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摘要：隨着城镇化的建设与发展，长距离输水工程解决了城市附近水源短缺的问题，但在长距离输水管线工程在首次试通水过程中，经常会出现漏水，爆管的问题。究其原因，除了设计、施工等影响因素外，还有在首次运行时的操作问题。如果操作得当，输水工程会正常运行。在首次灌水过程中，最重要的参数是灌水流量，灌水流量过大，会因积气产生大气泡、气堵，水力条件发生较大的变化，并诱发水锤，造成输水管线破坏的安全事故。如果灌水流量过小，灌水时间会长达几个月。因此，要确定合适的灌水流量。采用理论分析的方法，根据输水管道的气泡受力分析推导出积气流量公式，当灌水流量小于积气流量，就可以防止管道积气，并安全高效地完成首次通水的任务。
关键词：长距离输水工程；首次通水；灌水流量
中图分类号：TV672+.2文献标识码： A 文章编号：
1积气流量
输水管线在首次灌水时，水中的部分气体会逐渐地析出，形成大小不等的气泡上升到管壁，气泡按水流流速向前运动。当气泡顺坡流动时，如图1，运动方向与气泡所受浮力的分力方向相反，浮力产生的阻力，必然使气泡运动的速度减慢，后续气泡容易撞击前面气泡而形成大气泡，大气泡产生大的浮力，当浮力大于水流的推力，大气泡受力会回到高点排气阀处排出，而不会流到下一管段；当浮力小于水流推力，大气泡受力向下游管段聚集，在顺坡底部产生气堵或气塞，影响输水安全。
当大气泡在顺坡管段时，某一流量产生的推力与浮力分力相等时，称为积气流量。当灌水流量小于积气流量
管道内的大气泡会聚集在顺坡管顶部，由排气装置排出，而不是带到输水管线的下游，可能产生气堵。 图1大气泡受力分析
2积气流量推导
在管道中的大气泡，由于表面张力的作用，大气泡以椭圆球形存在。根据一些爆管的经验，当大气泡高度达到管道半径1/2是爆管的危险点，即是大气泡的临界点。根据大气泡的椭圆球体积V和椭圆形断面积A与管线半径r的计算关系：
椭圆面积公式为 (1)式中 a、b—椭圆断面长半轴及短半轴长度(m)。
椭球体积公式为 (2)式中 c—椭球高的半轴长度(m)。对大气泡的推力为： (3)式中—水流推力(N)；—水流平均流速(m/s)；—受力截面面积(m2)；ρ—密度(kg/m3)。对大气泡的浮力为 (4)式中 —浮力分力(N)；—重力加速度(m/s2)；V—大气泡体积(m3)；β—管线与水平线夹角(°)。当浮力等于推力时，大气泡稳定在顺坡管段中，即P2=P1，根据式(1)、(2)，化简得浮力等于水流推力的平均流速 (5)于是，积气流量为 (6)式中 r—管道半径(m)；β—管线与水平线夹角(°)，β≠0。从式(6)可看出，积气流量与输水管道的半径以及坡度相关。输水管线灌水流量的选择小于积气流量，则大气泡受到浮力作用上升到输水管线的上游，可由排气装置排出输水管线，否则大气泡随水流进入输水管线下游，堆积在管段中成为大的大气泡，甚至气堵，威胁输水管线安全。
3工程应用
哈尔滨磨盘山水库长距离输水工程总长约180公里，双管输水，管径为DN2200，应用重力有压流供水，其最小顺坡的坡度为0.003，在首次灌水时，采用积气流量推导出灌水流量，根据式(6)，则磨盘山长距离输水管线的积气流量为 ： m3/s上式中，管道半径为1.1m，因管道坡度较小，sinβ≈tgβ=0.003。经分析，磨盘山水库长距离输水工程的积气流量为0.56 m3/s，为安全起见，实际工程中的灌水流量小于此数值，灌水流量采用0.50 m3/s，控制水库闸板的开启度和输水管入口处的阀门开度，保证灌水流量为0.50m3/s。首次灌水及运行过程中，没有出现水锤现象也证明管道内的气体已排出，没有产生大气泡。
4结语
长距离输水工程首次运行时，灌水流量可根据推导出积气流量进行确定。当灌水流量小于积气流量时，顺坡管段的大气泡可以被浮力推到上游峰点，气体由空气阀排出，大气泡不会被水流带到下游，形成气囊或气堵，保障了长距离输水工程的运行安全。
参考文献
1赵小利,高双强,吴 钊,李文奇.长距离重力流压力输水工程水锤防护设计探讨.水利与建筑工程学报.2012,10(3):88-91
2张小平.为防止水锤现象长距离输水系统设计. 中 国 水 运.2012,12(10):177-178
3倪治斌. 长距离管道输水工程设计探讨. 水科学与工程技术, 2010, ( 2) : 86- 88.
