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2025 , Vol. 42 >Issue 8: 208 - 216

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240934

重大引调水工程基础理论与关键技术研究专栏

糙率对长距离输水管线水力特性的影响及应对措施

  • 后小霞 , 1, 2 ,
  • 徐晓东 3 ,
  • 石韬 4 ,
  • 赵峰 5 ,
  • 姜治兵 1, 2 ,
  • 韩松林 , 1, 2
展开
  • 1 长江科学院 水力学研究所,武汉 430010
  • 2 长江科学院 水利部长江中下游河湖治理与防洪重点实验室,武汉 430010
  • 3 内蒙古引绰济辽供水有限责任公司,内蒙古 乌兰浩特 137400
  • 4 内蒙古自治区水利水电勘测设计院,呼和浩特 010020
  • 5 内蒙古水务投资集团有限公司,呼和浩特 010020
韩松林(1986-),男,河南林州人,高级工程师,博士,研究方向为水工水力学和计算水力学。E-mail:

后小霞(1991-),女,甘肃渭源人,工程师,博士,研究方向为引调水工程过渡过程。E-mail:

Copy editor: 罗玉兰

收稿日期: 2024-09-03

  修回日期: 2024-12-10

  网络出版日期: 2025-01-23

基金资助

中央级公益性科研院所基本科研业务费基金资助项目(CKSF2023317+SL)

收起

Influence of Roughness Coefficient on Hydraulic Characteristics of Long-distance Water Conveyance Pipelines and Countermeasures

  • HOU Xiao-xia , 1, 2 ,
  • XU Xiao-dong 3 ,
  • SHI Tao 4 ,
  • ZHAO Feng 5 ,
  • JIANG Zhi-bing 1, 2 ,
  • HAN Song-lin , 1, 2
Expand
  • 1 Department of Hydraulics, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China
  • 2 Key Laboratory of River & Lake Management and Flood Control in the Middle and Lower Reaches of Changjiang River of Ministry of Water Resources, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China
  • 3 Inner Mongolia Chuo’er River-Xiliao River Diversion Water Supply Co., Ltd., Ulanhot 137400, China
  • 4 Inner Mongolia Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute, Hohhot 010020, China
  • 5 Inner Mongolia Water Industry Investment Group Co., Ltd., Hohhot 010020, China

Received date: 2024-09-03

  Revised date: 2024-12-10

  Online published: 2025-01-23

Fold

摘要

长距离输水管道在运行初期管线糙率一般较小,运行一定年限后糙率逐渐增大,糙率大小直接影响工程输水能力和运行安全,开展糙率对稳定运行工况和过渡过程中管线水力特性的影响研究,并提出应对糙率变化的措施是保证工程长久高效运行的必要条件。以引绰济辽工程有压管线段206 km长的PCCP管为例,采用一维特征线法分析糙率变化对管线输水能力和过渡过程中水力特性的影响。研究表明:在稳定运行工况下当管线糙率偏大,管线引用流量减小,管线沿程水头损失增加,阀前管道压力减小,而阀后管道压力增大;在过渡过程中随糙率增大,水锤波传播的摩阻增大,管线压力与调压室水位极值均发生一定变化,工程设计时需考虑一定压力富裕度;采用改变管线阀门开度的方式应对管线糙率变化带来的风险,既能保证工程引用流量,又能将管线压力控制在安全范围之内。研究成果可为长距离输水管线糙率变化应对措施提供参考。

关键词： 长距离输水管线; 糙率; 水锤防护; 过渡过程; 过流能力; 水力特性

本文引用格式

后小霞 , 徐晓东 , 石韬 , 赵峰 , 姜治兵 , 韩松林 . 糙率对长距离输水管线水力特性的影响及应对措施[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(8) : 208 -216 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240934

