《有壓輸水系統(tǒng)水力過渡過程計(jì)算與水錘防護(hù)技術(shù)導(dǎo)則》

ICS23.080

CCSP60

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CHESXXX—2022

有壓輸水系統(tǒng)水力過渡過程計(jì)算與水錘防護(hù)

技術(shù)導(dǎo)則

Technicalguideforhydraulictransientprocesscalculationsandwater

hammerprotectionsofpressurizedwatertransmissionsystems

（征求意見稿）

2022-XX-XX發(fā)布2022-XX-XX實(shí)施

中國水利學(xué)會(huì)發(fā)布

1

T/CHES****－2022

1總則

1.0.1為規(guī)范有壓輸水系統(tǒng)水力過渡過程計(jì)算方法、水錘防護(hù)裝置選擇和相關(guān)技術(shù)要求，使計(jì)算

成果能夠有效用于指導(dǎo)水錘防護(hù)，保障有壓輸水系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，特制定本標(biāo)準(zhǔn)。

1.0.2本標(biāo)準(zhǔn)適用于有壓輸水系統(tǒng)的穩(wěn)定流動(dòng)計(jì)算、瞬變流動(dòng)計(jì)算和水錘防護(hù)裝置的優(yōu)選及效果

分析。

1.0.3有壓輸水系統(tǒng)水力過渡過程計(jì)算和水錘防護(hù)除應(yīng)執(zhí)行本標(biāo)準(zhǔn)外，尚應(yīng)符合國家現(xiàn)行有關(guān)規(guī)

范和標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

1.0.4本標(biāo)準(zhǔn)適用于新建、改建和擴(kuò)建的有壓輸水系統(tǒng)。

1.0.5本標(biāo)準(zhǔn)主要引用下列標(biāo)準(zhǔn)。其中，不注日期的引用文件，其最新版本適用于本標(biāo)準(zhǔn)。

1.GB50265泵站設(shè)計(jì)規(guī)范

2.GB50013室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

3.GB/T20203管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范

4.SL430調(diào)水工程設(shè)計(jì)導(dǎo)則

5.SL279水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范

6.SL511水利水電工程機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范

7SL655水利水電工程調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范

8.SL/T281水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范

9.CECS193城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程

10.T/CEC5010抽水蓄能電站水力過渡過程計(jì)算分析導(dǎo)則

11.DL/T5186水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范

12.NB∕T10072抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范

4

T/CHES****－2022

2術(shù)語

2.0.1有壓輸水系統(tǒng)pressurizedwatertransmissionsystems

從取水口到出水口之間為有壓的輸水系統(tǒng)，包括輸水管道或涵洞線路上所有的建筑物、裝置

和設(shè)備，分為有壓重力流輸水系統(tǒng)和泵送加壓輸水系統(tǒng)。

2.0.2水力過渡過程hydraulictransientprocess

有壓輸水系統(tǒng)中因水流速度急劇變化所引起的流動(dòng)狀態(tài)瞬變過程。

2.0.3水錘waterhammer

由于某種外界原因使輸水系統(tǒng)中水的流速突然發(fā)生改變，從而引起壓力急劇變化的現(xiàn)象。

2.0.4元件element

有壓輸水系統(tǒng)中具有獨(dú)立功能的、可用單一模型表示的水力部件，是水力過渡過程計(jì)算的基

本單元。

2.0.5節(jié)點(diǎn)node

用于實(shí)施有壓輸水系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況與瞬變工況下的流動(dòng)計(jì)算而設(shè)置的計(jì)算點(diǎn)位置。是連接各

元件的公共位置，是組成輸水管道拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

2.0.6拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)topologicalstructure

組成有壓輸水系統(tǒng)各元件鏈接的關(guān)聯(lián)性。

2.0.7邊界條件boundarycondition

有壓輸水系統(tǒng)各元件在輸水系統(tǒng)運(yùn)行期間的已知的管道、水工設(shè)施及設(shè)備特性參數(shù)信息。

2.0.8穩(wěn)態(tài)工況steadycondition

有壓輸水系統(tǒng)中主要流動(dòng)參數(shù)保持不變狀態(tài)的一個(gè)特定工況。

2.0.9瞬變工況transientcondition

有壓輸水系統(tǒng)從某一穩(wěn)定工況到另一穩(wěn)定工況的過渡過程。

2.0.10瞬變流transientflow

瞬變工況下有壓輸水系統(tǒng)中的非恒定流動(dòng)。

2.0.11水力過渡過程計(jì)算calculationofhydraulictransientprocess

計(jì)算有太輸水系統(tǒng)及其各元件的動(dòng)態(tài)參數(shù)隨時(shí)間變化的情況。

2.0.12輸水系統(tǒng)水力參數(shù)hydraulicparametersofwatertransmissionsystems

特定工況下輸水系統(tǒng)及其各元件的水力學(xué)參數(shù)。

2.0.13泵全特性曲線fullcharacteristiccurvesofpump

以流量、轉(zhuǎn)速為坐標(biāo)，在四個(gè)象限內(nèi)分別給出的水泵、制動(dòng)、水輪機(jī)工況等各種工況參數(shù)相

互關(guān)系的特性曲線。是進(jìn)行水泵水力過渡過程計(jì)算的基礎(chǔ)資料。

2.0.14泵Suter曲線Sutercurvesofpump

根據(jù)量綱和相似原理建立的水泵揚(yáng)程和轉(zhuǎn)矩與流量轉(zhuǎn)速組合參數(shù)間的全特性曲線，包括揚(yáng)程

特性曲線和轉(zhuǎn)矩特性曲線。

2.0.15水錘防護(hù)裝置protectiondeviceofwaterhammer

5

以消減有壓輸水系統(tǒng)水錘發(fā)生對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響為目的的裝置。

