打磨岗灌区压力管道水击压强的计算与防护

□王 东（南阳市水利建筑勘测设计院）

打磨岗灌区压力管道水击压强的计算与防护

□王 东（南阳市水利建筑勘测设计院）

水击是压力管道中经常出现的一种现象，对于压力管道的安全和稳定具有极大的危害，压力管道的破坏常常是由于水击压强而引起的。因此，如何进行水击压强计算和采取什么样的措施来减小水击压强，是一个值得仔细研究的课题。本文结合内乡县打磨岗灌区骨干工程，对压力管道水击压力防护措施进行了初步的探讨。

压力管道；水击；计算；防护

1.水击及其危害

水击是压力管道中一种重要的非恒定流。当压力管道中的流速因外界原因而发生急剧变化时，引起液体内部压强迅速交替升降的现象，这种交替升降的压强作用在管壁、阀门或其他管路元件上好像锤击一样，称为水击。

水击引发的压强的升高或降低，有时会达到很大的数值，处理不当将导致管道系统发生强烈的震动，引起管道严重变形甚至爆裂。因此，在压力管道引水系统的设计中，必须进行水击压力计算，并研究防止和削弱水击作用的措施。

2.工程简介

打磨岗灌区位于内乡县城东北部，灌区效益马山、余关、王店3个乡镇的22个行政村，总人口3.8万人，控制土地面积0.489万hm2，设计灌溉面积0.341万hm2。

灌区从打磨岗水库取水，采用压力管道输水。灌区设计干管1条，输水管线长10.15km，管径1.4～0.6m；支管4条，管线总长21.45km，其中一支管设计流量0.26m3/s，长3.45km，管径0.5m；二支管设计流量0.72～0.13m3/s，长10.9km，管径1.0～0.4m，；三支管设计流量0.36m3/s，长6.0km，管径0.6m；四支管设计流量0.25m3/s，长1.1km，管径0.6m。输水管道采用预应力钢筋混凝土管道或螺旋自动埋弧焊接钢管（穿河倒虹和穿公路）。根据管道水力计算，压力管道中最大水头可达33.2m。因此在进行管道水力计算时，必须考虑水击压力的影响，并采取相应的防护措施，对管道的安全运行有着非常重要的意义。

3.管道水击计算

管道水击计算时，管道的计算长度就是从阀门开始到上游离它最近的安全阀（调压井）之间的距离，阀门的关闭时间按照操作规程确定。

3.1 水击波传播速度

式中：C—均质圆形管水击传播速度，单位为m/s;K—水的体积弹性模数，单位为kN/m2;D—管道管径，单位为m;E—管材纵向弹性模数，单位为kN/m2;e—管壁壁厚，单位为m;α—K与E的比值，钢筋混凝土管道α=0.10。

3.2 水击类型判别

由计算管段长度和水击波速可计算出水击波在管路中往返一次所需的时间，即水击相时；然后根据阀门关闭历时与水击相时确定水击类型，即直接水击或间接水击。当阀门关闭历时等于或小于一个水击相时，瞬时关闭阀门所产生的水击为直接水击，否则为间接水击。水击相时公式如下：

式中：Tt—水击相时，单位为s;L—计算管段长，单位为m;C—水击波速，单位为m/s。3.3水击水头

式中：Hd—直接水击水头，单位为m;Hi—间接水击水头，单位为m;C—水击波速，单位为m/s；L—计算管段管长，单位为m;V0—阀门前水的流速，单位为m/s;Tt—水击相时，单位为s;Tg—关闭阀门时间，单位为s，取30s;g—重力加速度，单位为m/s2。