Abstract

[Objective] In the early stage operation of long-distance water conveyance pipelines, the actual roughness coefficient is generally lower than the design value. After years of operation, factors such as erosion, sedimentation, and the growth of aquatic organisms cause the roughness coefficient to gradually increase, which directly affects the water conveyance capacity and operational safety of the project. This study systematically investigates the influence of roughness coefficient variations on the hydraulic characteristics of complex water conveyance pipelines under both stable operation and transient process. [Methods] The 206 km-long pressurized PCCP pipeline section of Chuo’er River to Xiliao River Diversion Project was taken as a case study (with surge protection measures of impedance-type surge tanks and flow and pressure regulating valves). The one-dimensional method of characteristics was used to analyze the influence of roughness coefficient variations on hydraulic characteristics during stable operation and transient process. Operational risks were evaluated, and strategies to address roughness uncertainty were proposed from the perspective of operational scheduling. [Results] Under stable operating conditions, when pipeline roughness coefficient was relatively high, the reference flow rate decreased, posing a risk of failing to meet the design flow rate. Additionally, the head loss along the pipeline increased, while the flow rate decreased. When the opening degree of the flow and pressure regulating valve at the mid-section of the main pipeline remained unchanged, the head drop at the valve location diminished accordingly. This resulted in decreased pressure on the main pipeline upstream of the flow and pressure regulating valve and increased pressure downstream, necessitating special attention to the influence of pipeline pressure variations. During the transient process, the water hammer waves generated by pipeline pressure fluctuations superimposed with the mass waves caused by water level fluctuations in the surge tank. After the valve was closed, the fluctuations propagated independently in the upstream and downstream sections of pipelines and gradually attenuated. With increasing roughness coefficients, the frictional damping of the water hammer waves increased, leading to reduced amplitude of head fluctuations before and after the valve, decreased magnitude of surge tank water level fluctuations, and lower stabilized water levels. Therefore, an adequate pressure margin should be considered in engineering design. It was possible to address the uncertainty caused by roughness coefficient variations by adjusting the opening degree of the flow and pressure regulating valve on the mid-section of main pipeline and terminal valves on branch pipelines, thereby ensuring the design flow rate. However, after the valve operation mode was adjusted, the pipeline pressure became dependent on the roughness coefficients and valve opening degree, making it necessary to verify in advance whether the pressure along the entire pipeline met the water hammer protection requirements. [Conclusions] In the design of long-distance water conveyance pipelines, the influence of pipeline roughness coefficient on both flow rate and hydraulic characteristics must be considered, and the upper and lower limits of roughness coefficient variations should be reasonably predicted. The upper limit is used to ensure the water conveyance capacity during long-term operation, while the lower limit is used to cope with the relatively large residual head in the early stage of operation. The findings of this study serve as a references for addressing roughness coefficient uncertainty in the design of long-distance water conveyance pipelines.

Key words： long-distance water conveyance pipelines; roughness coefficient; water hammer protection; transient process; flow capacity; hydraulic characteristics

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

长距离输水管线糙率直接影响工程输水能力和经济性能。若选取的计算糙率过大,不仅会增加工程投资,还会形成较大的剩余水头;而计算糙率过小,实际运行水头损失增大,工程输水能力可能达不到设计要求[1]。在过渡过程中,糙率影响管道的阻尼作用,在同样条件下,糙率越大,水锤在传播过程中的衰减程度增大,但由于输水工程多为长距离、多分水口的布置,糙率对过渡过程的影响还受工程布置的影响[2]。因此管道糙率的合理取值是输水工程安全、经济、高效运行的关键,尤其是当前广泛采用的大口径输水管道,受加工工艺、内壁粗糙度、管径、流速、水流黏滞系数等诸多因素的影响,管道糙率的取值存在较长管道的不确定性[3]。工程运行初期,管道实际糙率一般小于设计值,工程设计时要注意管线的剩余水头较大;而随着工程运行时间推移,供水运行过程中建筑物的侵蚀淤积、水生生物的滋生等因素,管道糙率增大,此时要注意输水系统的过流能力问题[4]。为了确保工程的取水能力,工程设计糙率一般取值较大,运行初期实际原型观测的糙率大部分偏小[5-6],糙率过小,管道的阻尼作用变弱,水锤强度变大,衰减速度变慢[2],对管线防护措施不利。对于提水工程,管道糙率还会对输水系统稳定性产生一定的不利影响[7],进而影响工程水锤防护措施的选择。
尽管目前已经明确糙率不确定性对工程稳定运行工况和过渡过程水力特性的影响,但大部分研究为定性或者小尺度管线的定量研究,针对超长距离输水管线糙率的定量影响和应对措施研究还比较缺乏。尤其是针对超长距离、超大管径、超多分水口和支线布置的复杂输水管线,糙率对管线水力特性的影响范围和影响幅度还需进一步明确。
本文以我国引绰济辽工程输水管线段为例,通过分析管道糙率变化对工程稳定运行和过渡过程水力特性的影响,评估其运行风险,并从运行调度方面制定了应对糙率不确定性的策略,研究成果可为设计提供参考。

