吳國英，宋莉萱，來志強,2，武彩萍

(1.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，水利部黃河泥沙重點實驗室，鄭州 450003；2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

0 引 言

多沙河流水庫為了保持庫容，常需要各種方式進(jìn)行排沙，目前常用的方式有水庫調(diào)度排沙和管道排沙。管道排沙較水庫調(diào)度排沙靈活，通過合理布設(shè)排沙管道擴大清淤范圍以提高清淤效果[1]。采用管道排沙方式進(jìn)行清淤作業(yè)時，大塊膠泥、石塊等雜物進(jìn)入排沙管道導(dǎo)致管道淤堵或者管道閥門啟閉，這將引起管道內(nèi)壓強急劇交替升高和降低，進(jìn)而在管道內(nèi)形成水錘效應(yīng)[2,3]。水錘效應(yīng)會對閥門及管壁會產(chǎn)生壓力，嚴(yán)重時會導(dǎo)致管道破裂、塌癟、管道接口位置改變和滲漏等現(xiàn)象[4-7]。另外，管道排沙需要在水庫內(nèi)布設(shè)管道系統(tǒng)輸送泥沙，為了滿足清淤范圍及工作效率，管道系統(tǒng)常采用軟連接將管段連接起來，管道布設(shè)的長度也常常大于清淤距離，這個富余出的長度與該距離的比值則定義為管道長度富余度。懸浮在水面或水中的排沙管道因為長度有富余，在水錘壓力作用下將產(chǎn)生振擺現(xiàn)象。管道振擺幅度過大不僅對管道系統(tǒng)自身產(chǎn)生破壞，還會給管道系統(tǒng)周邊水體附屬設(shè)施帶來財產(chǎn)損失，甚至有可能拖拽水面作業(yè)平臺致其傾覆，危及操作人員的財產(chǎn)和生命安全。因此研究水中懸浮管道水錘壓力以及由于水錘壓力產(chǎn)生的管道振擺規(guī)律對于提高管道排沙技術(shù)實施安全十分重要。

管道水錘壓力的研究至今已經(jīng)100余年，水錘的研究理論和試驗手段也日趨完善和成熟。法國工程師Menabrea[8]最初通過模型試驗研究簡單管道的彈性和水體的壓縮性對水錘的影響，揭開彈性水錘研究的序幕。隨后意大利工程師Allievi[8]提出水錘計算的圖解曲線法以及末相水錘的計算公式。人們開始能夠完全通過理論公式去計算簡單管道的水錘。由于實際工程遠(yuǎn)比簡單管道復(fù)雜，后來水錘的研究開始轉(zhuǎn)向復(fù)雜的管道系統(tǒng)。物理模型試驗是一種有效的研究手段，對于比較復(fù)雜且沒有相關(guān)實踐經(jīng)驗可借鑒的工程，模型試驗研究被認(rèn)為是不可缺少的。國內(nèi)學(xué)者劉光臨等[9]率先探討了泵站系統(tǒng)的水錘模型的相似理論，分析了水泵和冷凝器邊界的相似性。隨后伍超等[10]研究了調(diào)壓室物理模型中變態(tài)設(shè)計對試驗結(jié)果的影響，提出了保證模型和原型相似的方程組。近年來關(guān)于水錘壓力的試驗研究還有很多[11-15]，但是目前關(guān)于懸浮柔性管道水錘作用下振擺規(guī)律的研究還十分匱乏，因此急需通過實體概化模型試驗對其開展研究。

本文進(jìn)行了一系列懸浮管道物理模型試驗，詳細(xì)研究了管道流速、閥門關(guān)閉時間和管道長度富余度對管道水錘壓力和振擺幅度的影響，研究成果能夠為水庫清淤管道排沙工程實踐安全運行提供參考。

1 模型試驗

1.1 試驗概況

水庫清淤管道排沙工程實踐時經(jīng)常采用由鋼管和PE柔軟管交叉連接的管道系統(tǒng)。物理模型試驗通過交替連接鋼管和橡膠軟管形成管道，連接處采用鐵絲固定。另外軟管的存在使得管道長度富余度改變時管道布局更加容易調(diào)整；當(dāng)管道發(fā)生擺動時，軟管也能夠減小擺動過大對管道帶來的影響。

物理模型試驗在黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院水工試驗大廳進(jìn)行。模型場地由磚墻合圍而成，東西南北墻體長度分別為13.2、13.2、20.9和19.5 m，其中管道對稱布置在東西方向，管道初始設(shè)置長度為20.6 m，如圖1所示。試驗所用鋼管長1.5 m，橡膠軟管長0.625 m，兩者內(nèi)徑為0.05 m，管壁厚均為0.002 m。模型中管道穿過兩側(cè)墻壁的鑿孔懸浮于水中且彎曲布置，管內(nèi)水流流速由實驗室水塔水頭提供。

