魏闖，李明思，雷成霞，郭銀

(1 山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 運城 044004；2 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；3 黃河水利委員會水文局，河南 鄭州 450000)

目前，我國的田間節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用廣泛，但輸水過程中的節(jié)水仍是重要環(huán)節(jié)。管網(wǎng)輸水屬于管道灌溉系統(tǒng)中的一部分，其中首要問題是水錘負壓，因為它不但會使輸水效率降低，而且會使管網(wǎng)運行穩(wěn)定性變差，甚至破壞相關(guān)設(shè)備。為了降低負壓水錘風(fēng)險，提高管網(wǎng)運行安全穩(wěn)定，運行管理時要控制關(guān)閉閥門過程，同時，要求在管網(wǎng)設(shè)計和施工階段，除了根據(jù)需要在管網(wǎng)特定部位設(shè)置水錘防護裝置外，更要科學(xué)合理控制管流速度。因此，流速與管網(wǎng)水錘負壓之間關(guān)系的研究對減少水錘負壓破壞具有重要的意義。目前，國內(nèi)外學(xué)者主要針對單管水錘問題進行了深入研究[1-7]，部分學(xué)者利用特征線法對水錘問題進行了模擬，并提出了相應(yīng)的防護措施[8-16]。關(guān)于水錘問題的研究已經(jīng)取得了大量有益的成果，其中關(guān)于管網(wǎng)中水錘負壓問題的研究成果較少，尤其是關(guān)于PVC-U大口徑薄壁管道抗擊水錘負壓破壞問題的研究更少，因此，本文采用水力試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析PVC-U管材樹狀管網(wǎng)中流速和負壓值的相互關(guān)系，以期為管網(wǎng)選擇合理的安全流速提供參考和灌區(qū)發(fā)展PVC-U管網(wǎng)提供工程設(shè)計依據(jù)。

1 材料和方法

根據(jù)水錘試驗方案設(shè)計，本文研究試驗選擇在石河子大學(xué)現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團重點試驗基地進行。試驗管網(wǎng)采用樹狀布置于田間地面上，并修建蓄水池和配套離心水泵，水泵功率較大，電力供應(yīng)采用發(fā)電車現(xiàn)場供電。試驗水流通過水泵加壓進入試驗管網(wǎng)內(nèi)，經(jīng)控制閥門后由回水管路進入蓄水池，形成循環(huán)供水狀態(tài)，利用干管首部的泄壓控制閥門調(diào)節(jié)管道流速。本文試驗使用超聲波流量計監(jiān)測流速，分別裝在干管和支管側(cè)面；采用18套壓力變送器監(jiān)測和采集壓力數(shù)值。

具體試驗管網(wǎng)布置和設(shè)備安裝及參數(shù)見圖1和表1。

圖1 試驗管網(wǎng)布置圖

表1 試驗設(shè)備及相關(guān)參數(shù)

進行水錘負壓試驗時，先將干、支管上的閥門A關(guān)閉，閥門B、C、D處于全開狀態(tài)，啟動水泵，壓力表讀數(shù)穩(wěn)定后緩慢打開閥門A，試驗管網(wǎng)干支管充水，再通過閥門B、C、D接入回水管道，最終返回蓄水池，形成循環(huán)供水運行狀態(tài)。

整個管網(wǎng)運行穩(wěn)定后，通過首部泄壓閥門控制干管流速，5個試驗流速處理分別達到0.88、1.48、2.02、2.55、3.05 m/s，當(dāng)管道水流流速穩(wěn)定后，在閥門B、C、D處于全開狀態(tài)時啟動壓力監(jiān)測采集系統(tǒng)采集壓力數(shù)據(jù)，然后手動快速關(guān)閉干管首端的閥門A，并保持關(guān)閉狀態(tài)60 s，壓力變送器數(shù)據(jù)采集時間1 min，采集頻率20次/s。

為保證試驗的科學(xué)、準確、有效，重復(fù)上述試驗過程3次;5個流速由低到高依次進行試驗,試驗過程同上。

2 結(jié)果與分析

2.1 流速對水錘負壓影響的試驗

根據(jù)管網(wǎng)中最大水錘負壓值分析水錘負壓的波動傳遞過程及衰減規(guī)律。由閥后管道負壓水錘破壞圖(圖2)可見：管件和管材都有不同程度的破壞，試驗PVC-U管材的公稱壓力為0.63 MPa，管徑為200 mm，壁厚4.9 mm，破壞位置位于干管首端緊挨閥門A后位置，管道試驗監(jiān)測流速為3.05 m/s。

