水击泄放阀在青山水库长距离输水工程中的设计与应用浅析

马世波

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

1 概 述

葫芦岛市青山水库输水工程，输水系统采用单线有压管道和无压隧洞相结合的方案。工程起自青山水库，终到葫芦岛市区，主要由输水管道、加压泵站、无压隧洞等组成，以无压隧洞为界，将整个管道系统分为两段，隧洞前为压力输水系统，隧洞后为重力流输水系统。线路总长71630m，主管材为预应力钢套筒混凝土管(PCCP)，管径1.2～1.6m，工作压力为0.6～0.8MPa。输水规模为平均日输水17.10万m3，最高日输水20.86万m3；设置中途加压泵站1座，由4台(3用1备)同型号的水泵组成，水泵额定扬程为51.00m，额定流量为2900m3/h；中途无压隧洞1处，长2152m，隧洞为圆拱直墙式断面，底宽2.00m，侧墙高1.00m，拱高1.00m，拱半径为1.00m，设计水深0.9m，无压隧洞为本工程的最高点，总体布置呈倒虹吸状(见图1)。

图1 工程总体布置示意图

本文结合葫芦岛市青山水库输水工程线路布置情况，为保证输水系统安全，重点对发生事故时管道超压问题进行了多方案经济技术比较，最终确定安装水击泄放阀的方案，同时对水击泄放阀的管径选择、布置形式及排水方案等问题进行了研究与探讨。

2 方案论证及确定

在对本工程进行过渡过程计算分析时发现，当发生事故停泵及管道爆管时，根据运行调度规则，如果不增加调节保证措施将在泵后3号、4号检修阀前以及末端净水厂调流阀前等几处发生超过管道设计压力的现象，易造成管道的破坏，进而影响系统供水安全。为解决该问题，设计时重点考虑了如下三种方案。

方案一：提高管材压力等级。

该方案通过将局部受事故水锤影响压力提升较大的区段内管材压力等级提高到1.0～1.2MPa，可有效解决管道内压力升高问题，通过对过渡过程计算结果梳理得出，需要提高压力等级的较长区段有5处，总长度约18km。该方案优点是不需要额外增加工程措施，仅需要对局部段管材压力等级提高即可。缺点是管材压力等级提高后，管道附属的空气阀、泄水阀、检修阀等压力等级也需要相应提高，设备采购投资增加；由于管材壁厚增加，单管重量增大，沟槽开挖放量及施工机械设备费用均需增加；此外现场调配难度增大，须确保相应压力等级的管道安装到相应的区段，本工程需要提高压力等级管材的区段分处不同的区段，现场管理需准确到位。

方案二：设置调压塔。

调压塔是解决管道水锤危害的一种有效工程措施，可将管道系统中超过设计水位的压力水头泄流排出，进而维持管道系统在设计压力范围内。设置调压塔不仅需要较大的投资和较长的工期，而且需要增加较多的永久占地和增加现场管理人员，而本工程需要增加多处调压塔，因此该方案不适合本工程。

方案三：设置水击泄放阀。

水击泄放阀是一种隔膜式水力操作的阀门，通过阀门自带的PLC控制器，根据事先设定好的压力值，可实现阀门启闭的自动控制，以防止输水系统正常运行或发生水锤时管道内超压造成系统破坏，保持输水系统的安全。该设备具有水力自动操作、性能稳定可靠、使用寿命长、在线维护且维护成本低、调节灵敏等优点，阀井内安装，占地面积小，无须专设现场管理人员。缺点是泄出水量需有排放通道。

综合以上三个方案的优缺点，并结合现场实际地形情况，本工程最终确定采用设置水击泄放阀的方案。

3 水击泄放阀设计

通过对本工程输水系统分析计算，共设置4处超压泄压阀，具体参数见表1。

表1 超压泄压阀参数

3.1 设置位置确定

本工程高压事故停泵工况时，即水泵在第0s全部关停，泵后阀门15s关闭80%，60s全部关闭，末端净水厂阀门0～300s线性关闭，2号检修阀至3号检修阀段、3号检修阀至4号检修阀段及4号检修阀至净水厂段，分别发生爆管事故工况，过渡过程计算分析发现，泵后3号检修阀前、4号检修阀前及末端净水厂前管道压力，均超过了管材设计值，故分别在泵后出水管道上(1号水击泄放阀)、3号检修阀前(2号水击泄放阀)、4号检修阀前(3号水击泄放阀)和末端净水厂调流阀前管道上(4号水击泄放阀)设置了水击泄放阀，水力过渡过程计算结果见图2～图5。

图2 高压事故停泵工况水力过渡过程计算结果

图3 高压事故2～3号检修阀段爆管工况水力过渡过程计算结果

图4 高压事故3～4号检修阀段爆管工况水力过渡过程计算结果

图5 高压事故4号至末端净水厂段爆管工况水力过渡过程计算结果

3.2 泄水量确定

水击泄放阀的泄水量，按照水泵各工况下最大数值确定，经计算，1～4号水击泄放阀的最大量分别为48m3、114m3、127m3和510m3。

3.3 水击泄放阀管径及数量确定

根据有关设备厂家以往工程案例应用经验和试验数据总结，水击泄放阀的管径建议不小于主管直径的1/2。为保证系统供水安全，每处均设置2座水击泄放阀，综合泄流量、泄放时间和安装位置处的实际地形地貌资料，按照过流面积等效法，确定1～4号水击泄放阀的管径分别为400mm、400mm、400mm和300mm。

3.4 排水方式确定

由于水击泄放阀发生泄压时，具有“时间短、水量大”的特点，根据现场实际情况，均采用了在水击泄放阀后新建调节水池的方式先行对泄放水量进行调节储存，最终通过潜水排污泵分别有序排放入厂区内排水管网系统以及附近河道中。

4 结 论

目前，工程安全运行已超过5年时间，历经了停泵、增大流量、降低流量、多用户联合调度等多种供水工况的考验，水击泄放阀先后发生过3次泄水，工程运行状况良好，未发生过较严重事故。本文对水击泄放阀在长距离输水工程中设计及需要注意的问题进行了浅析，以期为水击泄放阀在长距离输水工程中应用提供一定的参考。