4杨玉思, 李树军, 辛亚娟. 长距离大管径重力流输配水管道水锤防护方法探讨. 给水排水, 2008, 34( 10) :121- 125
5金锥, 姜乃昌, 汪兴华. 停泵水锤及其防护. 第二版. 北京:中国建筑工业出版社, 2004:13~16
6陈涌城, 张洪岩. 长距离输水工程有关技术问题的探讨. 给水排水. 2002,28 (12):1~4
7A. Lai, K.F. Hau, R. Noghrehkar. Investigation of Waterhammer in Piping Networks with Voids Containing Non-condensable Gas. Nuclear Engineering and Design. 2000,(197):61~74
8A. Khamlichi, L. Jezequel, F. Tephany. Elastic~plastic Water Hammer Analysis in Piping Systems. Wave Motion. 1995,(22): 279~295
关键词：长距离输水工程；首次通水；灌水流量
中图分类号：TV672+.2文献标识码： A 文章编号：
1积气流量
输水管线在首次灌水时，水中的部分气体会逐渐地析出，形成大小不等的气泡上升到管壁，气泡按水流流速向前运动。当气泡顺坡流动时，如图1，运动方向与气泡所受浮力的分力方向相反，浮力产生的阻力，必然使气泡运动的速度减慢，后续气泡容易撞击前面气泡而形成大气泡，大气泡产生大的浮力，当浮力大于水流的推力，大气泡受力会回到高点排气阀处排出，而不会流到下一管段；当浮力小于水流推力，大气泡受力向下游管段聚集，在顺坡底部产生气堵或气塞，影响输水安全。
当大气泡在顺坡管段时，某一流量产生的推力与浮力分力相等时，称为积气流量。当灌水流量小于积气流量
管道内的大气泡会聚集在顺坡管顶部，由排气装置排出，而不是带到输水管线的下游，可能产生气堵。 图1大气泡受力分析
2积气流量推导
在管道中的大气泡，由于表面张力的作用，大气泡以椭圆球形存在。根据一些爆管的经验，当大气泡高度达到管道半径1/2是爆管的危险点，即是大气泡的临界点。根据大气泡的椭圆球体积V和椭圆形断面积A与管线半径r的计算关系：
椭圆面积公式为 (1)式中 a、b—椭圆断面长半轴及短半轴长度(m)。
椭球体积公式为 (2)式中 c—椭球高的半轴长度(m)。对大气泡的推力为： (3)式中—水流推力(N)；—水流平均流速(m/s)；—受力截面面积(m2)；ρ—密度(kg/m3)。对大气泡的浮力为 (4)式中 —浮力分力(N)；—重力加速度(m/s2)；V—大气泡体积(m3)；β—管线与水平线夹角(°)。当浮力等于推力时，大气泡稳定在顺坡管段中，即P2=P1，根据式(1)、(2)，化简得浮力等于水流推力的平均流速 (5)于是，积气流量为 (6)式中 r—管道半径(m)；β—管线与水平线夹角(°)，β≠0。从式(6)可看出，积气流量与输水管道的半径以及坡度相关。输水管线灌水流量的选择小于积气流量，则大气泡受到浮力作用上升到输水管线的上游，可由排气装置排出输水管线，否则大气泡随水流进入输水管线下游，堆积在管段中成为大的大气泡，甚至气堵，威胁输水管线安全。
3工程应用
哈尔滨磨盘山水库长距离输水工程总长约180公里，双管输水，管径为DN2200，应用重力有压流供水，其最小顺坡的坡度为0.003，在首次灌水时，采用积气流量推导出灌水流量，根据式(6)，则磨盘山长距离输水管线的积气流量为 ： m3/s上式中，管道半径为1.1m，因管道坡度较小，sinβ≈tgβ=0.003。经分析，磨盘山水库长距离输水工程的积气流量为0.56 m3/s，为安全起见，实际工程中的灌水流量小于此数值，灌水流量采用0.50 m3/s，控制水库闸板的开启度和输水管入口处的阀门开度，保证灌水流量为0.50m3/s。首次灌水及运行过程中，没有出现水锤现象也证明管道内的气体已排出，没有产生大气泡。
4结语
长距离输水工程首次运行时，灌水流量可根据推导出积气流量进行确定。当灌水流量小于积气流量时，顺坡管段的大气泡可以被浮力推到上游峰点，气体由空气阀排出，大气泡不会被水流带到下游，形成气囊或气堵，保障了长距离输水工程的运行安全。
参考文献
1赵小利,高双强,吴 钊,李文奇.长距离重力流压力输水工程水锤防护设计探讨.水利与建筑工程学报.2012,10(3):88-91
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3倪治斌. 长距离管道输水工程设计探讨. 水科学与工程技术, 2010, ( 2) : 86- 88.
4杨玉思, 李树军, 辛亚娟. 长距离大管径重力流输配水管道水锤防护方法探讨. 给水排水, 2008, 34( 10) :121- 125
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