2.0.16液體汽化liquidvaporization

當(dāng)有壓輸水系統(tǒng)中局部壓力下降到水的飽和蒸汽壓以下時(shí)，在該處產(chǎn)生的水流由液態(tài)變?yōu)槠?/p>

態(tài)的現(xiàn)象，也稱水柱拉斷。

2.0.17管道最高壓力上升率maximumpressureriserateofpipeline

管道壓力波動(dòng)的峰值與當(dāng)?shù)厮^渡過程發(fā)生前最近時(shí)刻的穩(wěn)態(tài)工作壓力的比值。

2.0.18時(shí)程線timeline

描述有壓輸水系統(tǒng)水力過渡過程中動(dòng)態(tài)參數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。

2.0.19壓力包絡(luò)線pressureenvelope

在輸水管道水力過渡過程期間出現(xiàn)的由最大壓力線與最小壓力線所包圍的封閉曲線。

2.0.20水錘防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)protectionstandardofwaterhammer

所允許的有壓輸水系統(tǒng)管道及元件的工作參數(shù)范圍，是調(diào)整水錘防護(hù)措施時(shí)輸水系統(tǒng)應(yīng)滿足

的水力過渡過程限制性參數(shù)。

2.0.21計(jì)算模型率定computationalmodelcalibration

通過調(diào)整計(jì)算模型參數(shù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、元件特性參數(shù)，基于特定的有壓輸水系統(tǒng)及其水錘防護(hù)

裝置，使水力過渡過程計(jì)算結(jié)果具有正確性，狀態(tài)變量（壓力、流量等）計(jì)算值與實(shí)測值的誤差

在可接受范圍內(nèi)的過程。

2.0.22管道靜壓staticpressureofpipe

有壓重力輸水系統(tǒng)在水靜止時(shí)的管道壓力值，即管道上游正常水位（管道口為淹沒進(jìn)水）與

壓力管道末端斷面中心高程之差。

2.0.23監(jiān)視點(diǎn)monitoringpoint

在有壓輸水系統(tǒng)的管道上設(shè)置的特定位置，用于儲(chǔ)存計(jì)算過程中的中間數(shù)據(jù)及結(jié)果數(shù)據(jù)。

6

T/CHES****－2022

3基本規(guī)定

3.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取

3.1.1為滿足有壓輸水系統(tǒng)水力過渡過程計(jì)算與水錘防護(hù)需要，應(yīng)獲取下列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及資料：

1工程概況、工程任務(wù)和等級(jí)。

2輸水系統(tǒng)平面布置圖、縱剖面圖、橫剖面圖。

3進(jìn)水池與出水池特征水位。

4當(dāng)?shù)睾０胃叱?、空化壓力、氣溫等參?shù)。

5輸水系統(tǒng)管道及元件的物性參數(shù)與特性曲線。

6水泵機(jī)組的主要參數(shù)及特性曲線。

7水錘防護(hù)裝置的性能參數(shù)及特性參數(shù)。

8各元件的連接搭配方式，輸水管網(wǎng)可能的運(yùn)行方式。

9輸水系統(tǒng)在每種可能運(yùn)行方式下的邊界條件和初始條件。

10水力過渡過程控制標(biāo)準(zhǔn)。

11其它必需的相關(guān)文件。

3.2計(jì)算大綱制訂

3.2.1應(yīng)根據(jù)水力過渡過程計(jì)算與水錘防護(hù)任務(wù)和要求，編制計(jì)算大綱，在計(jì)算過程中可作必要

的修正。

3.2.2計(jì)算大綱內(nèi)容應(yīng)包括項(xiàng)目概況、工程基本資料、計(jì)算目的和內(nèi)容、計(jì)算依據(jù)、水錘防護(hù)標(biāo)

準(zhǔn)、技術(shù)路線及模擬方法、計(jì)算工況、計(jì)算方案、進(jìn)度計(jì)劃、預(yù)期成果、計(jì)算負(fù)責(zé)人和參加人員。

3.2.3計(jì)算方案編制應(yīng)包括穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算方案編制、瞬態(tài)工況計(jì)算方案編制、水錘防護(hù)計(jì)算方案

編制三部分內(nèi)容。

3.2.4穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算方案編制應(yīng)符合下列要求：

1計(jì)算的初始條件接近實(shí)際情況，應(yīng)通過穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算得到。

2依據(jù)計(jì)算工況，確定滿足計(jì)算目的的計(jì)算模型，設(shè)置邊界條件，布置監(jiān)視點(diǎn)，確定計(jì)算

結(jié)果的輸出內(nèi)容及方式。

3采用的計(jì)算模型符合穩(wěn)態(tài)工況計(jì)算要求，元件的特性參數(shù)符合輸水管網(wǎng)實(shí)際。

4計(jì)算工況覆蓋輸水系統(tǒng)可能的運(yùn)行范圍。

5計(jì)算得到的輸水系統(tǒng)水位、壓力和流量應(yīng)以列表及曲線方式輸出。

6搭建計(jì)算模型接近實(shí)際情況，管線的擴(kuò)散管段進(jìn)行當(dāng)量轉(zhuǎn)換。

3.2.5未加防護(hù)裝置瞬態(tài)工況計(jì)算方案編制應(yīng)符合下列要求：

1計(jì)算工況覆蓋有壓輸水系統(tǒng)可能的最不利工況及運(yùn)行轉(zhuǎn)換工況。工況選擇考慮水錘防護(hù)

裝置的布置方案。

2依據(jù)計(jì)算工況，確定滿足計(jì)算目的的計(jì)算模型，獲取邊界條件，布置監(jiān)視點(diǎn)，確定持續(xù)

