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摘要：长距离重力引水管道、支线多、落差大，当突然关闭管道中的闸、阀时会产生破坏性较大的水锤压力，因此，分析水锤特性并采取合理的水锤防护措施，对于保证引水工程的可靠性和降低管路工程造价具有重要意义。依据计算结果，采用空气阀、减压池等水锤防护措施，可有效减小管路末端关阀水锤压力。
关键词：重力流;长距离引水管道;水锤压力;关阀水锤;水锤防护措施
1 工程概况
小坝子水库引水工程位于普洱市澜沧县谦六乡，水源点为小坝子水库，水库总库容1601.9万m3，为三等中型工程。
本工程是将小坝子水库调节水量引至谦六乡缺水严重的谦糯村、新城村、和平村、平掌村、小佛房村、腊撒村，供给1个集镇5个村民委员会部份农村居民生活、牲畜饮用水，到设计水平年2030年，供水总人口28172人，大牲畜9599头，中牲畜23625头，年平均供水量为201.81万m3。
小坝子水库引水工程原水管道全长77.8Km，由主干管、腊撒干管、平掌干管、平掌左右连接管、移民点连接管组成，开挖埋设管道采用K9级球墨铸铁管，局部明敷架空、穿越河道及公路段采用钢管。其中主干管全长32.75km，设计流量为96.25 L/s～33.72L/s，两条干管合计长45.05km，设计流量为38.27L/s～8.26L/s。
2 控制方程及求解方法
水锤基本微分方程组包括运动方程和连续性方程：
式中，H：管路中某点的测压管水头（m）;D：管路的直径（m）;f：管路摩阻系数;V：管内流速（m/s）;α：管路与水平面间夹角（度）;a：水锤波传播速度（m/s）。对长距离供水管道，采用牛顿-拉普森算法求解恒定流动;采用特征线法将方程（1）和（2）两个偏微分方程变换为全微分方程，用差分方法求解水流流动任一瞬时各断面上的水力参数。将恒定流的计算结果作为瞬态流动水力计算的初始状态，对瞬态流动中的水锤压力进行计算机模拟。
3.2 计算工况
对该引水工程调流阀关闭引起的管路水锤现象进行计算的工况为：管路稳态运行工况、无防护措施工况、设置水锤防护措施工况。
3.2.1 稳态运行工况
管路正常运行时，主干管、干管均达到管路设计流量。输水管路最大压力3.0MPa，位于主干管24+250处，该段位于锥栗河倒虹吸，管中心高程较低。主干管最小压力0.10MPa，在管路进口0+610处。末端水池调流阀断面压力为0.15 MPa。稳态运行各管路最大压力及位置见表2。
计算结果表明，稳态运行时，主干线沿程压力先增大后减小。进口1Km和末端1Km为沿程最小压力段，断面压力均小于0.5MPa。1+000～14+400段由于主干管向各干管、连接管分流，沿线压力低于0.77MPa。在桩号24+000～24+400区域内达到最大，最大压力普遍超过2.5MPa。各支线的稳态压力也从支线进口向水池方向逐渐减小。由此可见，管路稳态运行的压力并不大（DN400～10的K9级球墨铸铁管工作压力为：4.0MPa～6.0MPa）。
3.2.2 无防护措施工况
水池及管道须尽快关阀，而关阀太快则会引起较大的水锤压力，参考已建工程实例，以不同组合方式同时关闭管道调流阀，进行无防护措施工况的关阀水锤模拟，计算结果见表3。
由表3可知，4种阀门组合关闭方式下，管路全线无负压，最小压力均为0.11MPa。发生事故关阀时，调流阀同时关闭越多，沿程压力越大。平掌干管调流阀关阀、平掌干管左连接管调流阀同时关阀，平掌干管、左右连接管调流阀同时关阀，平掌干管、左右连接管、腊撒干管调流阀同时关阀，4种关阀组合下的沿程最大压力大于稳态运行时产生的最大压力，且都发生在主干管24+150的锥栗河倒虹吸处。4个调流阀同时关阀，沿程最大壓力发生在主干线末端30+770穿越沙河倒虹吸处，达到6.5MPa。所有调流阀同时关阀的最大水锤压力为5.7MPa，发生在主干线末端32+600附近，其余4种关阀方式下最大水锤压力发生在主干线中部17+300附近。支线管道事故关阀，水锤波从支线向主干线正、反方向传播，水锤波升压相互叠加，主干线水锤正压较小。主干线末端移民点水池关阀，水锤波只能沿主干线反向传播，因此，包含主干线末端阀门在内的组合关阀方式，产生的水锤压力值均较大，而4个阀门同时关闭调流阀为最不利工况。
表4为无防护措施4个调流阀同时关阀时的特征压力。各支线调流阀断面的最大压力和最大水锤压力沿主干管方向逐渐增大，位于平掌左连接管、腊撒干管末端及主干线末端的调流阀，其断面的水锤压力均达到2.75MPa以上。
