城镇供水长距离输水管道工程水锤的计算与分析

□李慧敏

长距离输水管道采用水泵加压输水时，由于阀门突然关闭或水泵机组突然停机等因素，使流速剧烈变化而引起一系列压力急剧交替升降的水力冲击现象，称为水击或水锤。

管道运行过程中的水锤作用，是影响管道输水工程安全的最主要因素。较大的水锤作用可直接导致管道破裂、机组飞逸、输水中断，造成巨大的经济损失和人员伤害。此文结合武安市南部钢铁企业供水工程对管道水锤进行计算分析，以期为其他输水工程提供借鉴参考。

1.工程概况

武安市南部钢铁企业供水工程，位于邯郸市武安市南鼓山北麓及南洺河沿线，年引水量为4160万m3，工程等别IV，工程规模为小（1）型。新建4座泵站，扬程37.80m～143.10m。共有6条输水管线，管径DN600～DN1100，管道总长64.216km。

2.水锤产生原因

该工程各泵站串联运行，输水管线线路较长，沿途多次穿越河道、桥梁、农村道路等，管道起伏较大，系统较复杂，水体积较大，极易产生水锤。

3.水锤计算

现对其中一段管道进行水锤计算：

3.1 管道特性

新金万利泵站→固镇输水管道，管线总长14.046km，设计流量0.90m3/s，管材为K9球墨铸铁管，管径DN1000。布置进排气井24座。水泵安装高程263.00m，出水池高程370.40m，设计扬程107.40m。

3.2 管道水锤计算

根据输水管线布置、管道管径、管材长度、阀件组成及排气阀设置等参数，采用特征线法进行分析计算。

3.2.1 水锤的基本方程

运动方程：

连续方程：

特征线方程：

由上述两方程简化并转化，可得到方程

将特征线方程沿特征线积分，其解的简化为：

根据上述方程可求得时刻t，管道P点压力Hp和流量Qp。

3.2.2 计算依据

一是最大水锤压力不超过1.3～1.5倍的最大工作压力。二是事故停泵后水泵反转速度不应大于额定转速的1.2倍，超过额定转速时间不应超过2min。三是管道任何部位不应出现水柱断裂。

3.2.3 计算内容

模拟正常输水的压力分布，验算管线正常运行情况。模拟停泵水锤的压力分布，确定关阀规律和关阀时间，提出运行调度方式。

3.2.4 计算成果

水泵出口设置立式内胆式水锤消除罐（15m3×2-2.0MPa），多功能控制阀采用两阶段关阀方式：20s快关80%、100s缓关20%，总关阀时间120s。输水管线压力特征值及水泵停泵转速值见表1，管线水锤压力包络图见图1，水泵停泵转速图见图2。

表1 输水管线压力特征值及水泵停泵转速值

4.成果分析

管线内最大水锤压力控制在1.5倍最大工作压力以内；最小水锤压力为0m～-2.3m，管道水流不会被拉断。停泵时水泵最大倒转转速未超出水泵额定转速，各项指标均控制在规范允许范围内，计算成果合理。

5.结论

水泵出口设置立式内胆式水锤消除罐，配合水泵出口多功能控制阀及沿线复合式进排气阀联合运用，可有效降低水锤压力，使管道内负压控制在允许范围之内。可对类似工程项目的设计有一定的参考意义。水锤计算涉及到的因素较多，建议在工程设计中，对水锤分析合理建模优化设计。□

图1 管线水锤压力包络图

图2 水泵停泵转速