长距离加压和有压重力输水管道水锤防护分析比较

马志敏，乔俊蕾，付永飞

(1.安阳市水利局，河南 安阳 455000；2.河南省豫北水利勘测设计院有限公司，河南 安阳 455000)

近年来，随着南水北调工程的建成运行，相应的引调水配套工程相继建成，工程对输水保证率要求高，所以输水系统的运行安全十分重要。水锤是危害输水系统安全的一个重要因素，因此，水锤防护尤为重要。但人们对水锤的物理性质和微观机理的认识和研究还不全面，在实际工程中，往往由于对水锤问题的认识不足而盲目地提高设计标准，或由于对水锤防护措施考虑不周而引起运行事故。因此，为减少有压输水系统水锤压力过高或过低而对工程产生危害，必须以合理设置水锤防护措施为前提。长距离压力输水管道分为加压和有压重力输水2种方式，两者压力产生原因和运行原理不同，水锤产生的机理及水锤防护也不同，对其分别进行水锤防护分析非常必要[1- 4]。

1 工程概况

1.1 长距离加压输水

安阳市某调水工程通过新建压力输水管道、梯级泵站将南水北调水输送到安阳市西部A水厂和B水厂。工程设计年调水量7 000万m3，其中，A水厂3 000万m3，B水厂4 000万m3。工程沿线地形主要为平原、浅山丘陵区和山前平原，总体地势西高东低，中部山地突出、地形起伏较大。根据沿线地形特点，本工程以地埋压力管道输水为主，局部采用隧洞内无压自流。输水工程管线全长49.6 km，设置3座梯级加压泵站，开挖隧洞13.1 km。供水系统布置如图1所示。

图1 长距离加压供水系统组成示意

取水口设计水位91.44 m，A、B水厂前池设计水位分别为150.4、369 m。沿线设计管线参数和水泵选型参数分别见表1、2。

表1 管道设计参数

表2 各级泵站设计参数

1.2 长距离有压重力输水

安阳市某引水工程自水库引水至C水厂和D水厂，设计总规模为20万m3/d，设计流量2.55 m3/s，年引水量7 300万m3。如图2所示，引水管道总长35.7 km，其中引水主管线长21.76 km，采用预应力钢筒混凝土管；C水厂支管线长2.54 km，为现状管道，采用预应力混凝土管；D水厂管线长11.4 km，采用K9级球墨铸铁管。两水厂设计引水规模均为10万m3/d，设计引水流量均为1.27 m3/s。

水库正常蓄水位147.2 m，死水位123.8 m，根据多年平均水位分析，管道进口设计引水水位为127.7 m，最低引水水位为123.8 m(死水位)，设计最高引水水位为158.06 m(正常蓄水位)。管道引水至C水厂和D水厂水处理池，C水厂处理池水位为81 m，D水厂水处理池水位为72 m。管道出口压力高于蓄水池水位2 m。

阀门设置：①C水厂现状引水管道工作压力0.4 MPa，接入处管道工作压力0.23 MPa。新建管道分水口处，设计流量状态下，各水位时工作压力为0.41～0.71 MPa，最大静水压力为0.85 MPa。接入处新建管道的运行压力大于现状管道的运行压力，需进行减压。同时，为进行流量控制和保证满足现状管道的运行要求，C水厂支线进口处需设置调流调压阀，阀门下游压力为0.13～0.2 MPa(保证C水厂地面以上水压6 m)。②为进行流量控制，D水厂末端设置调流调压阀。③为保证调流调压阀阀前压力稳定，在分水口上游主管线上设置DN1400减压稳压阀，要求下游控制压力>0.25 MPa，同时应结合D水厂分水口所需压力确定控制压力。

图2 长距离有压重力输水系统

2 计算原理

水锤是压力管道由于某些外界原因(如阀门突然关闭，水泵机组突然停车等)使水的流速发生突然变化，从而引起压强突然升高或降低的交替变化现象。长距离加压输水和有压重力输水系统工作原理不同，水锤压力产生的控制工况也不相同。长距离加压输水系统以泵站机组突然停车为控制工况，有压重力输水系统以阀门的启闭为控制工况。将管道材料及水体当作弹性体考虑，水锤计算公式[5-7]为

(1)

