长距离重力流输水管路水锤防护研究

蒋琳琳，张炅冏，陈琦莹

长距离重力流输水管路水锤防护研究

蒋琳琳1，张炅冏2，陈琦莹2

（1.天津大学仁爱学院，天津301636；2.海河下游管理局，天津300061）

长距离重力流输水管路距离长、支线多、落差大，当末端水厂阀门突然关闭时，管路则产生破坏性较大的水锤压力。在输水管路中采取合理的水锤防护措施，为保证输水工程的可靠性提供了重要作用。以河南叶县的南水北调受水区供水配套输水工程为研究对象，对管路末端水厂阀门同时关闭产生的水锤压力进行模拟计算，采用空气阀、超压泄压阀相结合的方式作为水锤防护措施。由计算结果发现空气阀、超压泄压阀联合防护能有效减小管路中产生的水锤压力，研究成果可为类似工程的水锤防护提供参考。

长距离重力流；输水管路；水锤压力；水锤防护

1　前言

长距离重力流依靠管路进出口地势高差进行输水，当管路中闸阀突然启闭会引起管内流速突然变化产生较大的水锤压力，可引起管路系统强烈振动、管件接头松动、阀门破坏甚至管路爆裂等问题。

重力流输水管路的水锤问题与管路特点和布置形式有关，因此管路的水力过渡过程和水锤防护问题一直被研究。杨纪伟［1］总结了不同设计流量下管路动水压力特点和分布规律；张健［2］提出不同工况管路设置空气阀的通用准则和公式；郑兴兴［3］分析了水锤管路中空气阀和单向调压塔联合防护的效果。笔者通过数值模拟对某长距离重力流输水管路末端阀门关闭产生的水力过渡过程进行计算，建议设置水锤防护措施确保管路安全稳定运行。

2　计算对象及模型

2.1计算对象

河南省叶县的南水北调受水区供水配套输水工程，利用地势落差采用重力流输水方式向不同水厂供水。输水管路包括主干线1条，支线6条。主干线长144 km，管径2.6～1.6 m，为PCCP管。支线总长31 km，管径1.2～0.8 m，为钢管。主干线进、出口高差82.325 m。输水工程分段及管路参数见表1，供水线路布置如图1所示。

表1　输水工程分段及管路参数

图1　供水线路

2.2计算模型

建立该输水工程模型，在主干线和支线末端的水厂处设置调流阀，在分流口前、各支线入口处建立控制阀。对末端水厂关阀引起的管路水锤现象进行研究。管路计算模型，如图2所示。

图2　管路计算模型

3　计算过程分析

3.1正常输水

正常输水时，各管路均可达到管设计流量。主管沿程压力先增大后减小，在桩号21+044.35干江河倒虹吸工程处，由于该位置管中心高程较低，压力达到60 mH2O，为输水管路中的最大值。

其余支线压力由入口向出口逐渐减小，压力最大值均在40 mH2O以内。稳定输水各管路最大压力及位置，见表2。由此可见，管路正常输水时管中压力不大。

表2　正常输水各管路最大压力及位置mH2O

3.2无防护措施时同时关阀

水厂出现事故时应尽快关闭管线末端的调流阀，但关阀过快又会引起较大的水锤压力，借鉴国内已有工程实例，各管末端调流阀均以900 s线性关闭。8个水厂同时关阀，各管流速减小，压力增加到最大，为最不利关阀方案。在管路无防护措施的情况下进行同时关阀水锤模拟，由表3可知，此种关阀方案下，整个管路的水锤压力最大值在主干线末端143+ 924附近，为165.1 mH2O。在主干线中部，从支线传入主干线的水锤波沿主干线水流向正、反两方向传播，水锤波升压相互叠加，减小了主干线的水锤压力。而主干线末端调流阀关闭所产生的水锤波只能沿主干线反向传播，导致主干线末端出现最大水锤压力。

表3　无防护措施下8个水厂同时关阀的特征压力mH2O

3.3设置防护措施时同时关阀

目前，水锤防护装置包括空气阀、空气罐、调压塔、水锤消除器等。而空气阀以其经济、安全、可靠的特点被广泛用在工程中。当空气阀附近的管内压力低于大气压，空气阀打开进气防止管内负压的产生；当空气阀附近的管内压力高于大气压时，空气阀自动打开进行排气。因此，空气阀可以排除管路通水初期未能排尽或管内压力减小从水中释放出来的气体，又能补气防止负压，消除输水管路中液柱分离产生的水锤。

