长距离输水系统水锤防护问题探讨

杜坤

（新源县水利局，新疆 新源 835800）

1 工程概况

伊犁州新源县东部集中供水给水管道工程（一期）那拉提水厂应急备用水源项目位于新源县东部那拉提镇，原从乌拉斯台沟和切特买尔克河取水对那拉提水厂水源进行供水，现由于乌拉斯台沟冬季供水不足，导致那拉提水厂冬季供水不足，故决定从切特买尔克河取水对那拉提水厂进行补充供水。此次供水管道工程布置由新建引水渠首、输水管道、水厂巩固提升改造、乌拉斯台渠首改建四部分组成。其中，新建渠首位于切特买尔克河出山口上游1.00 km处，为拦河式引水闸，渠首由泄洪冲砂闸、新建溢流堰及引水闸构成；输水管道从新建渠首引水，设计流量0.58 m3/s，通过6.30 km 长、供水压力0.80 MPa 的DN710钢丝网骨架管接至那拉提水厂进水管处。

考虑到该供水管道管线多起伏，相当于数个U 型管连接，泵站中设置3台DN300型压力波动预止阀，且每台水泵后方增设1 台缓闭式液控止回阀。根据对该供水管道工程稳态水力的计算与分析，管线在稳态运行过程中，各处自由水压均比承压能力小，承压能力满足管道稳态运行要求。

2 无防护水锤模拟

2.1 系统建模

文中采用PIPE2012:Surge 水锤分析软件进行那拉提水厂应急备用水源项目管道运行状况模拟，该软件输入数据主要为节点、管段静态参数及相关水力条件，通过瞬态精确计算并实时跟踪管道水锤运动，并结合防护措施实施后的水锤模拟，进行水锤防护分析。

根据管道静态参数及局部水头损失，可以得出输水管道稳态运行情况下的水力参数，管道水力坡降取2.65‰，管段内水流流速为1.75 m/s。根据对管道稳态运行水力包络图的分析，输水工程所在区域地形起伏大，局部管段净水头高；正常运行过程中，管道压力不高，但是开启或关闭管道阀门时，便会因局部高点断流弥合而引发水锤以及水压升高和爆管。

2.2 静态水锤

在静态运行且输水管道无任何防护措施时，进行输水管道末端阀门持续开启1 s、30 s、60 s、90 s 时水力情况模拟。根据静态情况下水力包络图，当末端阀门持续开启1 s时，输水管道全线为负压状态，正压水锤和断流弥合水锤同时存在。而当末端阀门持续开启30 s、60 s、90 s时，管道内负压持续减小，正压升值也持续降低。由此可见，末端阀门开启时间超出90 s 时，才能确保相应管段运行安全。

2.3 稳态运行水锤

输水管道在稳态运行情况下，对末端阀门全部关闭1 s、30 s、60 s、90 s、120 s的情况进行水锤模拟。根据水力包络图，在末端阀门持续全关1 s时，管道全线表现为负压状态，并伴随严重的断流弥合水锤，水击压力最大值出现在管线末端调流阀处。随着末端阀门全关时间的延长，输水管道中负压持续减小，正压水锤也在逐渐缓解；根据试验结果，输水管道末端阀门关闭时间应不短于120 s。

3 锤防护方案比选

基于该长距离输水工程现有设备条件，水锤防护效果不佳，事故停泵后部分管线存在严重负压，现有设备难以满足水锤防护方面的要求，必须增设水锤防护设备。

3.1 方案1：增设双向调压塔

在原设计中管线A、B处分别增设双向调压塔，其中A双向调压塔设计塔高16 m，直径3.60 m，管道高程148 mm；B 双向调压塔设计塔高9.50 m，直径2.90 m，管道高程146 mm。双向调压塔设置情况详见图1。

图1 水锤防护设备的设置图

根据事故停泵管道压力计算结果见图2，当事故出现并引发停泵后全线水压力P最大最小值分别为0.92 MPa和-0.04 MPa，负压几乎为零，满足水锤安全防护要求。

图2 增设双向调压塔后事故停泵管道压力图

3.2 方案2：增设单向调压塔

与增设双向调压塔方案不同的是，该方案下用单向调压塔代替A、B 两处双向调压塔，两处单向调压塔设计塔高为10 m和8 m，直径分别为3 m和2.50 m，水深依次为6 m和5 m；同时在A、B 两处分别增设1 个DN200 型缓闭式空气阀。根据事故停泵管道压力计算结果见图3，发生水锤事故而停泵后管线水压力P 最大最小值分别为1.10 MPa 和-0.05 MPa，管线起始端存在较长负压段，满足水锤安全防护要求。

图3 增设单向调压塔后事故停泵管道压力图

3.3 方案3：增设真空吸气阀

与前两个方案相比，此方案主要用口径均为DN300 型的真空吸气阀代替A、B两处的调压塔设备，同时在真空吸气阀处均增设1 个DN200 型缓闭式空气阀。根据事故停泵管道压力计算结果见图4，当出现水锤事故而引发停泵时，管线水压力P最大最小值分别为0.87 MPa 和-0.04 MPa，管线起始端存在较长的负压段，满足水锤安全防护要求。

图4 增设真空吸气阀后事故停泵管道压力图

3.4 方案比选

通过上述对水锤防护方案设计及事故停泵管道压力计算可以看出，方案1水锤防护效果最好，但水质易遭受污染；方案2水锤防护效果较差，水质易遭受污染；方案3水锤防护效果最佳，且水质不易遭受污染；方案1造价最高，其次为方案2，方案3造价较低。从运行效果、水质保护及造价方面综合考虑，该长距离输水管道应采取方案3，即增设真空吸气阀的水锤防护措施。

4 结语

综上所述，为保证长距离高起伏输水管道安全稳定运行，应将末端阀门开启及闭合时间控制在90 s 和120 s 以上；在不采取水锤防护措施时，如果输水管道阀门因异常而启闭，则管道内必将出现严重的断流弥合水锤，甚至引发爆管。就水锤防护设备的使用而言，将真空吸气阀和空气阀设置在管线坡峰处，能有效削减断流弥合水锤发生的可能，取得较为理想的水锤防护效果，为长距离输水管道的安全稳定运行提供保障。