【摘要】現(xiàn)階段，水資源分布不均和地下水開采嚴(yán)重使我國(guó)目前面臨的重大問(wèn)題，要想對(duì)其進(jìn)行解決，就要實(shí)現(xiàn)跨流域調(diào)水工程。地形條件符合的地區(qū)利用水的勢(shì)能進(jìn)行自壓管道輸水可以減少沿途水分蒸發(fā)、滲漏等問(wèn)題。但在管道輸水過(guò)程中水錘問(wèn)題是值得研究的重大問(wèn)題，是一直以來(lái)管道輸水的安全隱患。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究現(xiàn)狀，對(duì)管網(wǎng)鋪設(shè)管徑選擇，水錘防護(hù)措施以及組合技術(shù)，閥門啟閉方式與歷時(shí)，水錘防護(hù)中的軟件應(yīng)用作了研究分析，并對(duì)防護(hù)技術(shù)前景做了展望。

【關(guān)鍵詞】重力流；管道輸水；水錘防護(hù)；空氣閥；水資源

引言

我國(guó)農(nóng)業(yè)占地面積廣大，用水量非常多，用水矛盾日益突出。大型自壓管道輸水是充分利用地表水資源通過(guò)兩地高差勢(shì)能進(jìn)行重力長(zhǎng)距離輸水的方式，結(jié)合新疆綠洲灌區(qū)已經(jīng)大規(guī)模實(shí)施的膜下滴灌系統(tǒng)，形成大型自流灌區(qū)現(xiàn)代化管道化輸配水的自壓滴灌系統(tǒng)模式，該灌溉模式具有提高水利用系數(shù)、節(jié)約水資源，減少能源損耗、綠色環(huán)保，適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)行管理方便等諸多優(yōu)勢(shì)。

1、管網(wǎng)管徑鋪設(shè)選擇中水錘防護(hù)

采用多級(jí)重力流管道分段輸水，將長(zhǎng)距離管道分成幾個(gè)較短的管道，能夠有效降低管道靜水壓力、降低管材耐壓等級(jí)和工程造價(jià)、簡(jiǎn)化輸配水條件、減少管理人工、在技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)。根據(jù)水錘發(fā)生機(jī)理，利用減壓水池對(duì)管線進(jìn)行壓力分級(jí)，可以使管道進(jìn)水口反射回來(lái)的水錘波較早地回到管道末端，從而避免過(guò)高的水錘升壓。

2、充放水過(guò)程中水錘防護(hù)

長(zhǎng)距離重力流輸水管路在充放水過(guò)程中，充水流量越大，管道內(nèi)特征點(diǎn)的氣體壓強(qiáng)最大值越大，排氣就會(huì)不暢，容易引發(fā)氣爆等水錘破壞事故；充水流量越小、越緩慢則越不會(huì)使管道內(nèi)氣體產(chǎn)生較大的壓力變化，從而有效防止水錘的發(fā)生。放水流量越大，管道內(nèi)氣體壓力達(dá)到最小值所用時(shí)間越短，能達(dá)到的最小壓力值也越小，會(huì)導(dǎo)致管道局部出現(xiàn)真空，繼而發(fā)生管道凹陷等破壞。通常情況下充水歷時(shí)較長(zhǎng)，保水是保證管路適時(shí)運(yùn)行和防止水體脫空的重要技術(shù)。

3、不同類型的水錘防護(hù)設(shè)備及其組合方式

3.1不同類型的水錘防護(hù)設(shè)備

3.1.1空氣閥

空氣閥是一種性能優(yōu)良的進(jìn)排氣設(shè)備，主要利用氣囊的壓縮與膨脹對(duì)管道進(jìn)行注水和排氣，分離空氣與水，具有恒速緩沖功能且構(gòu)造簡(jiǎn)單、不受安裝條件限制等特點(diǎn)，多用于設(shè)備流量較小、揚(yáng)程較高、控制壓力變化范圍較廣的情況，可作為消減斷流彌合水錘的最基本防護(hù)措施。在合理位置安裝合適進(jìn)排氣孔徑的空氣閥，可在管路中出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)快速補(bǔ)充空氣，降低管線負(fù)壓，也可排出管道運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的滯留氣團(tuán)，使水充滿管道，有效防止水柱分離再?gòu)浐袭a(chǎn)生的巨大瞬變壓力。在工程實(shí)際應(yīng)用中，減小空氣閥的排氣面積，緩沖閉合流速控制在0.2～0.5m/s范圍內(nèi)，最高排氣速度不超過(guò)管道流速，可在一定程度上將水錘升壓控制在規(guī)范要求的管道承壓值范圍內(nèi)并減少空氣閥的破壞現(xiàn)象。

3.1.2調(diào)壓塔

調(diào)壓塔的工作原理是通過(guò)儲(chǔ)存一定體積的水，利用壓差向管道內(nèi)注水，升壓時(shí)壓縮空氣消能緩沖，降壓時(shí)補(bǔ)水防負(fù)壓。單向調(diào)壓塔是有壓供水系統(tǒng)常用的平壓措施，相比補(bǔ)氣措施更加經(jīng)濟(jì)可靠。在管道沿線根據(jù)具體情況增加箱內(nèi)水位或增設(shè)多個(gè)單向調(diào)壓塔可以有效消除管道中出現(xiàn)的負(fù)壓及水柱分離現(xiàn)象，避免斷流空腔再?gòu)浐纤N的過(guò)高升壓。