对具有距离长、大落差、多支线特点的重力供水工程，当主干线及各支线末端阀同时关闭，主管沿线压力从进口处向末端逐渐升高，末端升幅最大，主干线末端的阀门附近易产生沿程最大压力。各支线进口与其对应的末端配水点高差极小，每条支线管路各断面的最大压力几乎相同，均接近支线与主干线连接处的最大压力。
3.2.3 设置防护措施工况
根据空气阀设置原则，每隔1.0Km左右安装一个，兼有进/排气功能的空气阀，满足管路放空时的进气、初次充水的排气需求。适当在驼峰、向上凸起的拐点处增设空气阀，防止管路中产生水柱分离。本工程沿线共布置排气阀119个。
在满足管道重力供水的前提下，水源和水池高差较大时，为避免影响水池设施正常工作，将在管道沿线设置减压池，在满足整个官网重力供水前提下，根据《村镇供水工程设计规范》SL687—2014规定，100m高差设置一减压池，工程共布置6个减压池;经计算，减压池容积统一为30m?。
当管路设置防护措施，4个调流阀同时关阀的前提下，调流阀断面的特征压力见表5。与沿线无防护措施相比，主干线末端调流阀断面的最大压力减小了约3.0MPa。调流阀所在断面的最大水锤压力值均未超过球墨铸铁管允许工作压力。
4.结论
（1）对于多支线重力流输水管路，当管路无任何水锤防护措施情况下，同时关闭主干线及各支线末端调流阀的数量越多，管路的最大压力和水锤正压越大。当发生事故同时关阀，沿线管路产生的压力最大。因此，当所有调流阀必须关阀时，建议错开时间关阀。
（2）对于线路长、沿线起伏变化大的重力流输水管路，每间隔1.0Km左右安装一个具有进/排气功能的空气阀，可满足管路产生负压、首次充水及放空的进气和排气，在驼峰和向上凸起的拐点处适量增设空气阀，防止管路中产生水柱分离。
（3）对于本文的供水工程，通过在管路中设置空气阀，在水锤压力较高处设置减压池，可以降低管路沿线最大压力，使主干线末端的水锤升压得到大幅度控制，避免水锤压力过高而发生事故，保证工程安全运行。
参考文献：
[1] 毕小剑，赵秀红，杨宝奎等，《长距离有压重力输水工程优化设计》。
[2] 吴昊，党雪梅，《南水北调工程辛庄口门有压重力输水系统管径优化设计》。
[3] 刘志勇，刘梅清，蒋劲等，《重力有压输水系统水锤及其防护研究》。
[4] 杨纪伟，郑薇薇，李书芳等，《重力输水管路水压特性分析》。
作者简介：李 军（1980～），男，工程师，主要从事水工建筑物设计。
关键词：重力流;长距离引水管道;水锤压力;关阀水锤;水锤防护措施
1 工程概况
小坝子水库引水工程位于普洱市澜沧县谦六乡，水源点为小坝子水库，水库总库容1601.9万m3，为三等中型工程。
本工程是将小坝子水库调节水量引至谦六乡缺水严重的谦糯村、新城村、和平村、平掌村、小佛房村、腊撒村，供给1个集镇5个村民委员会部份农村居民生活、牲畜饮用水，到设计水平年2030年，供水总人口28172人，大牲畜9599头，中牲畜23625头，年平均供水量为201.81万m3。
小坝子水库引水工程原水管道全长77.8Km，由主干管、腊撒干管、平掌干管、平掌左右连接管、移民点连接管组成，开挖埋设管道采用K9级球墨铸铁管，局部明敷架空、穿越河道及公路段采用钢管。其中主干管全长32.75km，设计流量为96.25 L/s～33.72L/s，两条干管合计长45.05km，设计流量为38.27L/s～8.26L/s。
2 控制方程及求解方法
水锤基本微分方程组包括运动方程和连续性方程：
式中，H：管路中某点的测压管水头（m）;D：管路的直径（m）;f：管路摩阻系数;V：管内流速（m/s）;α：管路与水平面间夹角（度）;a：水锤波传播速度（m/s）。对长距离供水管道，采用牛顿-拉普森算法求解恒定流动;采用特征线法将方程（1）和（2）两个偏微分方程变换为全微分方程，用差分方法求解水流流动任一瞬时各断面上的水力参数。将恒定流的计算结果作为瞬态流动水力计算的初始状态，对瞬态流动中的水锤压力进行计算机模拟。
3.2 计算工况
对该引水工程调流阀关闭引起的管路水锤现象进行计算的工况为：管路稳态运行工况、无防护措施工况、设置水锤防护措施工况。
3.2.1 稳态运行工况
管路正常运行时，主干管、干管均达到管路设计流量。输水管路最大压力3.0MPa，位于主干管24+250处，该段位于锥栗河倒虹吸，管中心高程较低。主干管最小压力0.10MPa，在管路进口0+610处。末端水池调流阀断面压力为0.15 MPa。稳态运行各管路最大压力及位置见表2。