根據(jù)試驗實際工況采用軟件進行數(shù)值模擬得出閥后水錘波動曲線。

圖2 閥后管道負壓水錘破壞圖

圖3 負壓破壞管道的節(jié)點模擬曲線

由試驗現(xiàn)象和對應(yīng)節(jié)點處的模擬結(jié)果(圖3)可以看出：

(1)干管首端閥門快速關(guān)閉后，致使閥后出現(xiàn)了負壓水錘波動現(xiàn)象，且強度較大，達到了設(shè)定的極限負壓值，并持續(xù)作用10 s，隨后呈快速衰減的趨勢。

(2)閥后正壓水頭值達到60 m左右時，管道沒有出現(xiàn)破壞，而是出現(xiàn)了負壓破壞。這是因為管道斷面的破壞狀態(tài)是受力變形為扁平狀后破壞的，管道兩側(cè)外壁出現(xiàn)兩道明顯的白紋，所以，據(jù)此判定管道屬于負壓破壞形式。對變形管道的斷面進行了變形測量，變形量達到20 mm，變形度達到10%。這驗證了試驗管材抗擊負壓能力較弱，破壞相對比較嚴重，長時間作用在管壁上的負壓沖擊會導(dǎo)致管材負壓破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)該負壓水錘的產(chǎn)生也使其他部位的管道出現(xiàn)一定程度的截面變形，但沒有破壞。由該試驗管材的變形可以直接觀察到，管道外壁沒有出現(xiàn)白色變形，變形較輕微，經(jīng)測定變形量為5 mm，變形度為2.5%，管道沒有出現(xiàn)破裂現(xiàn)象。從外因而言，說明負壓破壞是負壓沖擊管壁達到一定的變形量才會使管道發(fā)生破壞，管道是否負壓破壞主要是由負壓強度及其作用在管壁上的時間而定；從內(nèi)因來說，抗擊負壓能力與管材的截面形狀有很大關(guān)系，試驗說明PVC-U管材的管壁厚度越大，管道抗擊負壓變形的能力就越大，承受負壓破壞的能力就越強。

2.2 流速對水錘負壓影響的模擬分析

對試驗結(jié)果和模擬結(jié)果分析得到，流速的增大也會一定程度上加大流體自身慣性力，也就增大了負壓生成的風(fēng)險。數(shù)值模擬以試驗的樹狀管網(wǎng)為研究對象，設(shè)1干管2支管，2個支管對置布置，設(shè)置干管5個流速處理為0.88、1.48、2.02、2.55、3.05 m/s。通過泄壓閥調(diào)節(jié)流速，流量為333.64 m3/h;模擬控制閥門為干管首端閥門FCV-1，對應(yīng)試驗干管閥門A，其它閥門保持全開狀態(tài)，關(guān)閉閥門完成時間為1.8 s，并保持全關(guān)狀態(tài)60 s。根據(jù)模擬結(jié)果讀取各測點的壓力時間歷程曲線，分別得到干、支管的最大水錘壓力波動曲線，分別為干管首端瞬態(tài)操作閥門FCV-1后(對應(yīng)試驗管網(wǎng)1號壓力變送器測點)和支管首端節(jié)點J-15(對應(yīng)試驗管網(wǎng)13號壓力變送器測點)處。結(jié)果見圖4。

圖4 流速干管負壓曲線

由圖4a、b可以看出：干管流速為0.8、1.48 m/s的水錘負壓波動平緩，作用強度較弱，負壓達到最大值后就進入穩(wěn)定波動狀態(tài)，其波動強度和頻率基本一致，屬于基本無壓能衰減的波動，而且持續(xù)時間較長，增大了管道破壞風(fēng)險。