1 研究方法

本次有压管线过渡过程计算采用特征线法,特征线法是求解管道瞬变流双曲型偏微分方程的主要方法之一,其在每一时步内针对每一边界和每一段管道的计算均是独立的,适用于具有复杂边界条件的本工程过渡过程计算。特征线法具体求解原理如下。

1.1 管线特征线法

描述任意管道中水流运动状态的基本方程为:
Q A ∂ H ∂ x+ ∂ H ∂ t+ a 2 g A ∂ Q ∂ x- Q Asinβ=0,
g ∂ H ∂ x+ Q A 2 ∂ Q ∂ x+ 1 A ∂ Q ∂ t+ f Q Q 2 D A 2=0 。
式中: H为测压管水头; Q为流量;D为管道直径;A为管道面积;t为时间变量;a为水锤波速;g为重力加速度;x为沿管轴线的距离;f为摩阻系数;β为管轴线与水平面的夹角。
如图1所示,利用特征线法将其转化成同解的管道水锤计算特征相容方程,计算式为
C + : H i t + Δ t = C p - B Q i t + Δ t 　 ; C - : H i t + Δ t = C M + B Q i t + Δ t 　 。
其中:
C P = H i - 1 t + B Q i - 1 t - R Q i - 1 t Q i - 1 t 　 ; C M = H i + 1 t - B Q i + 1 t + R Q i + 1 t Q i + 1 t 　 。
B=a0/ g A,

a0=ΔL/Δt,

ΔL=L/N 。

式中:C+与C-分别代表正、负特征线方程,上标t和下标i分别表示时刻和节点位置;Δt为计算时间步长;a0,R分别表示波速与管道摩阻系数;L为管道长度;ΔL为特征线网格管段长度;N为特征线网格管段数。
图1 特征线法求解管线示意图

Fig.1 Schematic diagram of calculating pipeline’s transient process by using the method of characteristics

1.2 上游水库边界条件

上游水库边界采用负特征线方程与Bernoulli方程联立求解,计算示意图如图2所示。
图2 上游水库计算示意图

Fig.2 Schematic diagram of calculating the upstream reservoir boundaries

负特征线方程为
C-: H P t + Δ t=CM+ B Q P t + Δ t。
Bernoulli方程为
H P t + Δ t=Hu- Q P t + Δ t 2 2 g A 2-ξ Q P t + Δ t Q P t + Δ t 2 g A 2。
式中: Hu为上游水库水位;HP为管线测压管水头;ξ为局部水头损失系数;QP为管线的流量。

1.3 分支管边界条件

分支管边界通过联立连续性方程与特征线方程求解,计算示意图如图3所示。
图3 分支管节点计算示意图

Fig.3 Schematic diagram of calculating branch pipe nodes

连续性方程为
Q P 1 t + Δ t= Q P 2 t + Δ t+ Q P 3 t + Δ t。
特征线方程为
C 1 + : H P t + Δ t = C P 1 - B 1 Q P 1 t + Δ t 　 ; C 2 - : H P t + Δ t = C M 2 + B 2 Q P 2 t + Δ t 　 ; C 3 - : H P t + Δ t = C M 2 + B 3 Q P 3 t + Δ t 　 。
式中下标1、2、3代表管道编号。

1.4 阀门边界条件

阀门边界采用特征线方程与阀门过流量方程联立求解,其中阀门过流量方程如式(12)所示,即
Q p i , n + 1=(CdAV) 2 g H P i , n + 1。
式中:Cd为流量系数; H P i , n + 1为阀门上下游水头差;AV为阀门开口面积; Q p i , n + 1为通过阀门流量,与阀门上下游管线流量相等。