我国《室外给水设计规范》［4］规定：输水管（渠）道隆起点上应设通气设备，管线竖向布置平缓时，宜间隔1 000 m左右设1处通气设施，配水管道根据工程需要设置空气阀。根据该规范中空气阀的设置原则，每隔0.5～1.0 km安装1个兼有进/排气功能的空气阀，此时空气阀的作用主要是满足管路产生负压时进气、通水时对管路排气的功能。并适当在高程较大的驼峰、向上隆起的拐点处增设空气阀，其目的是防止管路中液柱分离产生水锤。

通过试算和优化，沿线共布置排气阀326个，其中主干线为252个。空气阀孔径以以色列A.R.I. Flow Control Accessories公司设计空气阀时采用的方法确定［5］。用孔口出流公式计算出管路泄水放空时的最大排水量，由水与空气容积平衡原理确定管路的补气量，并用海森-威廉方程计算出发生水锤时管段需要的补气量，根据补气量的最大值确定空气阀的孔径。

其计算公式为：

式中：D为输水管直径（mm）；φ为系数，取0.9；v2为输水管线泄水或充水的最大流速（m/s）；v1为阀孔处气流流速，取40～50 m/s。

该输水管路支线管径以0.8 m为主，最大流速1.5 m/s，确定空气阀孔径约为0.15 m。

由于空气阀在管路产生负压时，只能通过快速进气缓解负压，因此对负压的消除效果并不完全，如果水流产生的负压超过空气阀的安全阈量，管路同样可能会受到较大的水锤破坏。因此，对管路设置超压泄压阀进行联合防护。当阀前压力超过预先设定的压力值时，阀门打开释放部分高压水，压力降于设计压力以下，阀门自动关闭。超压泄压阀公称直径按管道直径的1/5～1/4选取，其界限压力应等于或大于最大正常使用压力加0.15～0.2 MPa［6］，安装在输水工程末端管线上，位于关闭阀上游，且尽量设置在有倒虹吸等管路高程较低的位置。

超压泄压阀在管路中的位置采用试算法逐个安装在管路压力最大处，最终确定在主干线、支线共15处分别安装1台超压泄压阀，界限压力为92、100 mH2O 2种，公称直径DN200。

当管路设置防护措施时，8个水厂同时关阀，主干线最大水锤压力降至93.3 mH2O，由表4可知，各水厂调流阀所在断面的最大水锤压力值均在100 mH2O以内，未超过稳态工况最大压力的1.5倍。

表4　设置防护措施下8个水厂同时关阀的特征压力mH2O

3.4无/设置防护措施的效果比较

由图3可知，当管路设置水锤防护措施时，在8个水厂同时关阀情况下，最小压力线在稳定运行压力线之下；最大压力线全线平稳，变化幅度较小，有效控制了主干线末端产生的关阀水锤升压，防护效果显著。对比2种情况下的计算结果，沿程最大水锤压力由165.1 mH2O下降到93.3 mH2O，水锤压力下降43.4％。因此，空气阀与超压泄压阀的联合使用能有效减小重力流输水管路的水锤压力。

图3　主干线压力对比

4　结语

根据上述结果可知，针对距离长、支线多、落差大的重力流输水管线，在无防护措施情况下，当末端水厂阀门同时关闭时会出现较大水锤压力，对管路产生极大破坏。通过在管路中设置空气阀，在水锤压力较高处安装超压泄压阀，不仅降低了管路沿线最大压力，同时主干线末端的水锤升压也得到有效控制，可保证输水管路的安全运行。

［1］杨纪伟，郑薇薇，李书芳，等.重力输水管路水压特性分析［J］.人民黄河，2009，31（2）：80-81.

［2］张健，朱雪强，曲兴辉，等.长距离供水工程空气阀设置理论分析［J］.水利学报，2011，42（9）：1025-1033.

［3］郑兴兴，张健，何喻，等.空气阀的水锤防护性能及其在联合防护中的应用［J］.水电能源科学，2014，32（2）：167-170.

［4］GB50013-2006，室外给水设计规范［S］.

［5］赖冬根.长距离输水管线空气阀设置的研究［J］.科技情报开发与经济，2008，18（26）：189-191.

［6］杨宝奎，朱满林，程虹，等.水锤计算中压力管道的分段问题研究［J］.水利水电技术，2007，38（1）：53-56.

TV672+.2

A

1004-7328（2016）04-0053-03

10.3969/j.issn.1004-7328.2016.04.017

2016—03—11

蒋琳琳（1988—），女，助教，主要从事工程水力学研究工作。