為量測管道閥門關(guān)閉時管道擺動幅度，在南北方向每隔2.0 m拉一條鋼絲，管道上方布置云臺攝像機記錄管道擺動情況，通過管道與鋼絲間的距離計算管道振擺幅度。試驗中以位于最中間的軟管作為研究對象，以其垂直于管道布置方向的最大振幅(南北向振幅之和)作為管道最大振幅，如圖1所示。為量測管道沿程不同位置處水錘壓力變化情況，分別在管道入口處、彎曲處和尾部閥門附近3個位置的鋼管上方設(shè)置了脈動測壓傳感器(如圖1所示)，傳感器測試數(shù)值可轉(zhuǎn)變?yōu)樗N壓強，用于表征水錘壓力大小。為了描述方便，分別稱管道入口處、彎曲處和尾部閥門處的脈動測壓傳感器為傳感器1，傳感器2和傳感器3。建成物理模型試驗如圖2所示。

圖1 物理模型試驗管道系統(tǒng)布置示意圖Fig.1.Schematic view of the layout of the suspended pipeline

圖2 物理模型試驗照片F(xiàn)ig.2.Photo of the model test

1.2 試驗方案

為研究管道流速、閥門關(guān)閉速度和長度富余度對管道水錘壓力和振擺幅度的影響，設(shè)置了如表1所示試驗方案。試驗設(shè)置了3種富余度，分別為0%，10%和30%，其中0%即為初始設(shè)計管道長度22.5 m，試驗中管道長度通過管道中間段彎曲程度進(jìn)行調(diào)節(jié)。富余度為0%時，設(shè)置了3種流速，分別為2.0，2.5和3.5 m/s，用于研究流速的影響；設(shè)置了3種閥門關(guān)閉速度，分別為快速0.5 s，中速5.0 s和慢速10.0 s，用于研究閥門關(guān)閉速度影響。

表1 試驗內(nèi)容Tab.1 Test schemes

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 流速影響

圖3為富余度為0閥門關(guān)閉時間為0.5 s時相同管道流速下不同位置傳感器測得的管道壓強?？梢钥闯?，同一流速下閥門關(guān)閉后3個位置管壁壓強會突然增大又恢復(fù)穩(wěn)定，這是因為閥門關(guān)閉時管道內(nèi)水體相互擠壓產(chǎn)生一個向上游傳播的正壓波，所以各個通道都會產(chǎn)生一個正壓力突變的情況。由于懸浮管道在水中有較明顯的擺動現(xiàn)象、持續(xù)時間長且水的阻力消耗了管道水錘的能量，因此管道壓力又迅速恢復(fù)了穩(wěn)定。考慮到儀器本身的量程的限制和反應(yīng)靈敏度的誤差以及管道振擺現(xiàn)象，因此圖3中沒有出現(xiàn)明顯的負(fù)的壓強值。從圖3還可以看出，越靠近閥門位置處的傳感器所測壓強越大且發(fā)生突變的時間最遲，這是因為水錘傳播需要一定的時間且水錘能量在傳播過程中由于軟管的存在轉(zhuǎn)換成了彈性勢能。

圖3 相同管道流速下不同位置傳感器測得的水錘強度Fig.3 Measured pressures on the pipeline at the same velocity

工程中最關(guān)心的為最大水錘壓力情況，因此圖4給出了富余度為0閥門關(guān)閉時間為0.5 s時不同流速下傳感器3測得的管道壓強。從圖4可以看出，管道內(nèi)流速越大，閥門關(guān)閉時管道內(nèi)水體在突然停止流動后受到的壓縮程度越大，因此傳感器測得管道壓強越大，其中流速為3.5 m/s時最大壓強可達(dá)300 kPa。為了測試管道所能承受最大壓力，因此補充了流速為5.0 m/s的模型試驗。實驗過程中，閥門快速關(guān)閉后出現(xiàn)了管道連接處直接崩開的現(xiàn)象，且管道擺動非常大，實驗直接被迫中止。這說明在流速為5.0 m/s時突然關(guān)閉閥門的管道水錘壓力相較于之前流速下的壓力又增大了許多，因此發(fā)生了管道連接處的崩裂情況。通過上述不同流速下啟閉閥門管道壓力試驗結(jié)果可以總結(jié)出：工程實踐時在不影響水庫排水排沙的效率下應(yīng)該盡可能降低管道內(nèi)的初始流速，減小水錘帶來的影響。

圖4 不同管道流速下傳感器3測得的水錘強度Fig.4 The pressures on the pipeline measured by the sensor 3 at different velocities

