浅析长距离输水管道停泵水锤的简易算法及防护

王保庆 李青坤 邹建伟

(济南市水利建筑勘测设计研究院， 山东 济南 250013)

浅析长距离输水管道停泵水锤的简易算法及防护

王保庆 李青坤 邹建伟

(济南市水利建筑勘测设计研究院， 山东 济南 250013)

南水北调配套续建工程贾庄至卧虎山水库输水工程采用水锤压力简易算法对工程设计方案进行合理比选，并计算了泵站停泵水锤的最大特征值及特征桩号，为管道水锤防护措施提供依据，在实践中取得了良好的效果，具有一定的理论与实践意义。

长距离供水管道； 停泵水锤； 简易算法； 防护措施

在长距离输水管道工程运行过程中，水锤对输水管道的危害很大，往往会产生爆管问题，尤其是管线起伏大、地形复杂的管道。近年来我国长距离输水工程逐年增多, 在设计过程中，针对长距离输水管道停泵水锤的计算以及防护是设计人员亟需解决的问题[1-2]。本文结合南水北调配套续建工程贾庄至卧虎山水库输水工程，阐述了对停泵水锤的计算及防护。

1 工程概况

济平干渠贾庄分水闸至卧虎山水库输水线路，全长29.62km，其中贾庄提水泵站至罗而庄加压泵站输水线路长14.40km，罗而庄加压泵站至寨而头加压泵站输水线路长9.80km，寨而头加压泵站至放水洞输水线路长5.40km。所经线路地貌类型为黄泛冲积平原(0+000～4+000段)、山前倾斜平原(4+000～12+020段)及低山丘陵(12+020～29+618段)，管道沿程敷设方式均为直接地埋式，输水流量3.47m3/s，管材选用钢套筒管和螺旋钢管，其中钢管管径为DN1600，壁厚14mm，部分管段壁厚为20mm。设计管道的最小管顶覆土深度为1.50m，管道穿越河沟、公路等地段时，管顶覆土厚度不小于2m。工程主要任务是调引长江水、黄河水进入卧虎山水库及直接向用水户供水，解决济南市区水资源严重紧缺状况，优化供水体系，有效利用水库调节库容，提高供水保证率，适应和满足济南社会经济发展，提高人民生活水平及改善投资环境的需要，实现水资源的可持续利用。

2 水锤简易计算法

关于事故停泵过程中最不利参数的计算,通常有电算法和图解法，电算法利用电子计算机解析泵站水锤问题,虽然具有较高精度,但是,计算方法烦冗、费时；图解法方法非常不便，为此不少学者和工程技术人员利用大量计算成果，绘制出各种计算图表，大大简化了水锤计算，这就是所谓的水锤简易计算法[3]。

2.1 帕马金简易计算法

美国工程师J.帕马金最早提出了一组基于图解曲线的简易计算法，使计算工作大为简化[4]，如图1所示。

图1 帕马金水锤图解曲线

图解方法是先求出管道特性参数2ρ、水泵机组转子的惯性系数K和水锤波在管道中往返一次需要的时间2L/a，然后求出乘积K×2L/a，即可在曲线的纵坐标上查出水泵出口处的最大降压和最大升压、管道中点的最大降压和最大升压等一系列数据。其中：

a.水锤波波速。

式中a——水锤波的传播速度，m/s；

k——水的弹性模量，k=2.06×109Pa，铸铁管k=9.80×1010Pa，钢管k=20.60×1010Pa；

E——管材弹性模量，Pa；

D——水管的公称直径，mm；

δ——管壁厚度，mm。

b.管道常数。

2ρ=av0/gh0

式中v0——水泵额定工况下管中流速，m/s；

h0——水泵额定工况下的扬程，m。

c.机组惯性系数。

K=182.5N0/

式中K——水泵惯性系数；

N0——水泵额定工况下的轴功率；

n0——水泵额定转速；

GD2——机组转动部分的转动惯量矩。

估算水泵出口装有逆止阀的停泵水锤值时，可用图1求出水泵出口处和管道中点处的最大降压值，然后将其绝对值分别加于水泵处和管道中点处的静水头，从而得出逆止阀关闭时，水泵处和管道中点处的最大升压值。

2.2 福泽清治简易计算法

日本工程师福泽清治根据电子计算机数百种水锤解析资料归纳出计算曲线图。该计算方法是考虑了管道的阻力损失及长管道系统可能产生水柱分离的事故停泵水锤的简易计算法，采用Kμ为横坐标(K为水泵的惯性系数，μ为水锤相)，采用水锤过程中最低降压水头(即实际产生的最低压力水头与水泵额定扬程之比)和开始倒流的相对时间γ(实际时间与水锤相时间μ之比)为纵坐标绘制而成，并以管路水头损失占水泵工作扬程的0%、20%、40%、60%、80%这五种情况分别考虑[4]。计算曲线图如图2～图6所示。