時(shí)長，確定計(jì)算結(jié)果的輸出內(nèi)容及方式。

3計(jì)算采用的時(shí)間步長滿足庫朗條件要求。

7

4計(jì)算中設(shè)置的監(jiān)視點(diǎn)位置落在壓力或流量最不利的位置附近。監(jiān)視點(diǎn)數(shù)量覆蓋典型節(jié)點(diǎn)。

5計(jì)算結(jié)果包括瞬變工況的相關(guān)曲線。

3.2.6水錘防護(hù)計(jì)算方案編制應(yīng)符合下列要求：

1計(jì)算工況結(jié)合3.2.5條選擇水錘計(jì)算方案。

2水錘防護(hù)計(jì)算的內(nèi)容包括主要過程的水錘防護(hù)分析。

3所選擇的水錘防護(hù)裝置易于施工和維護(hù)，便于運(yùn)行管理、經(jīng)濟(jì)性好，與工程等級(jí)相匹配。

4水錘防護(hù)最優(yōu)方案應(yīng)與水錘防護(hù)裝置布置方案、水錘防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及防護(hù)裝置的技術(shù)條件結(jié)

合進(jìn)行。

5水錘防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）管道最高壓力應(yīng)滿足如下要求：

a、對(duì)于泵送加壓輸水系統(tǒng)，管道最高壓力與管道設(shè)計(jì)壓力的比值按如下原則選取，

當(dāng)泵出口工作壓力：

—小于等于100m時(shí)，取1.5倍；

—100~300m時(shí)，取1.4倍；

—大于等于300m時(shí)，取1.3倍。

b、對(duì)于有壓重力流輸水系統(tǒng)，管道最高壓力與管道靜壓的比值按如下原則選取，當(dāng)

管道出口靜壓：

—小于100m時(shí)，取1.5倍；

—100~300m時(shí)，取1.4倍；

—大于等于300m時(shí)，取1.3倍。

（2）管道最低壓力（通常發(fā)生在管道頂部）在考慮海拔修正后應(yīng)不低于-4.0m，年運(yùn)行時(shí)

間長或抗壓能力低的管道應(yīng)適當(dāng)提高所允許的管道最低壓力值；對(duì)于采用虹吸斷流

措施的揚(yáng)水系統(tǒng)，其駝峰處最低壓力在考慮海拔修正后不宜低于-8.0m。

（3）對(duì)于泵送加壓輸水系統(tǒng)，水泵機(jī)組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速值小于額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，持續(xù)時(shí)間不

超過2min；

（4）整個(gè)輸水管網(wǎng)系統(tǒng)在任何情況下都不出現(xiàn)液體汽化現(xiàn)象。

8

T/CHES****－2022

4水力過渡過程計(jì)算模型構(gòu)建

4.1系統(tǒng)元件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建

4.1.1應(yīng)根據(jù)有壓輸水系統(tǒng)實(shí)際所包含的所有元件，確定元件間的相互連接性和數(shù)據(jù)參數(shù)的一致

性。

4.1.2應(yīng)根據(jù)有壓輸水系統(tǒng)的流動(dòng)方向性和幾何位置，構(gòu)建系統(tǒng)元件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并正確設(shè)置相關(guān)

元件的模型參數(shù)和性能參數(shù)。

4.1.3系統(tǒng)元件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)符合下列要求：

1系統(tǒng)元件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)反映實(shí)際工程現(xiàn)狀。

2占整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)比較小的并聯(lián)管道可采用等效管道代替。

3特性上漸變管系可采用一段跨越這些小的不連續(xù)段的當(dāng)量均勻管近似。

4當(dāng)管長小于波長的4%時(shí)，管系中的短管可采用慣性元件，彈性極好的元件可采用容性

（彈性和可壓縮性）元件處理。

4.2基本方程與求解方法

4.2.1水力過渡過程計(jì)算模型應(yīng)按附錄A所列方程建模。

4.2.2計(jì)算模型求解方法宜采用附錄B所列方法或其它高精度的一維水動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法。

4.2.3計(jì)算數(shù)值格式應(yīng)滿足相容性、收斂性和穩(wěn)定性要求。計(jì)算模型宜同時(shí)能模擬穩(wěn)定流動(dòng)和瞬

變流動(dòng)。

4.2.4水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速求解應(yīng)采用機(jī)組的運(yùn)動(dòng)方程。

4.3邊界條件和初始條件設(shè)置

4.3.1初始條件應(yīng)包含瞬變過程開始前穩(wěn)定工況下整個(gè)水力系統(tǒng)的主要參數(shù)，并應(yīng)按穩(wěn)定工況對(duì)

整個(gè)輸水系統(tǒng)進(jìn)行水力計(jì)算。計(jì)算結(jié)果應(yīng)作為瞬變計(jì)算的初始條件。

4.3.2當(dāng)每一段管道兩端的節(jié)點(diǎn)都只有可利用的一個(gè)特征線上的相容方程時(shí)，應(yīng)同時(shí)補(bǔ)充相應(yīng)的

邊界條件方程，確定相應(yīng)邊界上的水力參數(shù)。所有系統(tǒng)組成元件均宜為以邊界條件方式參與管道

端點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算。

4.3.3模擬范圍內(nèi)的組成元件邊界條件應(yīng)包括水力系統(tǒng)中的所有元件及水錘防護(hù)元件的邊界條

件。這些元件的邊界條件設(shè)置應(yīng)滿足下列要求：

1上、下游水庫（水池）邊界應(yīng)給定水位變化規(guī)律。

2串聯(lián)管道按各管段水頭損失相加、流量相等的邊界條件設(shè)置。

3并聯(lián)管道按各管段水頭損失相等、流量相加的邊界條件設(shè)置。

4分叉管道按各分叉管段水頭損失相等、流入與流出相等的邊界條件設(shè)置。

5管道給定摩阻系數(shù)及局部損失系數(shù)。

6管線閥門給定閥門開度與局部阻力系數(shù)的關(guān)系曲線。

7泵給定轉(zhuǎn)速與流量、揚(yáng)程、力矩關(guān)系以及泵組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，水泵的參數(shù)變化通過離散點(diǎn)的

