长距离重力流输水管线水锤防护设计探讨

邓特刚，李海强，李 鹏，袁彦斌 ，钟坤平，唐伟军

（1.天津城建设计院有限公司，天津市 300122;2.贵州塘旺机电技术有限公司，贵州 贵阳 550003）

1 水锤危害与防护措施

当前，随着城镇化与各类园区经济的发展，供水需求越来越大，而且存在较多的长距离输水工程。在此类工程设计中，水锤防护考量是保证工程安全稳定运行的重要一环。由于水的惯性和可压缩性，在压力管流中，因流速剧烈变化而产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象。其中，尤其以水柱分离和断流空腔再弥合水锤的破坏更为严重[1]，造成爆管、设备、阀件损坏等。

为预防水锤危害，通常采用针对水锤可能发生的工况而采取有针对性的水锤防护设备及工程措施，并在运行过程中规范操作，避免水锤的产生或降低其影响。工程常用的水锤防护设施有：空气罐、调压塔（单向、双向）、空气阀、超压泄压阀等[1-3]。各类设施有其特点与适用条件，需要工程人员依实际条件进行经济技术比选确定。

本文结合水锤工况及现场施工与管理条件，拟主要采用空气阀和水击泄放阀，并辅以末端缓闭关阀措施，下文以某工程为例分析水锤防护设计。防水锤型空气阀用于水泵出口及给水、排水管线中，在管路降低到大气压力以下很小负压时即迅速开启，吸入大量的空气，破坏真空，防止负压产生，而当压力波返回，压力升高，在恢复正压时自动关闭高速孔口，不高速排气，但将通过微量孔口缓慢排除高速吸进的空气，以延长排气时间，起到保护输水管路免遭“水柱拉断型断流弥合水锤”破坏的作用。水击泄放阀则作为一种后保护装置，当发生水锤升压时，水击泄放阀能够迅速地响应水锤压力泄除多余的高压，从而将水锤破坏降低到最低限度。

2 项目概况

某园区供水工程4万m3/d，水源取自水库水，引水至供水厂处理后为园区提供生产生活用水。原水输水管线途径沿线主要为山地，地形起伏较大。充分考虑现状地形，利用本身水头，根据设计流量，敷设双排DN500输水管线，单管管线长约12.8 km，管线最大静高差约265 m,水库取水点为高点，接管标高约359.5 m，中途有低点起伏，供水厂设计流程充分考虑末端可利用的水头。管道沿线主要为山区，管线敷设、构筑物与设备的选择要考虑易于维护和水质安全。由于沿线高程起伏，为满足重力流输水，沿线低点不采取减压消能措施，利用管材承压解决，在末段高点之后再采取消能措施，减少日常动力费用。

3 水锤分析

3.1 水锤计算参数与模型

根据项目调研与数据收集，进行数据分析，确定设计条件与参数见表1。

表1 水锤模拟主要计算参数

根据现状地形数据和初步设计方案，建立水锤分析数学模型及输水管线断面图，如图1所示（起点里程桩号为K0）。本工程采用重力流输水形式，以末端阀门开关引起水锤最为严重[4]，主要分析解决此种水锤破坏与防护。

图1 输水管线系统断面图

3.2 稳态工况分析

首先，分析稳态工况下的管段静态参数和运行参数，包括流量、沿程损失、局部损失、流速和水力坡度。分析稳态工况下的节点运行参数，可得出各节点压力，用于指导管材耐压等级的确定与优化。图2中蓝线为管道走势线，绿线为水击包络线，红线为稳态运行时的压力线，下同。

图2 稳态运行水力坡度线（高、低水位情形）

3.3 无水锤防护措施工况分析

（1）开阀工况：末端阀门5 s和30 s开阀工况下水锤模拟见图3。

图3 全线水击包络线图（上图5 s、下图30 s开启）

（2）关阀工况：末端阀门30 s和60 s关阀工况下水锤模拟见图4。

图4 全线水击包络线图（上图30 s、下图60 s关阀）

3.4 水锤防护分析

从上述未采取任何水锤防护措施的工况分析，输水管线局部凸起点存在负压，管道沿线则有比较严重的水锤升压，对于末端阀门处则有压力的交替波动，水头数值从70～230 m,随阀门缓闭时间的延长而有所缓解。本着既易于实施，又节省用地与投资的原则，为解决高点形成的负压以及“断流弥合水锤”，在输水系统局部高点处设置防水锤型空气阀。为更好地防止输水主管沿线的水击升压，在输水主管低洼处及输水主管末端阀门前安装水击泄放阀。

（1）开阀工况：末端阀门5 s和60 s开阀工况下水锤模拟见图5、图6。

图5 全线水击包络线图（上图5 s、下图60 s开启）

图6 桩号k10+047～k10+699段水击包络线图（上图5 s、下图60 s开启）

（2）关阀工况：末端阀门5 s关阀工况下水锤模拟见图7。

图7 全线水击包络线图（末端阀门5 s关闭）

通过水锤分析看出，在增加相应防水锤设备后，管道全线无负压，正压升压不高，末端阀门处的压力控制在1.16倍以内，低于技术规程中的1.3～1.5倍最大工作压力[5]，满足管道运行安全要求。

4 设计方案

本工程长距离重力流输水管线系统主要设置有检修阀门，并在进入供水厂处理构筑物前设置有控制阀门，产生水锤主要成因是末端控制阀门的动作。根据水锤模拟，在高点设置防水锤空气阀（共计18处，口径DN100 mm），在水锤升压较高点位设置水击泄放阀（共计3处，压力等级分别为4.0 MPa、2.5 MPa和1.6 MPa），在末端设置流量调节阀，可以达到水锤防护要求。根据地形条件，为更好地控制进入供水厂的水量与水头，同时降低后续管道压力及水锤影响，在最后一个高点位置设置消能井。通过对不同时长的开阀与闭阀模拟，可知缓闭缓开均可有效减少管内压力波动，降低水锤影响，末端阀门采用缓闭型，并尽可能延长关阀时间。

对于设计以外的施工与管理，也应严格管理，做到全过程有效保障。对于管材采购及管道施工，均应保证质量，避免管道本身存在薄弱环节而发生爆管等事故。在输水管道第一次充水启动、短期停水、流量调节、供水厂检修等运行操作过程中，均应按照《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》的系统运行要点进行操作，同时，结合本身工程特点，积累运行经验，降低非稳态状态下的水锤影响，保障供水安全可靠。

5 结论及建议

长距离重力流输水管线应用中应重视水锤设计与防护，要因地制宜采用合理的措施。本工程通过水锤模拟，经优化调整，确定设备选型与管材压力等级，在管道系统中尽量减少设备，通过空气阀及泄压阀以及阀门延缓动作降低水锤升压低于1.3倍最大工作压力，既节省工程投资，又易于管理维护，保证供水工程的安全可靠。建议在类似工程中，应制定全过程水锤防护方案，各参建单位保持良好地沟通，做到设计、施工、运营管理全过程协调。