以干管计算为例，干管上在接二支口和管道末端各布置一蝶阀。计算成果如表1所示。

表1 干管水击计算表

将管道中正常计算的压力水头加上水击产生的压力水头，就是管道中压力水头的最大值，是用来控制管道级别的重要数据。

4.水击压力防护措施

为确保管道安全运行，除在设计中慎重考虑外，更应加强管理，制定和遵守严格操作规程。水击压力计算公式表明：影响水击压力的主要因素有阀门起闭时间、管道长度和管内流速，因此，可针对以上因素在管道工程设计和运行管理中采取以下措施来避免和减小水击危害。

4.1 操作运行中应缓慢启闭闸门以延长闸门启闭时间，从而避免产生直接水击并可降低间接水击压力。打磨岗灌区骨干工程在设计中要求阀门启闭时间应≥30秒。

4.2 由于水击压力与管内流速成正比，因此在设计中应控制管内流速不超过最大流速限制范围。但有时管道中的流量是一定的，管径一般由动能经济计算确定，减小流速意味着加大管径。用减小流速的办法降低水击压强，往往是不经济的，一般并不采用。但在一定的条件下，例如适当的加大管径可以免设减压设施时，采用这一措施可能是合理的。

4.3 由于水击压力与管道长度成正比，因此在设计中可隔一定距离设置安全阀和进排气阀，以缩短管道计算长度并削减水击压力。减压阀适用于引水管道较长的工程是比较经济的。

5.管道水压试验

试压的目的是实验检查管道的强度、接口或接头的质量是否符合设计要求、满足灌区的用水要求。实验压力一般为管道系统的设计压力，其保压时间要求≥1h；渗漏损失量不得超过总输水量的5%。

试水验收标准要严格控制，并应沿线检查渗漏情况并做好记录和标志，以便于返工维修。实验过程中，如未发生管道破坏，且渗漏量符合要求，即认为试水合格，方可回填。

6.阀门选型和设置原则

在打磨岗灌区骨干工程设计中，安全阀采用A3T-G弹簧式安全阀，安装在管路较低处，起超压保护作用，在某一压力范围内，可通过调节调压螺栓来调节整定压力，或通过更换弹簧来改变工作压力级，当管道系统压力升高并超过整定压力时，阀门则立即自动开启排水，使压力下降；当管道系统压力降低到整定压力时，阀门及时关闭并密封如初。安全阀铅垂安装在管道系统的首部及管道压力较大处，以便于操作者观察并便于检查、维修；也可以安装在管道系统中任何需要保护的位置。干管共安装安全阀6个。

进排气阀采用LJKP-1.0进（排）气阀。当管道充水时，管内气体从进（排）气口排出；管道停止供水时，空气进入管道，破坏了管道真空或使管道回流中断。进（排）气阀通气孔径按公式计算选择或按排气阀口径与管道管径之比为1：8或1：12选用。进（排）气阀一般安装在顺坡布置的管道系统首部、逆坡布置在管道系统尾部、管道系统的凸起处、管道朝水流方向下折及超过10°的变坡处，管道水平距离超过800m，增设一进（排）气阀。干管共安装进排气阀14个。

为了便于检修，排除管内淤泥等杂物，在各管道轴线起伏处的低处和管道的最低处设多种LJZ45T-10手动泄水闸阀，泄水阀的管径为主管道管径的三分之一左右，以便在冰冻或检修前和清淤时排空管内所存积水和淤泥等杂物。

7.结语

打磨岗灌区骨干工程通过上述的水击压强计算及各种防护措施，对管道的输水安全性起到了很大的保障作用。通过灌区五年的运行，各种安全保护装置和操作规程对管道安全保护起到了明显的保护作用，未出现管道由于水击压力过大而爆裂现象。因此，该工程的成功实施对以后压力管道输水中管道水击压强的防护创造了有益的实践，提供了宝贵的经验资料。

[1]李炜，徐孝平.水力学[M].武汉.武汉水利电力大学出版社，2000.

[2]李炜.水利计算手册[M].第二版.北京：中国水利水电出版社，2006，20-29.

王 东（1975-），男，工程师，从事水利水电工程设计工作。

2012-08-23