计算结果表明，稳态运行时，主干线沿程压力先增大后减小。进口1Km和末端1Km为沿程最小压力段，断面压力均小于0.5MPa。1+000～14+400段由于主干管向各干管、连接管分流，沿线压力低于0.77MPa。在桩号24+000～24+400区域内达到最大，最大压力普遍超过2.5MPa。各支线的稳态压力也从支线进口向水池方向逐渐减小。由此可见，管路稳态运行的压力并不大（DN400～10的K9级球墨铸铁管工作压力为：4.0MPa～6.0MPa）。
3.2.2 无防护措施工况
水池及管道须尽快关阀，而关阀太快则会引起较大的水锤压力，参考已建工程实例，以不同组合方式同时关闭管道调流阀，进行无防护措施工况的关阀水锤模拟，计算结果见表3。
由表3可知，4种阀门组合关闭方式下，管路全线无负压，最小压力均为0.11MPa。发生事故关阀时，调流阀同时关闭越多，沿程压力越大。平掌干管调流阀关阀、平掌干管左连接管调流阀同时关阀，平掌干管、左右连接管调流阀同时关阀，平掌干管、左右连接管、腊撒干管调流阀同时关阀，4种关阀组合下的沿程最大压力大于稳态运行时产生的最大压力，且都发生在主干管24+150的锥栗河倒虹吸处。4个调流阀同时关阀，沿程最大壓力发生在主干线末端30+770穿越沙河倒虹吸处，达到6.5MPa。所有调流阀同时关阀的最大水锤压力为5.7MPa，发生在主干线末端32+600附近，其余4种关阀方式下最大水锤压力发生在主干线中部17+300附近。支线管道事故关阀，水锤波从支线向主干线正、反方向传播，水锤波升压相互叠加，主干线水锤正压较小。主干线末端移民点水池关阀，水锤波只能沿主干线反向传播，因此，包含主干线末端阀门在内的组合关阀方式，产生的水锤压力值均较大，而4个阀门同时关闭调流阀为最不利工况。
表4为无防护措施4个调流阀同时关阀时的特征压力。各支线调流阀断面的最大压力和最大水锤压力沿主干管方向逐渐增大，位于平掌左连接管、腊撒干管末端及主干线末端的调流阀，其断面的水锤压力均达到2.75MPa以上。
对具有距离长、大落差、多支线特点的重力供水工程，当主干线及各支线末端阀同时关闭，主管沿线压力从进口处向末端逐渐升高，末端升幅最大，主干线末端的阀门附近易产生沿程最大压力。各支线进口与其对应的末端配水点高差极小，每条支线管路各断面的最大压力几乎相同，均接近支线与主干线连接处的最大压力。
3.2.3 设置防护措施工况
根据空气阀设置原则，每隔1.0Km左右安装一个，兼有进/排气功能的空气阀，满足管路放空时的进气、初次充水的排气需求。适当在驼峰、向上凸起的拐点处增设空气阀，防止管路中产生水柱分离。本工程沿线共布置排气阀119个。
在满足管道重力供水的前提下，水源和水池高差较大时，为避免影响水池设施正常工作，将在管道沿线设置减压池，在满足整个官网重力供水前提下，根据《村镇供水工程设计规范》SL687—2014规定，100m高差设置一减压池，工程共布置6个减压池;经计算，减压池容积统一为30m?。
当管路设置防护措施，4个调流阀同时关阀的前提下，调流阀断面的特征压力见表5。与沿线无防护措施相比，主干线末端调流阀断面的最大压力减小了约3.0MPa。调流阀所在断面的最大水锤压力值均未超过球墨铸铁管允许工作压力。
4.结论
（1）对于多支线重力流输水管路，当管路无任何水锤防护措施情况下，同时关闭主干线及各支线末端调流阀的数量越多，管路的最大压力和水锤正压越大。当发生事故同时关阀，沿线管路产生的压力最大。因此，当所有调流阀必须关阀时，建议错开时间关阀。
（2）对于线路长、沿线起伏变化大的重力流输水管路，每间隔1.0Km左右安装一个具有进/排气功能的空气阀，可满足管路产生负压、首次充水及放空的进气和排气，在驼峰和向上凸起的拐点处适量增设空气阀，防止管路中产生水柱分离。
（3）对于本文的供水工程，通过在管路中设置空气阀，在水锤压力较高处设置减压池，可以降低管路沿线最大压力，使主干线末端的水锤升压得到大幅度控制，避免水锤压力过高而发生事故，保证工程安全运行。
参考文献：
[1] 毕小剑，赵秀红，杨宝奎等，《长距离有压重力输水工程优化设计》。
[2] 吴昊，党雪梅，《南水北调工程辛庄口门有压重力输水系统管径优化设计》。
[3] 刘志勇，刘梅清，蒋劲等，《重力有压输水系统水锤及其防护研究》。
[4] 杨纪伟，郑薇薇，李书芳等，《重力输水管路水压特性分析》。
作者简介：李 军（1980～），男，工程师，主要从事水工建筑物设计。