并联输水箱涵检修操作过程中的水力仿真及瞬变控制.pdf

水 利 学 报 年 月 第 卷 第 期 文章编号 并联输水箱涵检修操作过程中的水力仿真及瞬变控制 穆祥鹏 练继建 赵 威 天津大学建筑工程学院 天津 西安交通大学电气学院 陕西西安 摘要 长距离输水箱涵在检修操作过程中常会出现剧烈的水力皮动 检修井后接的箱涵往往出现局部脱空的情况 本文通过建立长距离并联输水箱涵单孔检修的非恒定流数学模型 对检修操作过程中的水力过渡过程进行了模 拟 在对检修操作时通过检修闸的流量过程线进行分析的基础上 对检修闸分两段关闭的操作方式进行了优化 并针对工程的实际条件 提出通过在检修井后设置补水孔 利用非检修箱涵向检修箱涵补水 对并联输水箱涵单孔 检修所引发的瞬变流进行控制 最后在水力仿真的基础上对补水孔的面积进行了优化 关键词 长距离并联输水箱涵 检修 补水孔 水力瞬变控制 中图分类号 文献标识码 研究背景 水资源供需矛盾已经成为当今世界面临的重大课题 修建调水工程是解决这一矛盾的主要途径之 一 调水工程根据输水条件 地质 地形条件的不同主要采用无压或有压方式输水 无压输水方式输水 响应慢 开敞式无压输水方式还存在水质难以保证 蒸发渗漏损失大 寒冷地区冰期输水困难等不足 而 有压输水方式不存在上述问题 但是由于长距离压力输水系统的输水距离长 水体惯性大 输水响应迅 速 所以瞬变过程中的水力要素变化剧烈 在某些工况下可能会出现剧烈的水力瞬变 严重的干扰系统 的正常运行 甚至威胁工程设施的安全 这时就需要采取相应的措施来实现水力瞬变的稳定过渡 因 此 许多控制瞬变的方法的研究围绕着有压输水系统而展开 就曾对控制瞬变的方法进行了系 统的研究和阐述 提到了降低波速 设置空气室 调压塔 阀门调节 改变系统几何形状等控制方法 虽然经过长期的研究 人们提出了很多控制瞬变的方法 但一般对于有压输水系统水力瞬变的控制方 法 主要在两方面进行研究 一是选择合理的运行措施 如选择理想的闸 阀调节规律 闸 阀调节次序 等 二是采取相应的工程措施 如设置各种的减压 减振设施等 随着输水工程规模的扩大 新的输水结 构的运用以及输水运行要求的提高 控制瞬变的方法仍需进一步的研究和发展 长距离有压输水系统因为输水流量大 控制灵活 保障供水等要求 常常采用多孔并联的设计形式 在运行过程中 不中断供水的情况下 有时需要对单孔的某一段进行检修操作 这时往往会引起剧烈的 水力波动 检修井后接的管道或箱涵往往出现局部脱空的情况 其水力瞬变控制的难度很大 本文通过 建立长距离并联输水箱涵进行单孔检修的非恒定流数学模型 对其检修时的过渡过程进行了模拟 在对 检修操作时过检修闸的流量过程线进行分析的基础上 首先采取适当的运行措施对检修闸的关闭规律 进行了优化 并针对工程的实际条件采取工程措施 提出了一种补水的控制方法 通过在检修井后的箱 涵隔墩上设置补水孔 利用非检修箱涵向检修箱涵补水 对单孔检修所造成的闸后检修箱涵脱空进行了 控制 并在控制瞬变的基础上对工程进行了优化 该项研究可以为长距离并联输水箱涵的工程设计和 收稿日期 基金项目 国家杰出青年科学基金 国家自然科学基金 作者简介 穆祥鹏 男 回族 天津人 博士生 从事长距离输水的水力瞬变及控制研究 管理运行提供理论依据和技术支持 长距离并联输水箱涵非恒定流数学模型 计算原理 长距离并联输水箱涵各孔的水流运动可视为一元流 有压一元非恒定流的方程组如 下 运动方程 连续方程 式中 为压力水头和流速 为达西摩擦系数 为水击波速 为管道倾角 为水力半径 利用特征线法 把上述两个偏微分方程转换成全微分方程 进而表示成有限差分方程 最后利用显 式的差分格式便可以对输水单元各孔内部节点进行水力数值计算 此外 输水系统各输水箱涵段以及各并联孔之间的水力要素需通过各种边界来衔接 针对检修的操 作 将对检修闸门关闭的边界进行详细设计 检修闸门关闸边界 在长距离并联输水箱涵关闸检修的操作中 检修闸关闭的边界处理如下 闸孔流量系数