由圖4c、d、e可知:干管流速大于2 m/s時，負壓水錘的波動劇烈，為高頻大幅度，但衰減也較快，波動時間明顯縮短，負壓極限值為周期性出現(xiàn)，且持續(xù)時間為周期性遞減。干管中的負壓值持續(xù)時間要大于支管，且水錘波動幅度和頻率都要大于支管，衰減速度也較快。閥門關(guān)閉后，干管負壓水錘瞬間就達到極限負壓狀態(tài)，并保持時間最長，而支管則先經(jīng)歷短暫的周期性小幅度波動后再進入快速高頻的大幅度波動。這是由于支管在干管閥門關(guān)閉后的短暫時間可以從干管內(nèi)獲得流量補給，有一個水錘壓力緩沖過程，而干管瞬間就失去了流量補給。

由圖4可知：隨著干管中流速的增大，水錘波動強度越大，頻率越高，波幅也大，作用時間也長。干、支管中的水錘負壓值都是逐漸增大的趨勢，且經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合符合2次多項式函數(shù)分布規(guī)律，持續(xù)的總時間也是逐漸增長的。這是因為干管閥門的瞬間關(guān)閉時閥后管道在瞬間就完全失去流量的補給，高速流體由于慣性作用還會繼續(xù)向干管和支管下游流動，致使封閉的管道在閥后形成空管段而產(chǎn)生負壓，液體進一步汽化形成蒸汽壓，這就使空管段達到了極限負壓狀態(tài)，然后進入周期性的波動，直至負壓能量衰減釋放結(jié)束。因此，干管流速的增大必然會使閥門后流體慣性增大，導(dǎo)致空管段更容易形成負壓并且達到極限值，從而使負壓作用在管壁上的時間和次數(shù)增加，管道破壞的風(fēng)險加大。

圖5為干管不同流速處理下干管和支管中沿程各節(jié)點的水錘負壓的模擬結(jié)果。

由圖5可以看出：干管的負壓最大值產(chǎn)生在干管首端緊靠閥門后位置，并向干管末端遞減波動，且干管分水口上游段的遞減幅度較大，下游段遞減幅度較小;隨著干管流速的增大，干管中的負壓值都是逐漸增大的，干管中間位置的水錘負壓值分布規(guī)律符合指數(shù)函數(shù)分布：

P負壓=9.1×e-0.70v-8.7，R2=0.973 33，

(1)

其中，P負壓為干管中的水錘負壓值(m H2O)，v為干管的流速(m/s)，R2為相關(guān)系數(shù)。

圖5 干管(a)、支管(b)沿程最大負壓分布圖

在該試驗條件下，流速2.02 m/s以上時負壓值都達到極限值，對管道沖擊很大，破壞的風(fēng)險顯著增大，管道有明顯震動和抖動；支管的負壓最大值出現(xiàn)在支管首端與干管連接口處，并向支管末端逐漸遞減傳播，負壓值的衰減速度明顯低于干管；伴隨著流速的增大，支管中的負壓水頭值也是逐漸增大的，流速在2.55 m/s以上時支管中才出現(xiàn)極限負壓值，比干管略低一些，這是因負壓能量衰減引起的。

綜上所述，閥門后和分水口處是負壓極限水頭極易發(fā)生的地方，在實踐中應(yīng)采取必要的負壓防護措施。

3 結(jié)論

(1)隨著管道流速增大，水錘負壓值也隨之增大，呈指數(shù)函數(shù)P負壓=9.1×e-0.70v-8.7分布，且呈現(xiàn)極限負壓值持續(xù)時間越長負壓沖擊頻次越高的規(guī)律，同時，支管中極限負壓值和極限負壓作用頻次都低于和少于干管中的相應(yīng)數(shù)值，負壓最大值出現(xiàn)在干管首端緊靠閥門后和支管首端分水口處。

(2)干管流速為1.48 m/s時只有干管中產(chǎn)生了極限負壓值，達到2 m/s 以上時極限負壓值在干、支管中均有發(fā)生。干管的負壓最大值出現(xiàn)在干管首端緊靠閥門后位置，并向干管末端逐漸衰減傳播，且干管在分水口上游段的衰減速度較快，下游段衰減速度明顯減緩，而支管中負壓最大值出現(xiàn)在支管首端與干管連接的分水口處，并向支管末端逐漸遞減傳播，而且負壓衰減速度明顯低于干管。

(3)在實際工程中負壓破壞最常出現(xiàn)的位置是閥后部位，應(yīng)做好相應(yīng)的工程設(shè)計和管理的水錘負壓破壞防護措施。