有關(guān)長距離輸水工程水力過渡過程研究

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1、有關(guān)長距離輸水工程水力過渡過程研究　　摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，我國水利建設(shè)獲得了長足的發(fā)展，其中，長距離輸水工程以其重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值獲得了業(yè)內(nèi)外人士的普遍關(guān)注。本文將結(jié)合實(shí)例對(duì)長距離輸水工程水力過渡過程進(jìn)行分析，以便參考。關(guān)鍵詞：長距離輸水工程；水利過渡工程；分析中圖分類號(hào)：TV文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：工程概況某水庫輸水工程（遼寧省境內(nèi)），輸水管道全長共計(jì)222.898公里，途經(jīng)6市。該工程屬于長距離輸水工程，同時(shí)還具有大流量以及低揚(yáng)程的特點(diǎn)，整個(gè)輸水系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為壓力密閉式系統(tǒng)。泵站上游部分利用有壓重力原理進(jìn)行水流的輸送

2、，在整個(gè)輸水管線上共設(shè)置了6個(gè)配水站以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)城市的配水，因而管線沿途流量呈現(xiàn)出不斷減少的趨勢(shì)。其取水頭部和輸水洞直接相連，不僅設(shè)有攔污柵、電動(dòng)吊車，還設(shè)有檢修閘門以及工作閘門。輸水洞、配水站之間的主要設(shè)施如下：1）調(diào)流閥；2）流量計(jì)；3）電動(dòng)蝶閥；4）穩(wěn)壓塔和液控蝶閥；5）排氣閥；6）泄水閥[1]。8在有壓管道輸水工程中，應(yīng)用水力學(xué)非恒定流理論可知，輸水系統(tǒng)啟停時(shí)，系統(tǒng)中的閥門也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的短暫啟停，如此一來，便會(huì)造成水擊的問題。此過程中，管中流速一旦發(fā)生劇烈波動(dòng)（受某些外界因素影響），將會(huì)導(dǎo)致水體壓強(qiáng)發(fā)生大幅變化，繼而對(duì)管壁、閥

3、門以及其它各種管路元件造成強(qiáng)烈沖擊，輕微時(shí)，可能造成相關(guān)元件的毀損，嚴(yán)重時(shí)，將會(huì)造成管道爆裂，影響整個(gè)輸水工程的安全及正常運(yùn)營。由此可見，針對(duì)水擊過渡過程展開分析、研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。2.水力過渡過程物理模型選擇本文將采用一維瞬變流模型對(duì)水力過渡過程（或者稱之為水擊作用）展開數(shù)值研究。其中：1）V—水體流速；2）H—測(cè)壓管水頭；3）a—水擊波波速，取值1000m/s2；4）g—重力加速度，取值9.81m/S2；5）x—沿輸水管道方向；6）t—時(shí)間；7）D—輸水管道直徑；8）α—輸水管道的坡度；9）λ—沿程阻力系數(shù)，取值8g/C2。

4、該控制方程屬于常規(guī)的雙曲線方程，采用特征線—有限差分法展開離散求解。8該系統(tǒng)管線，不僅包括水庫、穩(wěn)壓塔，還包括凈水廠、加壓泵站，除此之外，還涉及輸水涵洞和管路的良好銜接問題，因此，方程的邊界條件顯得尤為復(fù)雜，主要取以下幾點(diǎn)：1）水頭部；2）管路分叉；3）管路合并；4）穩(wěn)壓塔；5）凈水廠；6）加壓泵站。邊界節(jié)點(diǎn)的定解關(guān)系可通過能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律進(jìn)行確定，換而言之，在邊界節(jié)點(diǎn)流量之和與水頭流量相等。水泵過流量和泵揚(yáng)程的彼此關(guān)系，可用如下數(shù)學(xué)方程予以表示[2]：其中：1）Hs—水泵斷流水頭；2）Q—水泵過流量，通過泵后蝶閥在某時(shí)間點(diǎn)t的

5、開度τ確定。3.基本方案及相關(guān)參數(shù)對(duì)長距離輸水工程的管道系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般將以下兩個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)列為重點(diǎn)考慮對(duì)象：1）管道中將會(huì)產(chǎn)生的最大壓力水頭，其數(shù)值受管壁強(qiáng)度限制，要求實(shí)際最大壓力水頭不可超過試驗(yàn)壓力1.1Mpa；2）管道中將會(huì)產(chǎn)生的最小壓力水頭。如果出現(xiàn)負(fù)壓，且小于水體蒸汽壓力時(shí)，那么將會(huì)導(dǎo)致水體發(fā)生局部汽化反應(yīng)，給管壁帶來不利的影響。在工程設(shè)計(jì)中，一般認(rèn)為管道中的負(fù)壓應(yīng)控制在0.7～0.8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓以上。在水泵啟停時(shí)，管道中水擊壓強(qiáng)的大小將會(huì)受到閥門關(guān)閉方式及關(guān)閉時(shí)間Ts的明顯影響，所以，在工程設(shè)計(jì)中，主要通過延長閥門調(diào)節(jié)時(shí)間的

6、方式，來實(shí)現(xiàn)對(duì)水擊壓強(qiáng)的有效控制。本文通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果，對(duì)最優(yōu)閥門關(guān)閉方式進(jìn)行選擇，將水擊壓力符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?？晒┻x擇的控制閥啟閉方案見表1[3]。8表1泵后控制閥啟閉方案根據(jù)本輸水系統(tǒng)布置方案，對(duì)6種系統(tǒng)運(yùn)行方案（見表2）進(jìn)行水力過渡過程的計(jì)算及分析，分別是：1）以最大供水量對(duì)加壓站上游各城市進(jìn)行供水的5種系統(tǒng)運(yùn)行方案；2）全系統(tǒng)正常運(yùn)行方案。各運(yùn)行方案的加壓泵機(jī)組詳細(xì)配置見表3[4]。表2系統(tǒng)運(yùn)行方案104m3/d表3各運(yùn)行方案機(jī)組配置4.計(jì)算結(jié)果及其分析對(duì)上述6種管道系統(tǒng)進(jìn)行工況分析，并對(duì)其水力過渡過程進(jìn)行數(shù)值分析，得出以下重要內(nèi)容：

7、1）測(cè)壓管水頭包絡(luò)曲線；2）各穩(wěn)壓塔水位；3）各穩(wěn)壓塔溢流量。以加壓站上游各市為最大供水量、鞍山下游為最不利工況1泵組全部開啟運(yùn)行為例，對(duì)相關(guān)數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算后，確定采用180s線性開啟方式以實(shí)現(xiàn)對(duì)泵后蝶閥的開啟控制，開啟時(shí)，管道內(nèi)測(cè)壓管水頭包絡(luò)曲線如圖1所示[5]。圖1測(cè)壓管水頭包絡(luò)曲線8由圖1可知，在管道內(nèi)，水錘正壓最大值為97.65m，水錘負(fù)壓最大值為-6.16m，符合工程安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)計(jì)算進(jìn)行分析，得出如下幾條結(jié)論：1）適當(dāng)延長閥門的啟閉時(shí)間，能夠明顯降低水擊波的沖擊力，實(shí)現(xiàn)對(duì)水頭的最大正壓力及最大負(fù)壓力的有效控制；2）不同閥門

8、啟閉方式將會(huì)造成不同大小的水擊波強(qiáng)度。整體而言，閥門開啟過程中，快速開啟方案通常好于緩慢開啟方案，而閥門關(guān)閉過程中，緩慢關(guān)閉方案則大多好于快速關(guān)閉方案；3）對(duì)于鞍山上游各市最大供水量情況下的鞍