式中，H为压力水头；V为管道中的流速，向下游为正；a为水锤波传播速度；f为水流摩擦阻力系数；D为管道直径；x为距离，其正方向与流速为一致；t为时间。

水锤的连锁方程为

(2)

(3)

初始条件。当管道中水流由恒定流变为非恒定流时，恒定流的终了时刻为非恒定流的开始时刻。即当t=0时，管道中任何断面的流速V=V0；如不计水头损失，水头H=H0。

边界条件。①管道进口。对以上2个工程，管道进口为压力前池和水库，前池水位和水库水位变化速度与管道中水锤计算时间相比，变化比较缓慢，因此管道进口边界条件为Hp=H0。②分叉口。水头相同，即Hp1=Hp2=Hp3=…=Hp，流量连续，即ΣQ=0。③调压井。把调压井作为断面较大的分叉口，其边界条件为调压室内有自由水面，而隧洞、调压井与压力管道的交点和分叉口相同。

3 模型建立

对长距离加压输水系统和有压重力输水系统分别采用Fortran程序和水锤分析软件Kypipe2000进行水力过渡过程计算分析。Fortran程序以瞬变流为基础，以特征线法为求解方法；Kypipe2000以弹性水柱理论的2个基本方程为基础，采用拉格朗日波特性法进行数值求解。

4 水锤防护分析

4.1 计算结果

4.1.1 长距离加压输水系统

根据工程运行和布置特点，3个泵站首尾相连，为保证整个系统的水流连贯性，对输水系统进行水力过渡过程分析。同时，各泵站间管道连接处均为进/出水池，停泵水锤压力互不影响，因此，控制工况为1号～3号泵站同时抽水断电。

分析工程运行的3种工况，分别是设计流量工况、按年供水量计算的流量工况和40%设计流量工况。3种工况下系统无水锤防护措施保护时，水泵机组同时抽水断电过渡过程计算结果显示，水泵不发生反转，正压满足要求，但管道不同部位存在不同程度的严重负压，需要采取水锤防护措施。各工况无水锤防护时的压力计算结果如表3所示。由表3可知，工况1时负压值最大，因此，按照工况1进行水锤防护方案设计。

加压输水系统水锤防护措施主要有单向稳压塔、双向稳压塔、空气罐以及空气阀等，同时，为防止停泵时水泵倒转危害水泵机组安全，泵后控制阀门关闭时间也进行相应的设置。由于输水沿线交通不便，考虑运行安全及管理方便，本工程推荐采用“空气罐+空气阀”组合防护方案，本文不再叙述单向、双向稳压塔防护方案计算结果。

表3 各工况无水锤防护时压力计算

表4 空气罐设计参数

在1号泵站后设置空气罐，泵后管段上增设空气阀，均连接双管；在2号、3号泵站水泵出口处设置空气罐，泵后管段上增设空气阀，均连接单管输水管道，泵后控制阀从0 s开始以1/8 s一段速率直线关闭。各泵站段防护措施(空气罐和空气阀)布置见图3～图5。

图3 1号泵站空气罐和空气阀布置示意

图4 2号泵站空气罐和空气阀布置示意

图5 3号泵站空气罐和空气阀布置示意

空气罐设计参数如表4所示，空气阀布置设计如表5所示，空气阀直径0.12 m。采用“空气罐+空气阀”组合防护方案后，各泵段水压计算结果见表6，各管段水压力包络线如图6～9所示。

表5 空气阀设置

随着水锤防护技术的不断进步，出现了三孔空气阀(由吸气孔口，微量排气孔口，高速排气孔口组成)、零流速自动追踪止回阀(在零流速时刻点，关闭到底)等产品。理论计算上，这些产品与空气罐组合，同样能起到水锤防护的作用。

表6 各段压力统计

图6 1号泵站～2号泵站管段压力包络线

图7 2号泵站～3号泵站管段压力包络线

图8 3号泵站～B水厂管段压力包络线

图9 分水口～A水厂管段压力包络线

图10为压力罐、三孔空气阀和零流速自动追踪止回阀组合防水锤方案的计算结果。由图10可知，1号泵站最低压力为-3.3 m，位于桩号11+800，最高压力为108.6 m，位于桩号0+600；2号泵站最低压力为-1.3 m，位于桩号17+400，最高压力为135.7 m，位于止回阀出口处；3号泵站最低压力为-2.5 m，位于桩号48+100，最高压力为186.6 m，位于止回阀出口。根据计算结果，最大、最小压力均满足水锤控制目标要求。