2 工程概况

引绰济辽工程是为了缓解内蒙古西辽河流域缺水状况而开发的大型引水工程,从绰尔河(文得根水利枢纽)引水至西辽河(莫力庙水库),引水头部设计流量为18.58 m3/s,工程末端设计流量为8.83 m3/s,设计最大年调水量4.88×108 m3。输水工程为无压隧洞+有压管线(Prestressed Concrete Cylinder Pipe,PCCP)的重力流引水,整个输水工程线路总长390.402 km,无压隧洞与有压管线之间采用稳流连接池连接,稳流连接池后为有压管线段。本文研究对象为有压管线段,全长206.88 km,管线总设计引用流量14.62 m3/s。如图4所示,主管沿线设8条支线(从上游至下游依次为突泉支线1、突泉支线2、科右中旗支线、扎鲁特旗支线、科左中旗支线、开鲁县支线、经济开发区支线、科尔沁南区支线)。主线与最后2条支线采用PCCP管道,其余支线管道均采用球墨铸铁管,各支线特性如表1所示。工程采取的水锤防护方案为:在管线距管首29.9 km位置设置1# 阻抗式调压塔(双管段),单管段起始位置设置两台DN1800工作调流调压阀,主线末端设高位蓄水池。
图4 引绰济辽工程有压管段布置

Fig.4 Layout of pressurized pipeline section in Chuo’er-Xiliao River Diversion Project

表1 引绰济辽工程支线特性

Table 1 Characteristics of branch pipelines in Chuo’er-Xiliao River Diversion Project

支线 主线里程/
(km+m)		 长度/
km		 管径/
mm		 引用流量/
(m3·s-1)		 管道类型
突泉支线1 113+034 2.76 800 0.37
突泉支线2 121+800 1.00 1 200 1.00
科右中旗支线 157+669 19.51 1 400 1.29
球墨铸铁管
扎鲁特旗支线 212+823 29.96 2 000 3.62
科左中旗支线 287+099 90.17 1 100 0.65
开鲁支线 302+520 2.50 900 0.65
经济技术开发区 310+820 33.22 1 800 2.55
PCCP管道
科尔沁南区支线 318+416 41.25 2 400 4.49

3 国内外长距离输水工程糙率取值范围

3.1 糙率选择原则

长距离输水管线设计时需合理设定管道糙率上下限,其中上限糙率用于考虑远期输水的设计工况,以保证管道远期输水能力达到设计要求;下限糙率用于管道初期运行工况,运行初期管线糙率较小,会形成较大的剩余水头,工程设计中需要充分考虑管线压力要求。因此,管线糙率上下限均必须满足长距离输水工程输水能力与水锤防护的要求。

3.2 国内外长距离输水工程糙率取值范围

3.2.1 PCCP管道

我国PCCP管道的设计糙率取值范围为0.010~0.014,变化较大,国外PCCP管厂推荐的糙率是0.010~0.011 5[1,8-10]。部分工程对PCCP管的糙率进行实测,发现当工程设计糙率范围为0.011 0~0.012 5时,试验糙率范围为0.009 52~0.012 30,可见,管线糙率设计值往往大于实测值与试验值[11]。

3.2.2 球墨铸铁管

根据现有施工工艺,球墨铸铁管水泥砂浆内衬采用离心方法进行衬涂,设计糙率多选用0.012[12],也有工程选择0.011[13]、0.012 2[14]、0.011 5[15]等,但试验结果表明实际糙率较小[16]。
由此可见,无论是PCCP管道还是球墨铸铁管,管道糙率范围多选择0.010 0~0.012 5,为了分析管线糙率对长距离输水工程水力特性的影响,本文以引绰济辽工程管线段为例,取管线糙率分别为0.010 0、0.010 5、0.011 0、0.011 5、0.012 0、0.012 5,分析工程在稳定运行工况和过渡过程中糙率对工程输水能力、全线压力、调压塔水位的影响,评估糙率变化带来的运行风险。

4 稳态运行工况糙率影响分析

4.1 计算工况与边界条件

为了规避边界条件的影响,稳流连接池水位取最高水位284.1 m(来流量充足),中部调流调压阀和各支线末端阀门维持管线引用设计流量时对应的阀门开度(设计糙率为0.011)。计算不同管线糙率对稳定运行工况下各支线的过流能力、主线水力坡降线的影响。

