长距离输水管道水锤计算及防护措施研究

魏 勇，郑 帅，鲍 磊，陈业芹

(1.上海宏波工程咨询管理有限公司，上海 201700； 2.江苏嘉源建设项目管理有限公司，江苏 宿迁 223800)

输水管线距离较长、水头较高且地形起伏变化较大时，在设计中必须考虑水锤计算。因为开泵、停泵、开关阀门的过程中，水流速度会发生急剧变化，由水锤产生的瞬时压强可达到管道中正常工作压强的几十倍甚至数百倍[1]，瞬时压强不仅产生巨大噪音，还会导致管道系统产生强烈振动，可能引起爆管；相反，当管道压强低于正常工作压强时，又会导致管道的瘪塌。这种由水锤作用导致的大幅度压强波动，不仅会损毁管道，还会损坏阀门、水表、法兰盘等管道构件，对管道系统危害较大。管道设计相对简单，但管道设计中水锤计算预防护是管道设计的重点与难点，关系到整个管道系统的结构和运行安全，在设计中应高度重视。

1 工程概况

本工程的受水区为工业区(分为A区、B区)，工业区四面环海，岛内都是直接入海的小河流，水资源的开发难度大。2007年，地下水已经超采，开采率达到 115%，本地水资源开发潜力很小，本地水源已经远远不能满足工业区经济飞速发展的需要，必须考虑节水措施、非常规水资源和外调水资源的利用。据计算预测，2015、2020和2030年该工业园区的需水量分别为12 989×104、20 531×104和 35 361×104m3，2020年该地区人口将达到 45.0万人，为中等城市，缺水成为制约该地域经济发展的唯一因素。根据近期规划，需要进行跨流域调水，一期供水工程已建成并投入，本次工业区供水工程输水管线总长为74.34 km，管线首部与东风水库高位水池的 DN1800 连接钢管相连，尾部与第一、第二净水厂入口相连，其中接入第一净水厂线路长度49.88 km，接入第二净水厂线路24.46 km，整条线路由东至西依次穿越高速公路、202 国道、县道、滨海路等，输水线路主要分布于低山丘陵区，线路高低起伏多变。本文结合设计方案及本报告所选水锤防护设备，分析泄压阀、调流调压阀等对重力流输水管线的水锤防护效果，完成调流调压阀不同动作方式的水锤分析，提出预期水锤防护效果的水锤防护措施建议。

2 管道水力计算

2.1 输水方式

本工程输水管线自水库高位水池取水，高位水池由两座蓄水池组成，单个蓄水池长25 m，宽15 m，高4.2 m，有效容积约1 200 m3，正常水深3.2 m，蓄水位底板高程132.89 m。在一期供水工程中，高位水池的设计蓄水位依据工业区的压力要求，采用重力流一次输水至工业区A区第一净水厂。本次管线设计仍采用重力流输水，中途不设置泵站，中途不再设置泵站加压，设计时应通过选择合适的管径，将水一次送至工业区第一、第二净水厂。

2.2 计算条件

输水管线管径由起末端水位及水头损失确定。第一净水厂水位83.9 m，第二净水厂水位70.0 m，考虑2 m的预留水头，末端压力分别按 85.9及72.0 m来计算管径。因一期供水工程已经建成，原设计供水能力为11×104m3/d，管线采用DN1100玻璃钢管和钢管。本次二期供水工程需要结合已建成的一期管线，共同输水来满足2020年需水量。2020年工业区总缺水量33.4×104m3/d，其中A区缺水量 27.54×104m3/d，B区缺水量 5.86×104m3/d。因此，二期供水工程的供水规模由经过调配后的一期管线所能承担的供水余量确定。见表1。

表1 水库高位水池向工业园区A区、B区供水管路特征

平均日设计流量按供水区的需水量乘以1.0倍的日变化系数确定，最高日设计流量按供水区的需水量乘以1.2倍的日变化系数确定。经计算，最高日设计流量为 30.53 m3/s。

2.3 水力计算

通过试算不同的干管、支管管径，求得满足末端净水厂水位要求的最佳管径。计算公式采用《室外给水设计规范》(GB 50013-2018)中输配水管道沿程损失计算公式。根据水力计算公式，结合一期管道来共同输水承担2020年用水。在满足最高日供水能力条件下，干管线管径采用两条DN1400钢管、A区支线管径采用两条DN1200钢管、B区支线管径采用两条DN800铸铁管可以满足最高日输水水量及首末端压力要求，并保证管道末端水头满足净水厂水位要求。管道输水能力见表2。

