黄毅，陈锋

(长江勘测规划设计研究有限责仟公司，湖北武汉430010)

摘要:为考察管线末端关阀方式对长距离输水工程水锤防护的影响，针对有压输水管道的特点，运用水锤特征方程组确定了关阀水锤的求解方法，并采用Bentley Haestad Hammer软件对重庆市铜罐驿区域供水项目TI- WS. CP2标段水力暂态过程进行了模拟，计算了末端不同关阀模式引起的管道内水压及空腔体积变化。计算结果表明:10s快速关阀500s线性关阀、两阶段关阀3种工况条件下水压峰值分别为1. 69，1.15MPa和0. 69 MPa升压比分别为7.00,4.52及2.56,500s线性关阀与两阶段关阀水压峰值较10s快速关阀分别降低了32.0%与59.2%;快速关阀时出现负压，并产生了较大空腔区，水锤衰减作用不明显;3种关阀模式中只有两阶段关阀产生水压峰值满足管道的承压能力.通过对3种关阀模式的水锤效应比较，可以认为两阶段关阀是管线末端关阀方式的最佳选择。

关键词:长距离重力流输水;阀门关闭方式;线性关阀;两阶段关阀;水压峰值

近年来，我国己经成功实施了许多长距离引水工程，如南水北调工程、引黄济青工程、大连引碧工程以及正在建设中的滇中引水工程等。引调水工程投资巨大，对安全性要求很高，输水过程中一旦产生水锤，极容易造成爆管事故，影响管道的安全运行。目前我国学者对长距离输水工程的水力过渡过程进行了大量研究，但关于管线末端关阀水锤的研究还很少。任义等认为重力流管道发生水锤的主要原因在于关闭末端阀门的时间控制不当。周龙才等认为两阶段关阀模式可有效防护水锤升压，快慢阶段关阀时间参数的确定应通过水锤计算分析与对比确定。XU Zishan等认为实际工程中末端阀门关闭时间既不能过短，又不能过长，最佳的关阀时间应通过电算确定。

本文采用Bentley Haestad Hammer水锤计算软件，对重庆市铜罐驿区域供水项目TIWS. CP2标段长距离重力流输水工程进行了水力暂态过程模拟，比较了管线末端阀门不同关闭方式对管道压力波动的影响，并得出管道末端阀门的最佳关闭方式。

1 关阀水锤边界条件及求解方法

1.1 关阀边界条件

在关阀时间内任意时刻阀门关度θ，阀门快关阶段:

阀门慢关阶段: 

式中，θ为任意时刻t对应的关度; θ₁为快关阶段末关度; θ₂为慢关阶段末关度，当θ₂ =100%时阀门完全关闭;T₁为快关阶段历时;T_s为两阶段关阀总历时;当T₁=T_s ,  θ₁=100%时式（1）为线性关阀公式。

蝶阀过阀水头损失为：

式中，C_u为蝶阀流量特性系数， ;Q为通过蝶阀的流量，m³/ s ; C_u0为蝶阀全开时初始流量

特性系数，为

式(1)~(4)即构成关阀水锤求解所需的边界条件。

1.2 关阀水锤求解方法

式中，a为水锤传播速度;g为重力加速度，9.8m/s² ;A为管道断面面积;H_p为节点水压;Q_p为流量;B为管路特性系数;f为管道阻力系数;D为管道直径。

设j-1和j+1为管道上3个相邻的断面，断面间的距离为△x。如果在t时刻j一1和j+1处的水头H_j--1、H_j+1，和流量Q_j-1、Q_j+1，己知，则根据正、负水锤特征方程联立求解，即可求得△t时刻的管中j断面的水头和流量。

2 算例分析

2.1 稳态工况水力计算分析

某工程采用重力流输水，管线总长25.2 km，管径为1400~1600mm，管材采用钢管与预应力钢筒混凝土管。设计供水总规模26.5万m³/d，共设置分水口3处，桩号为K5+375.34,K10+784.06,K25+096.54分水流量分别为2.72万,6.55万m³/d和17. 24万m³/d，计算起点高程338m，经水力计算稳态过程水力线见图1。

图1 稳态过程水力线

由图1可见管线总水头损失为0.28MPa，管道内水压位于0.04~0.38MPa之间，管道内平均流速为1.36m/s，管道最大静压0.56MPa，承压能力为1.0MPa。