全特性曲線給定，當(dāng)無法提供全特性曲線按附錄C方法給定。

9

8空氣罐應(yīng)給定罐內(nèi)氣體類型、初始?jí)毫?、容積、及進(jìn)出口水力損失系數(shù)。

9泵出口工作閥門給定閥門阻力系數(shù)與開度的關(guān)系，以及閥門動(dòng)作方式。

10壓力波動(dòng)預(yù)止閥給定設(shè)計(jì)初始開閥壓力、動(dòng)作時(shí)間、閥門的關(guān)閉特性以及預(yù)止閥彈簧系

數(shù)。

11水擊泄放閥給定設(shè)計(jì)初始開閥壓力、動(dòng)作時(shí)間。

12空氣閥給定閥門進(jìn)排氣口徑、進(jìn)排氣流量系數(shù)性能曲線。

13調(diào)壓塔給定斷面面積與進(jìn)出口阻力系數(shù)。

14其他特殊的元件按元件的流動(dòng)特性要求給定。

4.4計(jì)算參數(shù)的確定

4.4.1摩阻系數(shù)的確定可采用附錄D給定。

4.4.2波速應(yīng)按附錄E確定。

4.5計(jì)算網(wǎng)格劃分與時(shí)間步長選擇

4.5.1計(jì)算模型網(wǎng)格劃分與時(shí)間步長應(yīng)滿足附錄F所示庫朗穩(wěn)定條件。

4.5.2當(dāng)管道較短，無法滿足庫朗條件時(shí)，應(yīng)采用調(diào)節(jié)波速或管長的方式以使其滿足庫朗條件。

4.5.3管道空間網(wǎng)格步長的確定，應(yīng)符合下列原則：

1各管段的網(wǎng)格步長與波速比值相等。

2各管段的網(wǎng)格段數(shù)為整數(shù)。

3復(fù)雜管道水力系統(tǒng)在滿足該要求存在困難時(shí)，可采用附錄G給出的近似方法選取統(tǒng)一時(shí)

間步長。

4.5.4計(jì)算網(wǎng)格劃分與時(shí)間步長實(shí)例可見附錄H。

4.6計(jì)算監(jiān)視點(diǎn)的確定

4.6.1計(jì)算中設(shè)置的監(jiān)視點(diǎn)，其位置和數(shù)量應(yīng)準(zhǔn)確反映整個(gè)輸水系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與瞬變流動(dòng)特性。

4.6.2監(jiān)視點(diǎn)宜選擇在泵進(jìn)口、泵出口、工作閥門進(jìn)口、工作閥門出口、位置最高點(diǎn)、位置最低

點(diǎn)、局部最高點(diǎn)、水錘防護(hù)元件附近及斜坡段或平直段可能出現(xiàn)壓力極值的節(jié)點(diǎn)。

4.7計(jì)算軟件的選擇與使用

4.7.1開展水力過渡過程計(jì)算所采用的計(jì)算軟件，應(yīng)是已經(jīng)通過正規(guī)手續(xù)效驗(yàn)和率定，并已獲得

軟件證書備案。

4.7.2可通過加密計(jì)算時(shí)間步長和空間網(wǎng)格步長的方法檢驗(yàn)計(jì)算軟件給出的計(jì)算精度。若加密前

后計(jì)算結(jié)果變化較小，則數(shù)值解具有一定精度，否則應(yīng)進(jìn)一步減小時(shí)間步長和空間網(wǎng)格步長，使

數(shù)值解收斂到允許誤差以內(nèi)。

4.7.3在開展過渡過程計(jì)算前，應(yīng)對(duì)計(jì)算所使用的各種元件特性參數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行率定。元件特

性參數(shù)率定應(yīng)分別針對(duì)輸水系統(tǒng)的管道粗糙度與阻力系數(shù)、相關(guān)液體介質(zhì)的水錘波速、閥門特性

參數(shù)、空氣閥特性參數(shù)、水泵性能曲線等主要元件進(jìn)行。

4.7.4元件特性參數(shù)率定應(yīng)符合下列規(guī)定：

1在具備試驗(yàn)條件的情況下，應(yīng)采用試驗(yàn)結(jié)果來確定元件特性參數(shù)。

2在輸水工程還不能提供主要設(shè)備具體特性的情況下，可通過已有工程或相關(guān)資料中的結(jié)

10

果來估算元件特性參數(shù)。

3在設(shè)備招標(biāo)后，可通過中標(biāo)廠家提供的設(shè)備性能曲線作為元件特性參數(shù)。

4在輸水系統(tǒng)驗(yàn)收試驗(yàn)階段或正式運(yùn)行階段，可根據(jù)設(shè)備制造廠提供的設(shè)備實(shí)際特性或?qū)?/p>

測結(jié)果修正元件特性參數(shù)。

4.7.5對(duì)于重要輸水工程，宜有2-3家計(jì)算單位同時(shí)計(jì)算，相互印證，以保證計(jì)算結(jié)果的可靠性。

11

T/CHES****－2022

5水力過渡過程數(shù)值計(jì)算

5.1計(jì)算目的

5.1.1穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果，可應(yīng)用于輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、管材和閥門的選型，并可用于輸水系統(tǒng)的精準(zhǔn)調(diào)