图10 1号泵站～B水厂管段压力包络线(空气罐+三孔空气阀+零流速自动追踪止回阀)

4.1.2 长距离有压重力输水系统

根据工程管道布置及水库水位、管道出口水位，结合管材承压能力，本次水锤分析控制目标：①最低负压≥-2 m；②分叉口至C水厂管线最高压力不超过20 m；③新建管道最高升压水锤不应大于工作压力的1.3～1.5倍。

根据阀门特性，设置C、D水厂支线调流调压阀和主管道末端减压稳压阀全程关闭总历时600 s，70%开度开始关阀，420 s完全关闭。计算结果见图11～12。由图11、12可知，全线没有出现负压，最高压力100.1 m，出现在桩号21+577。

图11 水库～C水厂管段压力包络线

图12 水库～D水厂管段压力包络线

因C水厂支线管道承压能力较小，为保证其安全性，需分析D水厂支线水锤压力对其的影响，即进行D水厂关闭末端调流调压阀，C水厂支线正常运行时的水力过渡过程分析。阀门关闭规律同上，计算结果见图13。

图13 水库～C水厂管段压力包络线(D水厂支线关闭阀门)

D水厂调流调压阀在600s内线性关阀时，分叉口至D水厂管线最高压力17.9 m，出现在桩号C0+450处。升压水锤和降压水锤均符合水锤控制目标，无风险。

4.2 计算结果分析

(1)停泵水锤由降压波开始往下游传播，在水池处异号反射成升压波，在止回阀阀瓣处再反射成升压(2倍ΔH)从而成为具有破坏性特征的高压波，它是降压波的反射波，降压波是起因，降压波及其可能导致的负压水锤破坏性更严重。因此，长距离加压输水系统产生的最大正压多发生在水泵出口处，而负压多发生在管线连续爬坡处。长距离加压输水系统水流流动的动力由外界加压产生，动力的起始、终止为该系统水锤产生的控制工况。

(2)长距离有压重力输水系统水流动力由自重产生，常见水锤产生工况为阀门的开启和关闭。该系统水锤防护主要为在各种工况下保持水流的平稳流态。水锤防护措施主要为调流调压阀、空气阀、水击泄放阀等[8-10]。

4.3 防护措施

通过对长距离加压和有压重力2种输水系统进行计算分析，根据相应输水系统的工作特点，提出对水锤的防护方案。

4.3.1 长距离加压输水系统

(1)在泵后设置止回阀以保证水泵机组安全。

(2)降压水锤措施。在泵站后或连续爬坡的处设置空气罐、单向稳压塔、双向稳压塔等，在沿线设置空气阀等。

(3)正压水锤措施。在末端设置水击泄放阀。管道较大时，大阀反应慢，泄放阀宜一分为二或三，多阀互为备用。

4.3.2 长距离有压重力输水系统

(1)主动防护。在输水系统的末端安装合适的调流调压阀，上游控制阀门开启或关闭时，首先开启或关闭末端的调流调压阀，使水流关阀时流量匀速减小，开阀时流量匀速增大，即让系统流量呈线性变化，这样可以大大减小水锤发生的可能或者水锤压力。调流调压阀的位置越靠近末端越好，即下调节较上调节好；调流调压阀开度应处于40%～80%区间，流量跨度较大时宜双阀并联。

(2)被动防护。末端升压控制中途沿线升压高度。为防止突发情况，可在末端设置水击泄放阀，末端泄水越多，中途升压越小，末端升压被削减之后，反射的降压波低谷也被抬升了，沿线的负压及其可能的弥合水锤风险也大幅降低，沿线排气阀也成为二级备用防护措施。

5 结 论

水锤的防护问题经常给输水工程的建设带来困扰，不同的输水系统往往需要按照其特点制定水锤的防护措施。本文对某输水工程采用长距离加压和有压重力输水2种输水系统进行水力过渡过程计算，由管道各段压计算结果可得到相关风险位置，提出了针对2种输水系统的防护措施方案，可以有效解决水锤的防护问题，提高了系统的安全性、可靠性、耐久性。