长距离输水管道的水锤防护设计

张舒婕

摘 要： 以厦门市《西水东调原水管道工程》为例，对该原水管线系统进行水力过渡过程仿真计算，分析常用的水锤消除措施，进而分析最优的水锤防护方案。

关键词： 水锤;水锤计算;分析建模;防护措施

1 概述

西水东调原水管道工程设计内容为规模25万m3/d原水提升泵站一座及DN1600原水管道约20km。由于本工程供水系统复杂，全线长距离有压供水，水泵的启动和事故停泵及受水厂的阀门动作，都会产生水力瞬变现象，轻则导致相邻管路出现非正常供水，重则导致爆管事故，破坏整个输水系统的正常运行。因此，需要进行水力过渡过程计算，以对全系統的运行可靠性和危险工况进行预测，为输水系统结构布置、泵站和各类阀门的运行调节提供安全保证与科学准则。

2 水锤计算方法

本工程利用Bentley Hammer内部水力模型计算方法，通过各种边界条件的设置，模拟水锤波的传播，分析管道内部压力变化。水锤波通常是指管内水压的快速变化，与管道流量的变化直接相关，并以声速（计入水的可压缩性和管壁的弹性）在管道内传播。当到达管路系统的相关水力边界时，水锤波一部分继续向前传播，一部分则被反射，此类水力边界主要有管道的联接节点、水泵、阀门、管线盲端以及水锤防护装置（各种相关设备以及措施）等。

3 水锤分析建模

以取水泵站为起点，水厂为终点，通过建立模型，得到如下管道剖面线以及水力坡降线：

由图1可以看出，本工程输水水力条件有以下特征：

（1）管线长，为点对点的供水，沿线无分支分叉;

（2）沿线陆域段沿海边敷设，沿线高程相差不大;

（3）管道末端进水厂时，管道有个陡升的过程，管中心标高从8m升至25.1m;

（4）沿线过障碍局部顶管段，沉管过海段管位埋设较深，从埋管段至顶管或沉管段的接口处管道高程有陡降或陡升。

4 无防护措施的水泵抽水断电过渡过程

该工况为没有排气阀且泵房事故停电，所有水泵立即同时关停，为系统最不利工况。

图2中上面的图示为管线产生气穴的示意图;图2下面的图示中黑实线代表管道标高;黑虚线是稳态运行时管道沿程测压管水头线（HGL）;红线显示模拟停泵水锤工况中沿程管道每个点的最大压力，即最大压力包络线;蓝虚线显示模拟停泵水锤工况中沿程管道每个点的最小压力，即最小压力包络线。

在管道系统中只设置普通止回阀的时，从图2可知，水柱弥合和水柱分离现象非常明显，整条管线都处在不安全的环境，部分管段有爆管和吸瘪的可能性。

对于本工程而言，受地形和输水特征条件的影响，水锤时沿程管道产生负压以及负压破坏更为严重。

5 设置防护措施的水泵抽水断电过渡过程

本工程考虑采取以下防水锤措施：

（1）管道沿线安装20台DN200组合式空气阀。设置空气阀来满足水锤防护和管道高效运行的要求;

（2）在管线高程剧烈变化处，除了必要的空气阀排气外，增设高吸微排防水锤空气阀。

图3说明了在发生泵站失电时，泵站以及管线上水锤防护措施发挥作用后，显著地减弱了水锤效应，把整个过程中的压力波动控制在一个更安全的范围内，使得管道内的压力在短时间内由动态较平稳地转变成静态。

沿线合理排气阀设置对负压的消除能力十分明显，全线基本没有明显负压存在，满足管线对负压的承受能力。

在有空气阀保护措施下，沿线正压力下降，满足系统对水压的承受能力，只是在管线末端有水压略增加的情况发生，但远小于管线设计工作压力0.70Mpa。

6 结语

经水锤计算分析，在无防护状态时，管道承受的最大正压力为0.95MPa左右，管道承受的最大负压值达到管材的极限负压值。整条管线都处在不安全的环境，部分管段有爆管和吸瘪的可能性。

对于本工程而言，由于输水管线沿线高程相差不大，末端进水厂时为陡升爬高，所以正压力波动严重性并不大。但整个管线均出现较高负压力，部分管段有吸瘪的可能性，水锤时沿程管道产生负压以及负压破坏更为严重，部分节点排气阀的设置合理性至关重要。

结合上述情况，本工程采取管道沿线安装20台DN200组合式空气阀及局部高程剧烈变化处增设高吸微排防水锤空气阀的水锤防护措施。

采取措施后经计算分析，沿线合理设置排气阀对负压的消除能力十分明显，全线基本没有明显负压存在，满足管线对负压的承受能力。在有空气阀保护措施下，沿线正压力下降，满足系统对水压的承受能力，只是在管线末端有水压略增加的情况发生，但远小于管线设计工作压力0.60Mpa。

参考文献：

[1]CECS 193：2005.城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程.

[2]金锥，姜乃昌，汪兴华.停泵水锤及其防护（第二版）.中国建筑工业出版社，2004，11.

[3]李志鹏，朱慈东，徐放，张明，廖志芳，等.输水系统空气阀结构特性与水锤防护.中国水利水电出版社，2018，9.