（前20s 相对快速关阀80%，后40s 内缓慢关闭另外的20%）（图5），120s 内匀速关阀（图6）为例。对关阀水锤模拟结果进行分析。

图2 10s 匀速关阀

图3 30s 匀速关阀

图4 60s 匀速关阀

图5 60s 两阶段关阀

图6 120s 匀速关阀

图2 中，红线为最大压力水头包络线，黑线为稳态时总水头线，绿线为管道高程，蓝线为最小压力水头包络线。在不设排气阀的情况下，10s 内匀速关阀末端阀前压力约212.776mH2O （扣除地面高程60m 后约1.5MPa 压力，虽然未超过管道工作压力1.6MPa，也没超过管道实验压力），但为了保证系统安全稳定运行，防止潜在的爆管风险，需要寻求更好的关阀方案，尽量降低最高水锤压力值。

图3 中，30s 内匀速关阀末端阀前压力约207.032mH2O。与10s 匀速关阀相差不大，需要寻求更好的关阀方案，尽量降低最高水锤压力值。

图4 中，60s 内匀速关阀末端阀前压力约130.07mH2O。与10s，30s 匀速关阀相比有较大下降。

图5 中，60s 内两阶段关阀末端阀前压力约137.748mH2O。与60s 匀速关阀相差不大。

图6 中，120s 匀速关阀末端阀前压力约112.404mH2O。与60s 匀速关阀相差不大。

根据表2 的结果，可见60s 匀速，60s 分阶段，120s匀速均能较好降低水锤影响，综合操作和管理简约性和运行效果。本次选择出现特殊情况需要关阀时末端60s 匀速关阀的操作方式。

表2 各种工况管道压力

4 结语

长距离有压管道输水水流条件复杂、沿程磨损较大，且运行过程中阀门的调节或事故的发生等都会导致沿线的流量、流速、压力等水力参数发生急剧变化[5]。采用Bentley.Hammer 水锤分析技术，用建模方法对水锤效应的管段进行分析，多次模拟分析后，确保管道在正常运行工况、关阀等工况下，管道全线不产生负压，水锤影响控制在工程可接受范围内。