在长距离输水工程中存在着许多的技术难题，特别是在有多个调压井和调压调流阀共同进行调节过程中的管线安全和优化控制问题更是极具实际意义的课题。本课题将波动方程在有限区间内的行波解应用于线性水击波动问题中，侧重研究带有多个调压井的长距离输水管线水击波动过程，建立适合行波法分析的调压井水位振荡边界条件，发展基于行波法的水击波动过程解析解，同时通过摄动法将摩阻变化进波动方程中，得到阀门关闭过程中管道内无因次水击压强的精确解析解。应用Ritz法求解泛函极值，得到最优关阀规律。通过在管线中部设置调节阀，与管线末端调节阀联动，利用关阀时间和关阀规律不同产生的正、负水击波互相抵消来削弱水击压强，达到安全防护的目的。同时利用波动方程的精确解析解来对水击波动过程中的多阀联动以及合理设置调压井位置进行分析，为长距离输水管线的水击计算、安全防护和优化控制提供数值预报技术。

长距离输水工程通常是在几十公里以外甚至更远的水源取水，沿途地形起伏往往较大，其有压管道在充水、突然关阀和停泵等事故工况下，很容易发生水击事故。科学合理地进行水击波动过程计算，并选择适合的水击安全防护措施意义重大。 项目基于数学物理方法中波动方程的达朗贝尔行波法，对线性水击过程进行分析，将其压强和速度边界条件进行解耦后，根据不同定解条件在国内首次构造得到多阀联动线性水击问题有限区间的达朗贝尔行波解。同时利用摄动法将管线实际摩阻转化为线性摩阻，根据实际阀门的阻力特性曲线，通过Ritz法求解泛函极值得到其优化参数，利用此最优关阀规律曲线关闭阀门，从而对将最大水击压强进行有效地优化控制。 利用管线中部阀门产生的负压波与末端阀门产生的正压波叠加，就会削弱管线中的整体水击波动程度。通过对单、双阀阀不同关闭策略、最佳安装位置和最佳关闭时间进行优化分析，可使管线中最大水击压强最小，达到水击防护的目的。抗水锤压力罐对保护水泵及管线免受水锤压力波的破坏非常有效，通过建立抗水锤压力罐与逆止阀组合防护的压力罐参数优化模型，可指导压力罐的各项参数选择并得到其对应水击工况下管线的压力波动情况。同时模拟了存在冲击气团时的压力波动情况，为计算对水击防护措施的影响提供了依据。 调压井的合理设置可以对水击波产生非常好的截断作用，但前提是调压塔的位置和形式需要进行合理的设置。模拟得到了多个调压井在长输管线的不同位置时管线中各点水击波动情况，获得了其流量和压强的振荡曲线。分析可知调压井离水击防护措施距离越近时，压强的振荡幅度越小，对水击的消减效果更好；当多个调压井共同设置时，管线内水击压强和流量变化幅度明显减小。通过在实际长输管线中设置多个调节阀、调压井和压力罐对水击波动过程进行模拟可知，上述防护方案都可以实现对水击波动过程的消减，满足水锤防护需求，但是不同方案水锤防护效果、水质是否容易污染、造价问题、可靠性等条件决定了最终的水击防护和优化控制方案的选择。 2100433B

如果引水式水电站的引水道的总长度较长，则在隧洞与压力管道交界处常需设置调压室。调压室可以是从山体中开挖出来的井式结构，称为调压井，也可以是高出地面的一个塔，称为调压塔，或为某种混合结构。

由于发电站的引水管道较长，当机组运行中突然甩负荷关闭导叶时，由于水流的惯性作用，有很大的水锤效应，易损毁发电设备，如无调压井，水锤会击毁导水叶和其它过流部件。

调压井的作用就是让水锤有一个释放的通道，以减小过流部件的压力。2100433B

长引水道、大流量引水发电系统中的调压室往往需要很大的高度和横断面积才能保证其有足够的容积容纳水体并满足波动稳定性要求，这不仅增加了工程开挖量和造价，而且也容易诱发水力共振等不利于电站安全稳定运行的现象。调压室高度通常由水位波动幅值确定，而其断面尺寸往往取决于其波动稳定断面。作为一种性能优良的平压建筑物，气垫调压室被广泛应用于引水式水电站中以控制水位波动幅值并依靠其高压气室消除共振。但是迄今为止，关于此类调压室的运行控制仍无系统的理论阐述，且存在诸多概念上的误解。另一方面，调压室波动稳定断面通常由基于一维水流特性的托马（斯韦）断面确定。但是，考虑三维流场特性的调压室临界稳定断面的研究无疑是更合理、更贴近实际的。受本项目资助，取得的成果如下： （1）在气垫调压室紧急停机水位和压力的基础上考虑漏气、温度变化以及上游水库水位变化对气室初始压力和体积的影响，从而确定了气垫调压室在不同控制模式下的监测参数的合理变化范围，给出了空压机和排气阀的启闭依据，并建立了不同控制模式的选择标准和适用条件。依此理论控制空压机和排气阀的动作，将避免上述因素变化而导致的机组频繁停机和启动； （2）以文献提供的试验结果为依据，选取了合适的湍流计算模型，用三维流场计算方法模拟了带长连接管的调压室的底部流场，分析了影响连接管内回流区强度和尺度的因素，给出了回流流量和与之相关的水头损失系数的计算公式，并在此基础上推导了带长连接管的调压室波动临界稳定断面； （3）引入自由液面模拟方法，分析了阻抗气垫式调压室底部阻抗孔内回流区高度和强度的变化规律，给出了回流流量、高度和相关局部水头损失系数的计算公式，并据此推导了气垫调压室波动稳定断面，明确了调压室底部流速水头在稳定断面计算中的有利作用和取值方法。 2100433B

计算水击的目的：①检查是否超过规范规定的允许值，如超过规定，要采取减小水击压力的措施，如设置调压室、装设调压阀等。②计算压力管道和蜗壳时，设计内水压力为静水压力和水击压力之和，需首先计算出水击压力。③在决定压力管道布置时，管路纵向转弯处要以负水击压力检查是否产生真空，并要求保持管顶至少有2m水柱高的水压力。