度，實(shí)現(xiàn)各分水口的精準(zhǔn)流量分配。

5.1.2瞬態(tài)計(jì)算結(jié)果，可用于現(xiàn)有輸水系統(tǒng)的安全性評(píng)估、管道疲勞與爆管可能性評(píng)估、水錘防

護(hù)措施的選擇、系統(tǒng)運(yùn)行方式的確定、水泵啟停規(guī)律的整定。

5.1.3計(jì)算給出的節(jié)點(diǎn)壓力與流量信息，可應(yīng)用于輸水系統(tǒng)的調(diào)度與運(yùn)行方案的可視化。

5.1.4水力過渡過程計(jì)算成果，可為輸水系統(tǒng)的管線和水工建筑物的設(shè)計(jì)依據(jù)。

5.2計(jì)算方案與計(jì)算工況

5.2.1計(jì)算方案應(yīng)包括下列內(nèi)容：

1輸水管網(wǎng)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的泵串并聯(lián)和管道串并聯(lián)各種組合情況。

2不設(shè)置任何防護(hù)措施的工程運(yùn)行情況和設(shè)置不同類型防護(hù)措施的情況。

3穩(wěn)態(tài)工況和瞬態(tài)工況。

5.2.2計(jì)算工況的選擇應(yīng)符合下列要求：

1按可能出現(xiàn)的最不利工況，擬定計(jì)算工況。

2對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)常運(yùn)行工況進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于變速運(yùn)行的泵站輸水系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)工

況計(jì)算。對(duì)于梯級(jí)泵站輸水系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行站間流量平衡工況計(jì)算。

3計(jì)算工況包括未加水錘防護(hù)裝置時(shí)工況。

4計(jì)算工況包括增加水錘防護(hù)裝置后的相關(guān)工況。

5.2.3有壓重力流輸水系統(tǒng)計(jì)算工況見附錄I，泵送加壓輸水系統(tǒng)計(jì)算工況見附錄J。

5.3數(shù)值計(jì)算

5.3.1數(shù)值計(jì)算應(yīng)借助滿足本標(biāo)準(zhǔn)第4章計(jì)算模型構(gòu)建要求的計(jì)算軟件進(jìn)行。計(jì)算軟件應(yīng)具有

可靠的數(shù)值算法和完善的輸入輸出界面。

5.3.2數(shù)值計(jì)算應(yīng)分別完成穩(wěn)態(tài)計(jì)算和瞬態(tài)計(jì)算。

5.4計(jì)算結(jié)果分析與處理方法

5.4.1計(jì)算結(jié)果宜以文本文件方式保存到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器上，在計(jì)算過程中或計(jì)算完成后可利用數(shù)

據(jù)處理軟件對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，并應(yīng)以圖形方式顯示下列計(jì)算結(jié)果：

1整個(gè)管網(wǎng)的最高／最低壓力包絡(luò)線。

2關(guān)鍵位置的水位／壓力變化過程曲線。

3關(guān)鍵位置的流量變化過程曲線。

4水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化過程曲線。

5水泵出口工作閥門關(guān)閉規(guī)律。

6其他曲線。

12

5.4.2應(yīng)給出不同管網(wǎng)配置方案下的計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況，并應(yīng)給出有壓輸水系統(tǒng)的調(diào)度及運(yùn)行建

議。

13

T/CHES****－2022

6水錘防護(hù)措施

6.0.1有壓輸水系統(tǒng)宜安裝下列防水錘裝置：

1在泵站出水總管起端，設(shè)置具有兩階段關(guān)閉功能的緩閉閥或軸流止回閥。在有壓重力流

輸水管道末端（或者中部）設(shè)置具有兩階段關(guān)閉功能的緩閉閥或調(diào)流調(diào)壓閥。

2在泵站出水總管起端、有壓重力流輸水管道末端的關(guān)閉閥上游，可視需要設(shè)置超壓泄壓

閥。超壓泄壓閥的公稱直徑宜取為主管道直徑的1/5～1/4或經(jīng)水力計(jì)算確定。當(dāng)管道內(nèi)的靜水壓

力很高時(shí)，超壓泄壓閥直徑應(yīng)根據(jù)靜壓力和泄水時(shí)間經(jīng)水力計(jì)算確定。超壓泄壓閥的泄壓值可采

用最大使用壓力加0.15～0.20MPa。

3當(dāng)有壓重力流輸水干管的總作用水頭超過0.4MPa時(shí)，宜根據(jù)管道水錘防護(hù)需要或小流

量運(yùn)行時(shí)消能需要設(shè)置減壓閥。

4一般情況下，在輸水管道上宜每隔1.0km左右設(shè)置進(jìn)氣排氣閥。當(dāng)輸水管道坡度小于1‰

時(shí)，宜每隔500m～800m設(shè)置進(jìn)氣排氣閥。在管道局部高點(diǎn)及管道膝部宜設(shè)置進(jìn)氣排氣閥。進(jìn)氣

排氣閥的設(shè)置位置，應(yīng)根據(jù)水錘防護(hù)計(jì)算確定。進(jìn)氣排氣閥的口徑宜取輸水管道直徑的1/12～

1/5。，或經(jīng)計(jì)算確定。排氣閥有效排氣口徑不得小于其公稱直徑的70％，或者閥體內(nèi)通過氣體的

最小流道截面積不得小于公稱尺寸的截面積。當(dāng)管道壓力較大或工況復(fù)雜時(shí)，應(yīng)采用具有緩沖功

能的排氣閥。進(jìn)氣排氣閥可采用一體化復(fù)合式空氣閥，也可采用單獨(dú)的進(jìn)氣閥與排氣閥。

6.0.2當(dāng)計(jì)算結(jié)果不滿足所規(guī)定的水錘防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，宜按以下方法設(shè)置水錘防護(hù)裝置：

