长距离重力流输水管道中防水锤技术分析

辛亚娟

1 概述

目前，我国许多大中城市尤其是北方城市由于当地水资源缺乏，不能满足国民经济迅速发展和人民生活水平不断提高对水的需求，必须兴建长距离调水工程，以缓解水的供需矛盾。管道输水方式因其具有可随地形条件铺设，对地质条件要求不高，渗漏损失小，能保证输水水质，施工方便，造价较低，管理方便等优点，常作为设计者优先考虑的方案。因此长距离重力流输水管路的水锤防护技术分析，不仅对供水工程的设计提供科学依据，而且对指导供水工程的安全运行也具有十分重要的意义。

2 重力流输水管水锤防护分析

输水管起末端的高度差越大时，有压重力输水的可利用水头就越大，当确定输水设计流量时，输水管管径越小，投资越少，输水管流速越大，运行时可能引起的水锤升压就越高。有压重力输水在以下三种情况需消减富余能量[1]:1)当可利用水头过大，管中流速超过3 m/s或超过水锤计算所确定的最大流速时;2)起端(如水库等)水位变幅较大时;3)低于设计流量运行，输水管下游管道因压力增加较多，不利于安全输水时。

第一，三种情况减压装置常设在输水管的中下游;第二种情况常设在输水管中上游;第一，三种情况设置的减压阀对输水管还具有较好的水锤防护和减少漏失水量的功能。

多起伏以及落差较大的“U”字形重力流管路系统是否需要减压和分几级减压，主要取决于输水管总落差的大小和管道的承压能力。落差越大，管道允许承压能力越低，需要设置减压的级数就越多。针对重力流管路系统，降低管材承压等级、减少工程造价，并预防水锤的发生是重点;消减关阀水锤，将借助于缓闭蝶阀和减压措施，防护管道某些部位可能产生水柱中断，以及断流水锤升压，减少爆管事故;对于较平坦的管路系统，主要以减压恒压阀为降压措施，用恒速缓冲排气阀及时排出管道气体，预防断流弥合水锤，避免气水两项流的发生。

3 各类水锤防护方法的技术分析

3.1 消能减压防护技术分析

3.1.1 减压消能原理

静水中是具有压力的，作用在单位面积上的静水压力为静水压强，它随水的深度增加而增加。静水压强的大小，是相对于大气压而言的。输水管道内作用在管道内壁的静水压力，在与大气相接触时，即在瞬间，静压能量以其他方式转化消耗，此时视管道内液体与大气接触面的相对压强为零，即消能构筑物必须有与大气相连接的装置，并且要达到简单和保证饮用水供水安全的目的[2]。输水管道内除去只与水深有关的静水压强外，还存在动水压强，它不仅与该点的空间位置有关，还与水的流动有关。

3.1.2 减压阀减压消能分析

重力输水管管径按充分利用作用水头选取，故在设计流量工况下运行时无剩余能量，在流量低于设计流量下运行时，水头损失减少，重力流输水管路就有了富余能量。在安装减压阀的系统中富余能量的大部分由减压阀自动消除，使管路末端压力减轻，其原理如图1所示。

图1中A1为不安装减压阀时的静水压线。A2为不安装减压阀流量最大时的测压管水头线，如果管道上安装的是减压恒压阀，其出口压力调节与不装减压阀时的水头线重合，则A2也是安装减压阀后最大流量时的测压管水头线，即减压阀在此流量时不减压，亦不耗能。A3为较小流量时不安装减压阀时的管道压力线，可见末端管路此时压力较大。B2是安装减压阀后且流量较小时末端(即减压阀下游)管道压力线(可见压力不大)。B1是安装减压阀后的静压线，可见它远小于不装减压阀时的静压线A1，故安装减压阀利于管道安全运行和降低维修成本。根据《城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规范》可知，减压阀出口恒压值根据最大设计水量水压线调整出口压力值，可实现在最大设计流量时不减压消能，而仅消减小流量运行产生的富余能量。