3.1.3止回閥

止回閥調(diào)節(jié)可以有效進(jìn)行水錘防護(hù)，具有廣闊的水錘防護(hù)理論研究和技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展前景。止回閥有緩閉止回閥、梭式止回閥等多種類型，也有較多學(xué)者對(duì)止回閥的水錘特性以及其他特性進(jìn)行了研究，并根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化?？煽鼐忛]止回閥在正常關(guān)閥時(shí)，可以保證管路系統(tǒng)中不會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的水錘升壓并且能夠很好地抑制管路中水的倒流。

3.1.4超壓泄壓閥

通常布置在管道高程較低位置，在突發(fā)事件發(fā)生過(guò)程中，可以及時(shí)將傳遞增壓的水流排泄出去，提高管路對(duì)水錘正壓的防護(hù)能力。超壓泄壓閥的類型較多，可根據(jù)實(shí)際工程的具體防護(hù)要求來(lái)選用。

3.1.5消能箱

具有水力摩阻和調(diào)蓄水池的雙重性質(zhì)，可消減過(guò)高的水流余能?？梢院?jiǎn)化為虛擬閥門和普通水池相串聯(lián)的調(diào)壓室形式進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

3.2不同的防護(hù)措施組合方式

在管路中設(shè)置調(diào)壓塔、空氣閥等其他工程措施進(jìn)行聯(lián)合水錘防護(hù)，可以在事故發(fā)生時(shí)及時(shí)向管線中補(bǔ)水或補(bǔ)氣，以減小輸水系統(tǒng)壓力的劇烈下降，避免因負(fù)壓破壞造成爆管事故。

4、閥門啟閉對(duì)水錘的影響

4.1關(guān)閥方式

管道內(nèi)水錘壓力的大小不僅取決于管道內(nèi)介質(zhì)的流速，而且還與閥門的關(guān)閉特性有關(guān)。實(shí)際工程中應(yīng)避免閥門快關(guān)以及同時(shí)關(guān)閉的操作方式，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)研究選擇合理的關(guān)閥方式，避免產(chǎn)生過(guò)高的水錘壓力。

4.2關(guān)閥時(shí)間

控制管道末端閥的關(guān)閉時(shí)間，可以穩(wěn)定管路的升壓值，使水錘壓力與關(guān)閥后期壓力波動(dòng)的峰值相當(dāng)，可以預(yù)防因關(guān)閥太快引起的直接水錘，進(jìn)而消除水錘危害。閥門的啟閉動(dòng)作越慢、時(shí)間越長(zhǎng)，流速的變化梯度就越小，越不易產(chǎn)生水錘，閥門的啟閉動(dòng)作越快、時(shí)間越短，水的汽化穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)，流速變化梯度越大，彌合水錘壓力就會(huì)越大。對(duì)于不同工況，需要詳細(xì)的計(jì)算并調(diào)試，以期得到最優(yōu)的閥門啟閉時(shí)間。

5、模擬軟件在水錘防護(hù)上的應(yīng)用

對(duì)于在瞬態(tài)工況下運(yùn)行的閥門，其模型建立以及水力性能預(yù)測(cè)都不能完全按照通常的穩(wěn)態(tài)理論進(jìn)行，動(dòng)態(tài)仿真軟件可以更加準(zhǔn)確地模擬閥門開啟過(guò)程中的瞬態(tài)特性。借助計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件來(lái)解決實(shí)際工程中的問(wèn)題是今后重要的研究趨勢(shì)，研發(fā)設(shè)計(jì)切合實(shí)際的新軟件、新程序顯得尤為重要。

結(jié)語(yǔ)：

綜上所述，自壓管道輸水的優(yōu)勢(shì)有很多，是自流灌區(qū)水資源高效利用的重要輸水方式，在管道輸水過(guò)程中尤其要預(yù)防關(guān)閥水錘的發(fā)生，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)此做了大量的實(shí)踐研究，得出了重要的水錘防護(hù)經(jīng)驗(yàn)。水錘的產(chǎn)生與管道的管線布置方式、初始流速、水錘波速、管道水力特性、閥門特性以及其啟閉時(shí)間與角度等有著密切的關(guān)系。根據(jù)管道輸水工程的地形、地質(zhì)條件等綜合各項(xiàng)影響要素，利用相關(guān)優(yōu)化方法結(jié)合MATLAB等數(shù)值模擬軟件計(jì)算得出合理的管線布置以及最優(yōu)管徑，并選擇合適糙率滿足耐壓閾值的管材。經(jīng)過(guò)縝密的計(jì)算分析，選用經(jīng)濟(jì)安全、管理方便的水錘防護(hù)措施，并且利用ANSYS等仿真模擬軟件進(jìn)行水錘模擬計(jì)算，得出最優(yōu)的關(guān)閥規(guī)律。由于大型管道輸水工程龐大而且復(fù)雜，因此可以進(jìn)行水錘模擬試驗(yàn)的小比例模型有待實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行水錘計(jì)算時(shí)，需要更加精確的推導(dǎo)出閥門以及防護(hù)設(shè)備邊界條件的相關(guān)參數(shù)以及計(jì)算公式，以使編程計(jì)算的結(jié)果更符合實(shí)際工況。根據(jù)復(fù)雜的瞬間流態(tài)問(wèn)題，具有更佳仿真效果的動(dòng)態(tài)模擬軟件仍需要進(jìn)一步研究開發(fā)。

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