1重新整定工作閥門啟閉規(guī)律。

2更改進(jìn)氣排氣閥的型式、規(guī)格、設(shè)置的位置和數(shù)量。

3在同時(shí)可能出現(xiàn)壓力過高和過低的位置設(shè)置雙向調(diào)壓塔。

4在可能出現(xiàn)壓力過低的位置設(shè)置單向調(diào)壓塔（池）。

5在水泵倒流倒轉(zhuǎn)超過規(guī)定值時(shí)，重新整定泵后工作閥門關(guān)閉規(guī)律、增加水泵電機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)

動(dòng)慣量或者提高機(jī)組強(qiáng)度要求。

6泵后設(shè)置空氣罐。

7在泵后旁通管上設(shè)置壓力波動(dòng)預(yù)止閥。

8隨著新技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)的新型水錘防護(hù)裝置。

6.0.3水錘防護(hù)可采用附錄K給定的措施。

6.0.4采用的水錘防護(hù)措施初步方案，可由工程設(shè)計(jì)單位單獨(dú)或聯(lián)合水力過渡過程計(jì)算單位首先

提出，然后通過對(duì)不同水錘防護(hù)措施進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦安全、經(jīng)濟(jì)、成熟的防護(hù)措施作為

最優(yōu)方案。

14

T/CHES****－2022

7計(jì)算成果與報(bào)告編制

7.1計(jì)算成果

7.1.1計(jì)算成果應(yīng)包括下列內(nèi)容：

1簡述水力過渡過程計(jì)算模型特點(diǎn)。

2對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可靠性和合理性分析，必要時(shí)對(duì)數(shù)學(xué)模型參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。

3計(jì)算結(jié)果包括穩(wěn)態(tài)工況下水力學(xué)參數(shù)分布、瞬態(tài)工況下常規(guī)分析/防護(hù)措施對(duì)比分析。

4推薦的水錘防護(hù)措施和防護(hù)效果分析。

7.1.2應(yīng)繪制表征下列關(guān)系圖表：

1整個(gè)管網(wǎng)系統(tǒng)的最高／最低壓力包絡(luò)線。

2水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律、流量變化規(guī)律。

3最不利點(diǎn)的壓力變化規(guī)律曲線。

4水泵出口工作閥門前、后壓力變化規(guī)律曲線。

5有調(diào)壓塔、空氣罐防護(hù)措施時(shí)，調(diào)壓塔、空氣罐的水位變化規(guī)律。

6水泵出口工作閥門的啟閉規(guī)律。

7增加水錘防護(hù)措施前后最不利點(diǎn)壓力最高值、最低值、最大反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、最大反轉(zhuǎn)流量相

對(duì)變化率等主要參數(shù)的對(duì)比說明。

7.2計(jì)算報(bào)告編制

7.2.1計(jì)算報(bào)告應(yīng)包括下列內(nèi)容：

1報(bào)告章節(jié)目錄。

2前言、工程概況、基本資料、計(jì)算目的與內(nèi)容、計(jì)算模型與計(jì)算方法、計(jì)算工況、計(jì)算

結(jié)果與分析。

3水錘防護(hù)措施及防護(hù)效果分析。

4計(jì)算結(jié)果可靠性和合理性分析，必要時(shí)對(duì)數(shù)學(xué)模型參數(shù)進(jìn)行的敏感性分析。

5結(jié)論與建議。

6采用圖表、電子文檔等方式，表征計(jì)算結(jié)果。

15

T/CHES****－2022

附錄A有壓輸水系統(tǒng)計(jì)算模型的基本控制方程

A.0.1有壓輸水系統(tǒng)的基本控制方程包括運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程兩部分，各參數(shù)描述如圖A.0.1-1

所示。

運(yùn)動(dòng)方程按公式（A.0.1-1）計(jì)算。

Hvvvf1vv

0（A.0.1-1）

xgtgxDg2

連續(xù)方程按公式（A.0.1-2）計(jì)算。

HHa2v

vsin0（A.0.1-2）

txgx

式中：x－沿管線的長度，m;

t－時(shí)間，s

H－測壓管水頭，m；

f－管道摩阻系數(shù)；

v－管內(nèi)流速，m/s；

－管道與水平面夾角，o；

a－水錘波傳播速度，m/s；

D－管道內(nèi)徑，m；

g－重力加速度，m/s2。

圖A.0.1-1微元管段

Hv

A.0.2在實(shí)際應(yīng)用中，流加速項(xiàng)v，v和斜率項(xiàng)vsin相對(duì)于其他項(xiàng)都是小項(xiàng)，可忽略