圖5為富余度為0閥門關(guān)閉時間為0.5 s管道流速為3.5 m/s時測得的管道振擺情況。管道擺幅圖是空中云臺從側(cè)上方對管道擺動時記錄的照片，平行的黑色鋼絲線為參照線，參照線間實際距離為2.0 m。通過記錄管道中間段距離鋼絲的距離，可以就算出管道的南、北最大擺幅。圖5中管道最大擺幅為0.320+0.100=0.420 m。利用最大擺幅以及管道擺動持續(xù)時間可以算出關(guān)閉閥門的平均擺幅，已知振幅持續(xù)時間約為3 s，因此計算出富余度為0閥門關(guān)閉時間為0.5 s管道流速為3.5 m/s時管道每秒平均振幅約為0.140 m。利用相同原理計算得到2.5 m/s和2.0 m/s的平均振幅分別為0.113 m和0.097 m，圖6給出了不同流速下富余度為0閥門關(guān)閉時間為0.5 s時的平均振幅?？梢姡艿榔骄穹S著流管道流速增大而增大，這與各個流速下快速閥門關(guān)閉時的管道水錘壓力變化結(jié)果一致。

圖5 管道擺動示意圖Fig.5 Schematic view of the piping vibration

圖6 管道擺動平均振幅隨流速的變化Fig.6 Average amplitude versus flow velocity of the piping vibration

2.2 閥門關(guān)閉時間影響

圖7為富余度為0流速為2.0 m/s時閥門關(guān)閉時間為5.0 s和10.0 s時管道各傳感器測得的管道壓強，其中閥門關(guān)閉時間為0.5 s管道壓強已在圖3(a)給出?？梢钥闯?，5.0 s和10.0 s關(guān)閉閥門時，各個通道的變化整體趨勢仍然符合0.5 s關(guān)閉時的規(guī)律。圖8為富余度為0流速為2.0 m/s不同閘門關(guān)閉速度傳感器3測得的水錘壓力。可以看出，相比于0.5 s關(guān)閉閥門，5.0 s和10.0 s關(guān)閉閥門時管道壓強增大值較小，增長速率明顯減緩，出現(xiàn)峰值的時間也相對延后，這說明增長閥門關(guān)閉時間后，水流不會在一瞬間對管道造成較大的沖擊力，這樣做能夠盡可能保證管道作業(yè)過程中的穩(wěn)定性和安全性。圖9給出了富余度為0不同閥門關(guān)閉時間在不同流速下管道振擺平均幅度變化圖，可以看出不同閥門關(guān)閉時間時管道振擺平均幅度規(guī)律與管道壓強規(guī)律及產(chǎn)生的相同，這里不再贅述。

圖7 相同閥門關(guān)閉時間不同位置傳感器測得的壓強Fig.7 Measured pressures on the pipeline at the same valve closure time

圖8 不同管道流速下傳感器3測得的水錘壓強Fig.8 The pressures on the pipeline measured by the sensor 3 at different valve closure times

圖9 管道擺動平均振幅在不同流速下隨閥門關(guān)閉時間的變化Fig.9 Average amplitude versus valve closure times at different flow velocity

2.3 富余度影響

圖10為閥門關(guān)閉時間為0.5 s時3種流速下不同富余度傳感器3測得的水錘強度。可以看出，當(dāng)流速一定時，閥門關(guān)閉時由于受到壓縮的水體質(zhì)量隨著管道富余度的增加而增大，因此水錘最大強度也有所增大。

圖10 不同富余度傳感器3測得的水錘壓強Fig.10 The pressures on the pipeline measured by the sensor 3 at different surplus degrees

表2給出了閥門關(guān)閉時間為0.5 s時3種流速下不同富余度管道振擺幅度?？梢钥闯觯挥喽葹?時在各個流速下擺幅要明顯大于10%和30%的情況，后兩者振幅差別不明顯。造成富余度越大振擺越小是因為隨著管道富余度增加，管道總長增加，管道受到水的阻力增大，水體對管道擺動消耗的能量也隨之增加，導(dǎo)致管道擺動減小。工程實踐時在一定范圍內(nèi)增大管道的富余度有利于減小水錘帶來的管道擺動的影響。

表2 管道擺幅統(tǒng)計Tab.2 The rate statistics of the piping vibration

3 結(jié) 論

(1)閥門關(guān)閉時，懸浮管道水錘壓力和振擺幅度會隨著管道流量增大而增大，其中越靠近閥門關(guān)閉的地方水錘壓力越大，且當(dāng)流量過大時還會造成管道爆裂。

(2)快速關(guān)閉管道閥門會在管道中產(chǎn)生很大的水錘壓力，從而使得管道振擺幅度增大，工程中應(yīng)增加閥門關(guān)閉時間，盡可能保證懸浮管道作業(yè)過程中的穩(wěn)定性和安全性。

(3)懸浮管道長度富余度改變會引起管道最大水錘壓力的改變，管道富余度增大時，水錘的最大值也會增加，而擺動程度則在一定范圍內(nèi)會越小。

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