水锤消除措施在南水北调续建配套工程中的应用

张大雷　汪春林　赵晓辉



水锤消除措施在南水北调续建配套工程中的应用

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南水北调是一项国家基础性、战略性工程，通过跨流域调水，实现水资源合理调配，解决北方地区水资源短缺问题，促进全国经济、社会与人口、资源、环境的协调发展；南水北调续建配套工程是各省、各市连接南水北调干线工程的支线工程，将干线工程调引来的长江水、黄河水输送至当地调蓄水库或水厂，是南水北调工程效益发挥的“最后一公里”。南水北调续建配套工程通过渠道、管道调水，长度几十、上百公里，属于长距离输水工程，在工程运行过程中，水锤的产生和消除直接影响到工程安全，不容忽视。

一、水锤产生的基本原理和主要分类

水锤指在压力管道中因流速激烈变化，在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力现象。水锤的产生造成管路中压力的急剧增加或产生负压，引起管路的破裂，甚至造成其他重大安全事故。

在压力输水管道的停泵、启泵、关阀、开阀、正常运行及流量调节中都可能产生水锤，从产生机理上主要分为停泵水锤、关阀水锤、弥合水锤和充水水锤等几种。停泵水锤是停泵后，水泵之后管道由于没有连续水流补充，造成压力下降，产生水锤，水锤波向出口传递，到达出口后返回，返回的压力波使水泵后管道压力升高，压力波若遇到止回阀等阻挡，会继续返回，在管道中进行阻尼震荡。关阀水锤是指在输水压力管道中，阀门关闭，但水继续流动造成阀门前压力急剧上升，并在管道中传播，对阀门及周边管道造成的压力冲击。弥合水锤是由于管道中水柱分离形成负压，分离水柱重新返回撞击，造成负压段及其周边管道压力上升。充水水锤是指长距离输水管道因地形高低起伏，在上一次输水过程中，低洼处不可避免积存水，此次输水水流对低洼处积水撞击，引起周边管路压力升高。

二、充水水锤和关阀水锤的消除

防止充水水锤的产生，主要通过控制充水速度。根据工程类比经验和理论计算数据，压力管道输水时，充水流速宜为0.3～0.5m/s，最大不易超过1m/s。太低流速带不走管道存气，不利于管道排气，也使通水时间过长；太高流速可能使管道充水速度大于排气速度，造成气堵，引起压力震荡。

防止关阀水锤的产生，主要通过控制阀门关闭时间，使水流速度慢慢下降，动能逐渐减少。根据资料，在10个水锤周期内关闭阀门，可有效降低水锤强度。

三、停泵水锤和弥合水锤的消除

停泵水锤和弥合水锤是长距离输水中最容易产生、造成的破坏最大，是最应该引起工程设计和运行管理者注意的问题。消除停泵水锤和弥合水锤，常用的方法包括在水泵出口设两阶段缓闭阀门、设调压塔和在管道合适位置布置进（排）气阀门等。本文通过南水北调续建配套工程实例，说明如何消除停泵水锤和弥合水锤。

1.工程基本资料

某加压泵站向调蓄水库输水，水泵5台（4用1备），单泵流量0.30m3/s，扬程58m，水泵转速1480rpm，水泵和电机转动惯量10.839kg·m。管路全长4.2km，1+530～1+700段采用螺旋焊接钢管，钢管壁厚10mm；2+240～2+500段采用螺旋焊接钢管，钢管壁厚10mm；其他部分采用球墨铸铁管，壁厚为15.3mm；全段管道的耐压等级为1.1MPa，管径DN1200mm，管道流量1.17m3/s；进水池设计水位39.22m，出水池设计水位81.36m。