xx

不計(jì)，運(yùn)動(dòng)方程和連續(xù)方程可作簡化計(jì)算。

運(yùn)動(dòng)方程按公式（A.0.2-1）計(jì)算

H1vfvv

0（A.0.2-1）

xgtD2g

連續(xù)方程按公式（A.0.2-2）計(jì)算

16

Hav2

0（A.0.2-2）

tgx

17

T/CHES****－2022

附錄B特征線法

B.0.1附錄A中式（A.0.2-1）和式（A.0.2-2）是一組準(zhǔn)線性雙曲型偏微分方程，自變量為x和

t，因變量為H和v。將運(yùn)動(dòng)方程與連續(xù)方程分別用L1和L2表示

Hvvv

Lgf0（B.0.1-1）

1xtD2

Hav2

L0（B.0.1-2）

2tgx

引入一個(gè)變量將和方程進(jìn)行線性組合，可得

HgHvav2vv

（）

LLLf120B.0.1-3

txtgxD2

若HHx,t，vvx,t，那么它們的全導(dǎo)數(shù)為

ddHHHx

（B.0.1-4）

ddttxt

ddvvvx

（B.0.1-5）

ddttxt

對(duì)比式（B.0.1-3）、式（B.0.1-4）和式（B.0.1-5）可知，如果令

dxga2

（B.0.1-6）

dtg

式（B.0.1-3）可以寫成式（B.0.1-7）的全微分方程

ddHvvv

f0（B.0.1-7）

dd2ttD

由式（B.0.1-7）可解得的兩個(gè)特征值

g

（B.0.1-8）

a

再將的兩個(gè)值代入式（B.0.1-6）可得

dx

a（B.0.1-9）

dt

dxgddHvvvdx

當(dāng)a時(shí)，式（B.0.1-7）可以寫成f0。當(dāng)a時(shí)，式（B.0.1-

dtadtdt2Ddt

18

gHvddvv

7）可以寫成f0。將這兩組方程分別用C和C來表示

attDdd2

gHvddvv

f0

attDdd2

C（B.0.1-10）

dx

a

dt

gHvddvv

f0

attDdd2

C（B.0.1-11）

dx

a

dt

如圖B.0.1-1在x-t平面內(nèi)，式（B.0.1-10）代表斜率為a的AP線，式（B.0.1-11）代表斜率

為-a的BP線，為特征線。表示擾動(dòng)在x-t平面中傳播的路徑。t0時(shí)刻在A點(diǎn)的擾動(dòng)，將沿直線

AP傳播，在t時(shí)間后傳播到P點(diǎn)。t0時(shí)刻在B點(diǎn)擾動(dòng)將沿直線BP傳播，在時(shí)間后傳播到

P點(diǎn)。

圖B-1xt平面特征線

將式（B.0.1-10）中的速度v乘以管道的面積，改寫成流量形式的微分方程。將微分方

程沿特征線從A點(diǎn)到P點(diǎn)進(jìn)行積分，可得

PPPafa

ddd0HQQQt

AAA2

gAgDA2（B.0.1-12）

式中：Q—流量，m3/s。

式（B.0.1-12）中的前兩個(gè)積分較容易求解，但代表摩阻損失的第三項(xiàng)積分，無法給定變量

Q關(guān)于時(shí)間t的表達(dá)式。所以采用一階近似的方法估計(jì)第三項(xiàng)的數(shù)值。并將ddxat代入，可得

afx

HPHAQPQA2QAQA0

gA2gDA（B.0.1-13）

將微分方程沿特征線C從B點(diǎn)到P點(diǎn)進(jìn)行積分，同理可得

19

afx

HHQQQQPBPBBB20

gAgDA2（B.0.1-14）

式中：下標(biāo)P、A、B—相應(yīng)點(diǎn)的參數(shù)。

x—微元管段長度，m。

將式（B.0.1-13）和式（B.0.1-14）中HP移到等號(hào)的右邊可得

HHBQQRQQ

C：PAPAAA（B.0.1-15）

HHBQQRQQ

C：PBPBBB（B.0.1-16）

a

B

式中，B—常數(shù)。gA；

fx

R2

R—常數(shù)。；2gDA。

B.0.2圖B.0.2-1為特征網(wǎng)格，從圖中可知，對(duì)于任意中間網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)i處的水頭H和流量Q都可

由式（B.0.1-15）和式（B.0.1-16）聯(lián)立求解。將上式各項(xiàng)進(jìn)行合并整理得

HCBQ

C：PiPPi（B.0.2-1）

HCBQ

C：PiMPi（B.0.2-2）

CHBQRQQ

式中，Piiii1111；

CHBQRQQ

Mi1i1i1i1。

由式（B.0.2-1）和式（B.0.2-2）聯(lián)立求解可得

CCPM

HPi

2（B.0.2-3）

CCPM

QPi

2B（B.0.2-4）

在求解過程中，對(duì)于上游邊界節(jié)點(diǎn)僅存在C特征方程，下游邊界節(jié)點(diǎn)僅存在C特征方程，

一個(gè)方程中存在水頭H和流量Q兩個(gè)未知數(shù)無法求解，所以需要根據(jù)實(shí)際情況建立相應(yīng)邊界條

件方程，與特征方程進(jìn)行聯(lián)立求解，計(jì)算得到上下游邊界處水頭H和流量Q值。

20

圖B.0.2-1特征網(wǎng)格

21

T/CHES****－2022

附錄C水泵全特性曲線的獲取

C.0.1圖C.0.1-1給出了比轉(zhuǎn)速128、530、950的三種水泵的Suter全特性曲線，當(dāng)無法獲得水

泵的全特性曲線時(shí)，可采用相似的比轉(zhuǎn)速的全特性曲線，或者進(jìn)行線性插值獲得相應(yīng)的Suter

曲線。

44

3

22

1

00

02468-102468

-2-2

-3

-4-4

Ns128WhxNs530WhxNs128wmxNs530wmx

Ns950WhxNs950wmx

（a）Whx曲線(b)Wmx曲線

圖C.0.1-1三種比轉(zhuǎn)速的Suter全特性曲線

22

附錄D恒定摩阻和非恒定摩阻計(jì)算公式

D.0.1在穩(wěn)態(tài)工況下，不同管材的輸水管道水頭損失，應(yīng)根據(jù)其糙率按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《室外給水

設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50013）規(guī)定的公式計(jì)算。

D.0.2對(duì)于瞬變工況，可采用定常流動(dòng)的摩阻系數(shù)進(jìn)行水頭損失計(jì)算，假設(shè)瞬時(shí)管壁剪切應(yīng)力

