王力佩，洪智
（长江水利水电开发集团（湖北）有限公司，湖北 武汉 430010）
摘要：以《鄂北工程襄阳某分水口配套工程》为例，对该工程的输水管线关阀水锤进行数值计算，分析关阀水锤对输水系统的影响并提出相关防护措施建议。
关键词：水锤；水锤计算；关阀水锤；分析建模
1 概述
鄂北工程襄阳某分水口配套工程由鄂北工程XX分水口取水，向XX水库供水，设计流量0.8m3/s，输水管线总长19.82km，单管布置，管材主要采用K9级DN1200球墨铸铁管，全线采用有压重力流输水。为保证管线运行安全，有必要对管道末端闸门关闭产生的关阀水锤进行分析。
根据《给水排水设计手册》5.5节，对于关（开）阀产生的水锤，与关（开）阀时间有关，可分为直接水锤（）和间接水锤（）。直接水锤危害极大，输水系统需要控制阀门启闭时间，杜绝发生直接水锤。目前相关文献及规范均有提供直接水锤的简化计算公式，但仅限于阀前，对管道沿线的水锤情况无法计算，同时这些公式无法直观反映出关阀规则对水锤压力产生的影响。本论文旨在通过数值计算，分析关阀规则对输水管线沿线水锤压力的影响，并给出减小直接水锤压力的建议。
2 计算方法及计算模型
2.1计算方法
本文采用美国BENTLEY公司的水锤计算软件Hammer V8i，通过建立管线水锤计算模型，输入相关参数（包括初始条件和边界条件），经过一系列的试算和调试，分析影响关阀水锤的因素。
2.1计算条件
（1）设计流量：0.8m3/s
（2）管线高程特性：
取水点鄂北工程XX分水口，计地面高程114.43m，管中心线高程111.43m，引水管水头135.64m。受水点xx水库，管道末端设计地面标高97.54m，管中心线高程96.50m，水库水位标高97.33m。
管道主要采用K9级球墨铸铁管，管线长20.46km，管径为DN1200。管道敷设方式为全线地埋。
（3）相关参数的选择与设置：
1）水锤波波速a
按照《给水排水设计手册》（第三版）5.5.1.2节，水锤波传播速度a可按下式计算：
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经计算，本项目a=1068.74m/s。
2）水锤相长Tr
水锤相长按下式计算：
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经计算Tr=38.29s。
3）水击波传播周期：T=2Tr=76.58s
4）计算总历时：300s（约3.9个周期）
5）时间步长：△t=0.1s（距离步长106.87m）
（4）计算模型：
根据压力管道平面方案布置及纵断面设计，建立水锤计算模型。建模如下：
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3 无防护措施下瞬态运行时的水力坡降
为探讨阀门关闭对处理管线的水锤影响，本次模拟计算管道全线均未设置水锤保护措施。管道末端设置液控闸阀，可快速关闭或二阶段关闭。
3.1 末端闸阀快速关闭
为探讨关阀水锤的影响因素，本次计算模拟了5s、30s及60s匀速关阀的情况，其关阀规律见下表：
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将上述边界条件输入计算模型，得出如下图所示的水锤包络线：
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图 2 匀速关阀水锤包络图
从上图可以看出，阀门关闭规则对直接水锤有显著影响。匀速关阀时间越长，管线中正压下降，且下降幅度与时长正相关；管道负压及范围也有明显减小。因此延长关阀时间（），对改善管道沿线直接水锤是有利的。
3.2 末端闸阀分阶段关闭
若管道末端设闸阀两阶段关闭，共历时60s，其关闭规律描述如下：
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将上述边界条件输入计算模型，得出如下图所示的水锤包络线：
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图3 两阶段关阀水锤包络图
从上图可以看出，两阶段关阀对管道系统直接水锤影响较为复杂，中的来说一阶段闸阀关度越大，沿线水锤正压及负压越大，当一阶段闸阀关度约为0.5时，沿线水锤正压及负压均出现最小值。
通过对比图2及图3，两阶段关阀相比匀速关阀，管道沿线直接水锤正压有显著降低，负压及负压范围亦改善明显，且管道压力变化更为平缓。
4 结论
（1）相对匀速关阀，二阶段关阀可明显降低管线沿线直接水锤正压，同时减小负压及负压范围，同时沿线压力变化更为平缓。
（2）二阶段关阀中一阶段关阀越快，管道沿线直接水锤正压及负压越大；当一阶段闸阀关度约为0.5时，沿线水锤正压及负压均出现最小值。
（3）在工程实际运行中，建议闸阀尽量采用二阶段快速关阀，避免直接关阀。同时设置二阶段关阀规律时，关阀规律宜经过分析计算确定。
参考文献：
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