2.计算假定和相关参数

计算假定：管道压力系统水流为一元流，管壁和水体为线弹性；管道进入水池的末端出口无拍门，按淹没出流计算，瞬变流分析过程中水池水位不变，水中不含空气气泡和泥沙。

相关参数：管道阻力n=0.012；1+530～1+700段水锤波速1007.82 m/s，其余段1116.77m/s。

3.水锤分析的数学模型及计算方法

水锤分析计算中将发生水柱分离之前和水柱弥合之后的水流视作连续的流体，采用特征线法进行水锤计算，而一旦发生水柱分离，则按照水柱分离数学模型进行计算。

（1）水锤基本方程及带插值的特征线法

沿特征线方向水锤全微分方程：

由于每段管段的水锤波传播速度不一致，在水锤计算过程中，为了采用相同的时间步长，需要采用带插值的特征线法。

（2）水柱分离模型

水柱分离模型采用美国密西根大学E.B.Wylie和V.L.Streeter教授于20世纪70年代提出的模型，在计算弥合水锤压力时考虑两股水柱碰撞的特点，计算结果较不考虑水柱分离的常规计算模型更接近实际值。根据连续性方程，在计算时间内所产生的水柱分离的体积应为：

所产生的急剧压力升高值可由下式计算：

式中：Qp为时间步长Δt内流出计算截面的平均流量；Qpu为流入截面的平均流量。

4.水锤计算中管道参数控制标准

根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》和《泵站设计规范》要求，发生水锤时管道最大压力不超过1.3～1.5倍最大工作压力，最低压力不小于-7.0m水头；事故停泵水泵反转速度不应大于额定转速1.2倍，超过额定转速的持续时间不应超过2min。

图1　水泵突然断电、无防水锤措施条件下泵站至水库管道沿程压力包络线图

图2　采取增设排气阀、3s关90%60s关100%措施后泵站至水库管道沿程压力包络线图

表1　管道特征计算值表

5.水锤计算

先计算稳定流工况下管线水压分布，计算结果作为水力过渡过程计算初始条件；在不考虑任何防水锤措施条件下，进行停泵水力过渡过程计算，分析水泵及管道沿线控制指标是否超规范允许值；优化布置防水锤措施，重新进行停泵水力过渡过程计算，保证控制指标不超规范允许值。

（1）恒定流工况计算分析

恒定流工况下计算泵站至调蓄水库沿程水压成果见图1。通过运算可知，恒定流工况管道能正常工作，管道压力正常。

（2）无防水锤措施条件下计算分析

水泵突然断电、无防水锤措施条件下，计算泵站至水库管道沿程水锤压力包络线见图1，特征计算值见表1。

从图1和表1可以看出，水泵突然断电、无防水锤措施工况下，最高压力在管线承压1.1MPa范围内，但管道有大范围负压，最低负压-10.0m，产生水柱拉断，形成弥合水锤，因此必须考虑负压防护措施。

（3）采取防水锤措施条件下计算分析

根据没有采取防水锤措施条件下的计算分析结果，优化比选防水锤措施方案，具体包括：在水泵出口设置液控缓闭止回阀。阀门分两阶段关闭，第一阶段关闭90%，关闭时间比选3s、5s、7s三种方案，第二阶段关闭10%，关闭时间比选60s、90s、120s三种方案。通过试算，选定3s关闭90%，60s关闭100%方案，采取缓闭措施后，负压值降至-5.0m，但未消除；最大反转速、最大反向流量大大减少；最高压力改变不大。管线上增加复合式排气进气阀，实现管线运行中的排气和补气。排气阀布置原则是，管线隆起处设、平直段不超过1km处设、负压较大处增设。排气进气口径按管道直径1/8～1/5取200mm。阀门位置经水锤计算确定，沿线共设5处复合排气进气阀，分别位于0+390、0+920、1+320、2+220、2+870、3+420、3+907/4+060、4+181。

空气罐方案因投资、管理、环境等原因未考虑。对水泵出口液控缓闭时间方案与复合进排气阀方案组合，选定方案后水力过渡过程计算成果见图2和表1。

从图2和表1可以看出，采取设置缓闭阀、增设排气阀措施后，泵站和输水管路各项运行指标均满足要求。

四、结语

采取上述措施的南水北调某市配套工程泵站及输水管路已经通过验收，于2015年输水2300万m3。从运行情况来看，泵站及输水管路防水锤方案合理，能够满足工程调水运行各种实际工况，保证了工程输水安全■

（作者单位：1.山东省烟台市南水北调工程建设管理局2640012.烟台国际经济技术合作集团有限公司264001）

（专栏编辑：顾梅）