图2 福泽清治水锤图解曲线(管路损失htp=0%)

图3 福泽清治水锤图解曲线(管路损失htp=20%)

图4 福泽清治水锤图解曲线(管路损失htp=40%)

图5 福泽清治水锤图解曲线(管路损失htp=60%)

图6 福泽清治水锤图解曲线(管路损失htp=80%)

3 工程案例分析

南水北调配套续建工程贾庄至卧虎山水库输水工程，供水规模3×105m3/d，管材为PCCP和钢管，管径1600mm，管厚14mm，管道内流速1.73m/s。

3.1 水锤计算

在可行性研究阶段，该工程有两个方案，现采用帕马金简易算法对这两个方案的停泵水锤进行计算，结果见表1、表2。

表1 方案一：二级提水

表2 方案二：三级提水

表1和表2可以看出：方案一的停泵水锤过大，对管道的强度要求太高，且容易造成事故，为避免停泵水锤对工程造成严重的影响，该工程采用三级提水的方案二。

由于帕马金图解法没有考虑到管道的阻力损失以及长管道系统可能产生水柱分离的事故停泵水锤，其计算结果可能无法满足设计对于安全的需要，工程采用日本福泽清治简易算法对管路的最大水锤压力进行计算，并与帕马金简易算法的结果进行对比，结果见表3。

表3 计算结果对比

通过表3可以发现，由帕马金简易算法得出的最大水锤压力值明显大于福泽清治简易算法，工程的水锤防护以帕马金简易算法的特征值为准。经计算，该工程的三段管线的水锤压力线如图7～图9所示。

图7 贾庄泵站至罗而庄泵站水锤压力线

图8 罗而庄泵站至寨而头泵站水锤压力线

图9 寨而头泵站至卧虎山水库放水洞水锤压力线

3.2 水锤防护措施

a.为避免停泵水锤对工程造成严重的影响，通过采用三级加压供水有效降低最大水锤压力。

b.在综合考虑地形以及投资的情况下，根据水锤压力分布线选用不同压力等级的管材,见表4。

表4 管材选择

c.选用两阶段关闭的液压操作液控缓闭偏心半球阀，在泵站突然停电或事故停泵时，既防止大量水回流造成水泵快速反转，又能防止水锤产生造成的破坏。

d.在管线最大水锤压力出现的特征桩号布置水锤泄放阀门井，如图10～图12所示。

图10 贾庄至罗而庄泵站段水锤泄放阀门井

图11 罗而庄泵站至寨而头泵站段水锤泄放阀门井

图12 寨而头泵站至卧虎山水库放水洞段水锤泄放阀门井

e.在管道的隆起点上和主要交叉建筑物的进出口端，设置能自动进气和排气的弥合水锤预防阀，用以排除管内积聚的空气；在管道需要检修、放空时进入空气，保持排水通畅；产生水锤时可使空气自动进入，避免产生负压。

4 结 语

在水锤防护措施上，本文依据帕马金简易算法得出的管线沿程水锤压力线选用不同压力等级的管材，在保证工程安全运行的基础上，有效减少了工程投资；在最大水锤压力出现的特征桩号布置了水锤泄放阀，确保了工程的安全运行。为此类长距离、高扬程大型输水工程中水锤问题的解决提供了有益参考。

[1] 杨玉思，徐艳艳，羡巨智.长距离高扬程多起伏输水管道水锤防护的研究[J].给水排水，2009(4).

[2] 金锥,姜乃昌,王兴华.停泵水锤及其防护[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[3] 刘竹溪，刘光临.泵站水锤计算[M].北京:中国水利水电出版社,1988.

[4] 丘传忻.泵站[M].北京:中国水利水电出版社,2004.

Analysis on the simple algorithm and protection of long-distance water conveyance pipeline pump-stopping water hammer

WANG Baoqing, LI Qingkun, ZOU Jianwei

(JinanWaterConservancyConstructionSurveyandDesignInstitute,Ji’nan250013,China)

In the paper, water hammer pressure simple algorithm is adopted in the Jiazhuang-to-Wohushan Reservoir Water Conveyance Project of South-to-North Water Diversion Project. The project design plans are rationally selected. The maximum characteristic value and characteristic pile number of pump-stopping water hammer in pumping station are calculated, thereby providing basis for pipeline water hammer protective measures. Good effect is achieved in practice with certain theoretical and practical significance.

long distance water supply pipeline; pump-stopping water hammer; simple algorithm; protective measures

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.03.009

TV672+.2

A

1005-4774(2017)03- 0031- 09