4.2 糙率对过流能力的影响

如图5所示,随糙率增大,主线和支线过流量均逐渐减小。其中主线流量从15.53 m3/s减小至13.68 m3/s,减小11.91%,支线过流量减小0.99%~13.63%。因此,当管线实际糙率偏小时,管线引用流量增大;反之,管线过流能力达不到设计引用流量。
图5 糙率对管线过流量影响

Fig.5 Influence of roughness coefficient on pipeline flow rate

4.3 糙率对管线压力的影响

图6为不同管线糙率下主线水力坡降线与压力分布。
图6 不同管线糙率下主线水力坡降线与压力分布

Fig.6 Hydraulic gradient lines and pressure distribution of main pipeline under different roughness coefficients

如图6(a)所示,随糙率增大,管线沿程水头损失增大,管线过流量减小,当主管中部调流调压阀开度保持不变时,调压阀位置的水头骤降值相应减小,导致主线调流调压阀前水力坡降线降低,阀后水力坡降线升高。在边界条件保持不变的情况下,糙率对调流调压阀前后位置水力坡降线影响最大。糙率对管线工作水头的影响如图 6(b)所示,在主流调流调压阀之前,随糙率增大,管线水头损失增大,工作水头降低;在主线调流调压阀之后,随糙率增大,管线水力坡降线升高,相应的工作水头增大。尽管糙率对水力坡降线有一定影响,但全线压力在安全可控的范围之内,即最大水锤压力不超过1.3~1.5倍的最大工作压力,最小水锤压力不小于2.0 m水头。

5 过渡过程中糙率对全线水力特性的影响

5.1 过渡过程工况定义

研究表明,本工程全线水力特性的过渡过程控制工况为主线中部调流调压阀开启和关闭工况,以下分析在主线中部阀门开启和关闭过渡过程中不同管线糙率对调压塔水位、调流调压阀前后水头、管线压力特性的影响,最后评估过渡过程中的运行风险。过渡过程计算工况如表2所示,管线糙率分别取0.010 0、0.010 5、0.011 0、0.011 5、0.012 0、0.012 5,主线调流调压阀关闭与开启时间为1 200 s,相应启闭过程如图7所示,其中开启过程为线性动作,关闭过程为先快后慢折线动作,首先在0~480 s内关闭60%,随后从480~1 200 s关闭剩余40%。
表2 过渡过程计算工况

Table 2 Calculation conditions for transient process

计算工况 管线糙率 初始状态 过渡过程 结束状态
主线调流调压阀关闭过程 0.010 0 主线正常过流,各支线阀门关闭,中部调流调压阀全开,流量全部进入莫力庙水库 中部调流调压阀逐渐关闭(1 200 s内分段关闭) 中部调流调压阀关闭,管线不过流,流量全部从稳流连接池溢出
0.010 5
0.011 0
0.011 5
0.012 0
0.012 5
主线调流调压阀开启过程 0.010 0 主线与各支线阀门关闭,管线不过流,流量全部从稳流连接池溢出 中部调流调压阀逐渐开启(1 200 s内线性开启) 主线中部调流调压阀全开,各支线末端阀门关闭,流量全部进入莫力庙水库
0.010 5
0.011 0
0.011 5
0.012 0
0.012 5
图7 主线中部调流调压阀启闭过程

Fig.7 Opening and closing processes of flow and pressure regulating valve at mid-section of main pipeline