3.2 关阀水锤防护分析

3.2.1 减压恒压阀防护

重力流输水管道因阀件及管道接头等漏水、管道爆裂、下游系统正常保养等原因需停运时，绝大多数采用关下游出口阀门的方法。结合图2说明关阀过程中减压阀的水锤防护作用[3]。由图2可见，不安装减压阀的静水压线为 H，而压力振荡值为 Δ H，而安装减压阀后的管路末端静水压力线为 H′，压力振荡值为 Δ H′。

对于重力流输水管，关阀过程中的流量变化公式如下:

其中，H为重力流输水管道总作用水头;Q为重力流输水管道内流量;A为管道比阻;L为管道长度;d为管径;ζ为末端阀阻力系数。

设关阀前阻力ζ0，最大设计流量 Q0，则在关阀过程中流量为:

由于阀门阻力系数在匀速关阀过程中不是均匀增加的(一般是在关阀前60°～70°增大不多，对流量 Q减少也不大，但在以后的20°～30°则突然增加)，故极易造成很大的关阀水锤。由式(2)可见，管道长度L越大，ζ值对流量的影响越小，越易造成最后突然关阀时流量最大。而加装减压阀后L值仅为减压阀后的管段，故L值变小，流量 Q值亦减小。由此可见，重力流输水管安装减压阀对水锤防护作用极大。

3.2.2 缓闭蝶阀防护

关阀水锤防护最简单有效的方法是延长阀门关闭的时间，选择可控制的两阶段关闭蝶阀。就某一种管道安装情况来说，应考虑几种可能的解决办法，这些方法包括:在阀门处布置旁通管;对阀门最后15%～20%开度提供缓冲保护;采用双速(两段式启闭)阀门。延长阀门关闭(或打开)时间，可以将水锤压力控制在一定范围内，这对大型阀门是简单易行的。对于长管线来说，按照控制水锤压力反算的阀门关闭(开启)时间往往较长，达到5 min～10 min甚至更多，同调度运用灵活性要求构成了矛盾。因此，对长管道的水锤危害问题应进行专家分析，采用组合方案。

3.3 缓冲排气技术分析

长距离输水管路的高点处或膝部，由于很多原因常常会聚集大量气体，引起管道气堵，甚至水流中断;或者发生水柱分离水锤，形成液体局部汽化空腔(蒸汽腔)。为了保护管路，沿管路必要处可设置进排气阀。根据气液两相流态分析，造成管道排气困难及爆管水阻增大等现象的主要是段塞流，故工程实践中均利用恒压缓冲排气阀能满足管道中水气相间条件下能连续大量排气的要求，从而安全、平稳的排出管道中气体，防止气阻增大带来危害。根据国外相关技术资料和国内近年来的工程实验，输水管道上排气阀的布置方式为管道坡度小于 1‰时，每隔0.5 km～1.0 km设一个，每个排气阀都设在该管段的最高点，当多起伏管道时，可根据其起伏高度分析是否需要增加，必要时进行相应的水力计算。

4 结语

经过防护技术分析，总结出长距离重力流输水工程水锤防护的主要措施有恒速缓冲排气阀、恒压减压阀并结合末端两阶段关闭蝶阀，并推荐将这几类防护措施综合运用到重力流输水工程中，可以达到很好的防水锤效果。

[1] CECS 193∶2005，城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规范[S].

[2] 肖文渊.长距离大口径输水管道综合式消能井结构技术研究[D].2003:12.

[3] 杨玉思，潘惠民，何 青.供水系统中大型减压阀的作用分析[J].中国给水排水，2003，19(7):82-83.

[4] 孙万功.长距离输水管道减压措施研究[J].水利规划与设计，2003(3):57-58.

[5] 任永华.管网叠压供水设备原理及应用[J].山西建筑，2008，34(22):189-190.