表2 管道输水能力表

根据计算得出，B区支线路2根DN800铸铁管可以满足2020年供水规模5.86×104m3/d，而B区2030年供水规模仅增加到8.15×104m3/d，通过计算按2030年规模B区线路选用2根DN900即可满足要求。考虑DN900和DN800管径变化不大，增加投资不多，从长远角度看，经济比较合理，因此本次B区支线路采用DN900作为输水管径。

本次设计最终选择管径如下：干管2×DN1400+A区支管2×DN1200+B区支管2×DN900，输水线路示意图见图1。

图1 输水线路示意图

3 水锤计算和防护分析

3.1 基础数据

工业区长距离输水工程为完全重力流输水，上游为水库高位水池，下游为第一净水厂和第二净水厂。水库高位水池水面标高132.89 m，在最大供水量时，要求第一净水厂最小水头不低于85.9 m，第二净水厂最小水头不低于72 m，见图2。即4号、6号桩点处的最小水头不低于85.9 m，管底标高为80.2 m；8号桩点处的最小水头不低于72 m，管底标高为8.87 m。设计预期最高日总供水规模 30.53×104m3/d，并且保证第二净水厂最高日供水规模7.03×104m3/d，第一净水厂最高日供水规模23.5×104m3/d，具体总供水能力依据模拟计算确定，并作为水锤分析依据水量。该工程管线拓扑关系见图2。

图2 输水工程管线拓扑关系图

在进行模拟时，各线对应节点编号、管底标高见详细数据，桩号37+709.9至第二净水厂，即三号线，管材为球墨铸铁管，管内防腐为水泥砂浆，糙率系数取0.012；其余管材均为钢管，管内防腐为环氧树脂材料，海曾系数取140。设计承压力为1.6 MPa。

3.2 水锤计算分析

根据管线拓扑关系及管线运行方式，水锤模拟重点是分别关闭第一净水厂和第二净水厂调流调压阀时各条管线的水锤情况，计算工况如下：

3.2.1 第一净水厂10 min关阀水锤模拟

模拟第一净水厂调流调压阀关阀时，在第一净水厂调流调压阀开始关闭至完全关闭乃至整条管线水锤消减至可忽略程度这一时间段内[2-3]，第二净水厂调流调压阀不动作，第一净水厂所关闭阀门为管线末端调流调压阀。见图3。

图3 第一净水厂10 min关阀水锤模拟情况

第一净水厂10 min内线性关闭阀门产生水锤时，一号、二号、三号线最大水头分别为 149.6、149.6和144.54 m，全线无负压，各线最大水头、最小水头满足管线承压要求。

3.2.2 第二净水厂10 min 关阀水锤模拟

模拟第二净水厂调流调压阀关阀时，在第二净水厂调流调压阀开始关闭至完全关闭乃至整条管线水锤消减至可忽略程度这一时间段内，第一净水厂任一调流调压阀不动作。见图4。

图4 第二净水厂10 min关阀水锤模拟情况

第二净水厂10 min内线性关闭阀门产生水锤时，一号、二号、三号线最大水头分别为128.05、128.05和129.85 m，全线无负压，各线最大水头、最小水头满足管线承压要求。

3.3 水锤防护设备分析及建议

经过模拟计算，在所确定的工况下，在合理的时间内关阀，各管线均没有负压的产生，也没有过高压力的产生。空气阀可以选择较为普遍的两阶段空气阀[4]。所设计的DN150 mm空气阀型号及数量满足水锤防护要求。

为防止阀门误操作等状况下水锤产生的高压危害，建议每条管线进入配水井前安装超压泄压阀，并且在调流调压阀上游。各净水厂在10 min 关阀方案中，超压泄压阀处的最高水压均在120 m以下，分析建议两净水厂关阀时间均控制在10 min以上，关阀时超压泄压阀处的最大水压不超过120 m，且调流调压阀的误动作产生时，安装处首先能感应到高压的产生，如果能及时在该处消减高压，全线高压将有效缓解。建议安装点靠近调流调压阀，并且泄压阀工作感应水头设置为：第一净水厂为 65 m，第二净水厂为 70 m，口径均为 DN300 mm。

由于在设计管径、管材及管线长度等条件下，东风高位水池与各净水厂配水井处的高差能满足预期30.53×104m3/d的输水要求，并且潜在输水能力超过30.53×104m3/d。同时也为了满足小流量下的管线运行，建议各条管线进入配水井前安装调流调压阀，关阀时间10 min以上。

4 结论及建议

对长距离有压输水管道系统，经过模拟计算，在所确定的工况下，在合理的时间内关阀，各管线均没有负压的产生，也没有过高压力的产生，空气阀可以较好地降低系统水锤压力。本文在设计时，选择较为普遍的两阶段空气阀，所设计的DN150 mm空气阀型号及数量满足水锤防护要求。本工程于2018年完工，目前管道系统运行较好。