5.2 糙率对管线水力特性的影响

5.2.1 主线调流调压阀关闭工况

如图8所示,在不同管线糙率主线中部调流调压阀关闭过程中,阀前首先出现升压波,阀前管线最大水头大于阀门关闭后的静水头,由于阀前管线调压室的作用,阀前管线糙率对管线最小压力影响较小。阀后首先出现降压波,阀后管线最大水头线为稳定工况运行水力坡降线,其随糙率增大而升高;最小水头线低于阀门关闭后的静水头,糙率对阀后管线最小水头线影响相对较大。尽管糙率对阀后最大水力坡降线有一定影响,但不同糙率工况下主线工作压力均满足管线压力防护要求。如图9(a)所示,当主线阀门关闭过程中升压波传播至调压室后,调压室水位逐渐上升,并呈现先升高后降低的波动趋势,调压室水位稳定速度较慢;随管线糙率增大,水锤波的摩阻增大,调压室水位波动幅度减小,各工况下调压室不会溢流和见底。如图9(b)所示,随糙率增大,中部调流调压阀前后水头波动幅值减小;由于阀门关闭正压波的影响,主线调流调压阀前水头呈先增大后减小的波动趋势,调压室产生的质量波与阀前水锤波叠加,阀门关闭后,波动在稳流连接池与中部调流调压阀之间传播,并逐渐衰减;阀后由于负压波影响,阀后水头呈现先减小后增大的波动趋势,阀门关闭之后压力波在中部调流调压阀与末端高位水池之间来回传播,波动稳定速度较慢。
图8 中部调流调压阀关闭工况主线水头包络线

Fig.8 Water head envelopes of main pipeline when mid-section flow and pressure regulating valve is closed

图9 中部调流调压阀关闭工况特征建筑物水力特性变化过程

Fig.9 Variations in hydraulic characteristics of key structures when mid-section flow and pressure regulating valve is closed

5.2.2 主线调流调压阀开启工况

如图10所示,在不同管线糙率主线中部调流调压阀开启过程中,由于阀前出现降压波,阀前管线最大水头为开启初始时刻的静水头,与稳流连接池水位齐平,由于调压室的作用,最小水头线在不同糙率下相差不大,可见糙率变化对管线的最大最小压力影响不大。阀后出现升压波,阀后最小水头为开启初始时刻阀后管线的静水头,与高位水池水位齐平,阀门逐渐开启,阀后水头逐渐增大,最大水头随糙率增大而增大,其主要原因为糙率增大,阀后管线水力坡降线升高所致。同关闭工况一致,主线开启工况下糙率对阀后管线的压力影响较大,但管线工作压力均满足压力防护要求。如图11(a)所示,当主线阀门逐渐开启,降压波传播至调压室,调压室水位呈现先降低后升高的波动规律,最后保持相对稳定水位;随管线糙率增大,水锤波的摩阻增大,调压室水位波动幅度减小,稳定过程也相对较快,稳定之后的调压室水位也有所降低(阀前水头随糙率增大而减小),各工况下调压室不会溢流和见底。如图11(b)所示,主线阀门开启过程中,阀前水头呈先降低后增大的周期性波动,阀后水头呈现相反波动趋势;待阀前后水头稳定之后,随糙率增大,管线摩阻增大,阀前水头减小,阀后水头增大。
图10 中部调流调压阀开启工况主线水头包络线

Fig.10 Water head envelopes of main pipeline when mid-section flow and pressure regulating valve is open

图11 中部调流开启过程中特征建筑物水力特性变化过程

Fig.11 Variations in hydraulic characteristics of key structures during the opening of mid-section flow regulating valve

6 糙率不确定性的应对措施研究

根据上述研究成果,当稳流连接池来流足够,管线实际糙率增大,有达不到引用设计流量的风险,调流调压阀前管线水头降低,阀后管线的剩余水头增大,因此需要制定应对糙率变化的措施。对于长距离输水工程,较为简单和经济的应对措施为优化管线运行调度方式。以下主要通过调整中部调流调压阀和各支线阀门开度来保证各分水口引用设计流量,并在此基础上复核管线水头变化是否符合水锤防护要求。

6.1 稳定运行工况

取管线糙率为0.010 0、0.011 0、0.012 5时,通过调整主线调流调压阀和支线末端阀门开度,应对糙率变化对管线过流能力的影响。

6.1.1 引用流量

不同糙率工况下,各支线引用设计流量时主线调流调压阀与各支线末端阀门流量系数(试算)如表3所示,可见随着糙率的增大,欲使各支线达到引用设计流量,需要增大主线与各支线阀门开度,进而影响管道水力特性。以下主要分析增大阀门开度对管线的水力特性的影响。
表3 不同管线糙率工况下引用设计流量时各阀门流量系数Kv

Table 3 Values of Kv of valves with different roughness coefficients (reference design flow rate) m3/h