（即瞬時(shí)摩阻）與定常流動(dòng)時(shí)的摩阻相等，恒定摩阻Jq按式（D.0.2-1）計(jì)算：

fvv

J（D.0.2-1）

q2D

式中，f－達(dá)西-威斯巴哈摩擦系數(shù)，可按下式計(jì)算：

64

f，Re2320（D.0.2-2）

Re

1251/.D

20.log，Re2320（D.0.2-3）

ff37.Re

－絕對(duì)粗糙度，m；

D－管道內(nèi)徑，m。

D.0.3在瞬變比較劇烈的情況下，恒定磨阻模型不能準(zhǔn)確預(yù)測壓力波衰減和波形畸變過程，瞬

變流中的瞬時(shí)摩阻可以用恒定摩阻和非恒定摩阻之和來表征?？偟哪ψ鐹按式（D.0.3-1）計(jì)算：

JJJqu（D.0.3-1）

式中，Ju－非恒定摩阻：

kvvv

Jav=(sign())（D.0.3-2）

ugtxx

式中，k－摩擦系數(shù)，根據(jù)剪切衰減系數(shù)C*計(jì)算：

C*

k（D.0.3-3）

2

0.00476Re2320當(dāng)

12.86（）

C*當(dāng)D.0.3-4

15.29Re2320

lg()

ReRe0.0567

23

T/CHES****－2022

附錄E波速計(jì)算方法

E.0.1對(duì)地埋管，波速為：

K/

a=

1K/ED/ec

（E.0.1-1）

2Ee

c=

GDEe2（E.0.1-2）

式中，－流體的密度，kg/m3;

K－水的彈性模量，N/m2；

E－管壁的彈性模量，N/m2；

e－襯砌的厚度，m；

D－管道的直徑，m；

G－巖石的剛度模量，N/m2。

24

T/CHES****－2022

附錄F庫朗條件

F.0.1庫朗條件為

x

t（F.0.1-1）

a

式中，t—時(shí)間步長，s；

x—分段長度，m；

a—波速，m/s。

為了保證計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定，有時(shí)需對(duì)管長進(jìn)行微量調(diào)整，使其滿足庫朗條件。

25

T/CHES****－2022

附錄G調(diào)整時(shí)間步長的方法

G.0.1空間網(wǎng)格步長選擇原則：

x

1各管段的網(wǎng)格步長與波速比值應(yīng)相等，即t=j

aj

L

2各管段的網(wǎng)格段數(shù)應(yīng)為整數(shù)，即j=整數(shù)

xj

L

由此可知，j=整數(shù)

atj

實(shí)際中為了滿足上式，有可能使t和xj選得很小。太細(xì)網(wǎng)格將增加大量計(jì)算機(jī)時(shí)。

G.0.2復(fù)雜管道水力系統(tǒng)要滿足原則2，通常難以找到，因此，可采用近似選取統(tǒng)一時(shí)間步長t

方法：

（1）傳統(tǒng)的插值特征線法

（2）調(diào)整波速法

波速的計(jì)算本來并不十分精確，允許在一定幅度內(nèi)自由修正波速值，且對(duì)水錘動(dòng)態(tài)的影響不

甚顯著。規(guī)定允許支管長度Lj的波速相對(duì)修正系數(shù)j10%，根據(jù)統(tǒng)一的計(jì)算時(shí)間步長，

支管的段數(shù)為

Lj

NNj(G.0.2-1)

1+jjat

式中，j－j管段波速修正系數(shù)

在允許的修正幅度之內(nèi)，不同的支管可采用不同的i值，保證每一個(gè)支管的Ni湊成為整數(shù)。

再進(jìn)一步通過減小和增加NNj，可使控制在所規(guī)定的幅度之內(nèi)。

（3）當(dāng)量模型法

對(duì)于串聯(lián)管道，按統(tǒng)一的計(jì)算時(shí)間步長，由上游向下游依次劃分步段，空間步長xatjj=，

若其中一支管的末端剩余不足一個(gè)空間步長，可與下一個(gè)支管的起始端部結(jié)合成“跨管空間步

長”，然后再對(duì)下一個(gè)支管的其余部分繼續(xù)網(wǎng)格劃分。

L

設(shè)跨管空間步長的實(shí)際總長度為，水錘波的實(shí)際傳播時(shí)間j，則，這種由跨

Ljt=

aj

L

管支管組成的空間步長的當(dāng)量波速可取為a=j

eL

j

aj

跨管空間步長由不同的幾段支管組，跨管空間步長內(nèi)的流體總動(dòng)能為

11L

22j（）

LjAjUjQG.0.2-2

22Aj

按照總動(dòng)能守恒原則，可確定跨管空間步長的當(dāng)量管截面積為

26

L

Aj(G.0.2-3）

eL

j

Aj

根據(jù)水頭損失與實(shí)際值一致的原則，跨管空間步長的當(dāng)量常數(shù)為

fL

Rjj（）

e2G.0.2-4

2gDAjj

（4）短管方法

按統(tǒng)一的計(jì)算時(shí)間步長t，由上游向下游依次劃分步段，空間步長xajj=t，若其中一支

管的末端剩余不足一個(gè)空間步長，即稱之為短管。由此可知，在處理短管之前，各標(biāo)準(zhǔn)管段內(nèi)的

波速就不要調(diào)整，以保證精度。

a.調(diào)整短管波速

對(duì)于短管，調(diào)整波速的幅度就大很多。從原則上，只要整個(gè)系統(tǒng)按管長的加權(quán)平均改速的差

值不超過5％~10％，盡管短管本身的波速的調(diào)整幅度很大也是允許的。

b．剛化短管

把短管中的水體和管壁看作為剛體，從而把導(dǎo)出相應(yīng)的計(jì)算公式以代替特征方程。

c.在控制方程中用差商代替微商法

HHHHHnnnn11