工况 糙率
n		 中部
阀门		 支线阀门
突泉支
线1		 突泉支
线2		 科右中旗 扎鲁
特		 科左中旗 开鲁 经济
开发区		 科尔
沁南区
泵站 西日道卜 花吐骨拉 宝龙山
稳定运
行工况		 0.010 0 7 750 1 150 1 745 1 785 935 7 082 715 625 2 832 6 160 11 235
0.011 0 8 659 1 188 1 763 1 936 1 016 8 408 740 780 2 876 7 055 12 649
0.012 5 11 535 1 191 1 779 2 120 1 116 10 280 740 870 2 868 7 290 13 010

6.1.2 水力特性

如图12所示,当引用流量相同,随管线糙率增大,中部调流调压阀开度增大,管线沿程水头损失增大,阀门处局部水头损失减小,因此阀前管线水头减小,阀后水头增大。尽管通过调整阀门开度对管线压力影响较大,但全线压力仍在安全可控范围之内。
图12 不同糙率下引用设计流量时管线水力坡降线

Fig.12 Hydraulic gradient lines at design flow rate under different roughness coefficients

6.2 过渡过程工况

调整中部调流调压阀开度后,分析阀门关闭过渡过程中管线水力参数变化是否满足压力限值要求(根据计算,主管阀门关闭过程为管线压力控制工况)。过渡过程初始状态为管线引用设计流量,结束状态为管线不过流,不同管线糙率工况下阀门流量系数如表3所示。
中部调流调压阀关闭过程中主线水头包络线如图13所示,随管线糙率和中部调流调压阀开度增大,阀前、后管线水力坡降线极值增大,最高水力坡降线升高,最低水力坡降线降低;尤其是阀前管线最小水头与阀后管线最大水头,需要重点关注;尽管通过调整阀门运行方式对全线压力有一定影响,但全线工作压力均满足压力防护要求。
图13 中部调流调压阀关闭过程中主线水头包络线

Fig.13 Water head envelopes of main pipeline during the closing of mid-section flow and pressure regulating valve

调压室水位与主线调流调压阀前后水头变化如图14所示,随糙率增大,起始时刻调压室水位较低,但调压室水位波动幅值反而增大,其主要原因为:当糙率增大,中部调流调压阀初始时刻开度较大,相同关闭时间下阀门关闭越快,因此调压室水位波动幅度增大;当中部阀关闭后,阀前水锤压力在稳流连接池与阀门之间来回传播,波动衰减较慢;同理阀前水头和阀后水头波动随糙率和阀门开度增大,波动幅值增大,原因同上。因此当调整阀门运行方式后,管线水头与管线糙率和阀门运行方式均有关系,需要通过计算确定全线压力是否满足工程安全运行要求。
图14 中部调流调压阀关闭过程中特征建筑物水力特性演变过程

Fig.14 Variations in hydraulic characteristics of key structures during the closing of mid-section flow and pressure regulating valve

7 结论

本文采用一维特征线法分析了管线糙率变化对长距离输水管道的输水能力和过渡过程中水力特性的影响,并提出采用改变主线与支线控制阀门开度的方式应对管线糙率变化带来的风险,具体结论如下:
(1)长距离输水管线设计时必须考虑管线糙率对管线过流能力和管线水力特性的影响,合理预测管线糙率变化的上下限值,其中上限糙率用于保证工程远期运行时的输水能力;下限糙率用于应对管道初期运行时较大的剩余水头。
(2)在稳定运行工况下,随管线糙率增大,管线过流量减小,全线水头损失增大,调流调压阀位置局部水头损失减小。主线调流调压阀前水力坡降线和工作水头降低,阀后水力坡降线和工作水头增大。
(3)在主线调流调压阀开启和关闭过渡过程中,阀前后管线压力受到糙率的影响,尤其是阀后管线压力随糙率增大有较大幅度的增大。调压室水位波动幅度和稳定后的水位均随糙率增大而减小。
(4)可通过调整主线中部调流调压阀及各支线末端阀门开度来应对糙率的不确定性,保证工程引用设计流量。调整阀门运行方式后,管线压力与糙率、阀门运行方式均有关系,需要通过计算确定管线全线压力是否满足水锤防护要求。
在实际运行过程中,需要及时率定管线运行糙率,根据糙率大小调整管线运行调度方式,从而确保管线安全运行。

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