基于水锤现象的建筑给水系统防护措施

邱荣华

（福建福大建筑规划设计研究院有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

基于社会经济的快速发展与城市化建设进程不断加快，建筑行业得以快速发展。 作为建筑施工中的重要组成部分， 建筑给水系统的设计与施工质量直接影响了建筑整体建设与使用质量[1]。 在建筑给水系统中，水锤现象时有发生，严重时会引发爆管漏水，影响给水系统的正常、安全运行。 因此，现阶段， 如何合理选择水锤防护措施成为建筑设计与施工人员研究的重点。 下文在分析建筑给水系统水锤现象的基础上， 阐述了水锤特征值的计算方法， 并结合福安某私人住宅给水系统设计案例，对建筑给水系统防护措施进行深入探究，旨在为其他建筑技术人员选择合理的给水系统水锤防护措施提供借鉴与参考。

1 建筑给水系统的水锤现象

水锤现象是当流体管道中流体因某些因素产生流速急剧变化而引起管道内流体压力急剧变化，并伴有振动与冲击噪声，导致管道、阀门、设备损坏的现象。 虽然水锤现象的延续时间较短，但水锤的危害性极大，严重时会爆管漏水，造成停水事故，甚至会造成设备损坏，伤及操作人员等。

根据水锤现象产生原因划分，可将水锤现象分为启动水锤、关闭水锤和停泵水锤三种类型。其中，启动水锤通常发生在压力管道中没有充满水，而系统阀门开启过快的情况下；关闭水锤发生在由操作人员操作失误引发管道系统运行不畅的情况下；停泵水锤通常发生在操作人员失误操作、 电源跳闸、正常操作但电源切断等情况下[2]。

根据水锤分析理论划分，可将水锤现象分为刚性水锤与弹性水锤。 其中，刚性水锤理论认为水锤现象的产生仅与流速变化相关；弹性水锤理论认为管材的弹性形变、水体的可压缩性均是产生水锤现象的诱因[3]。

基于既有研究和实践情况分析发现，在泵供水系统中，水锤现象时有发生，若水锤防护设备选择不当，则对整个供水系统会造成严重危害。

2 水锤特征值计算

2.1 水锤波速

水锤波速计算公式见式（1）。

式中：K 表示液体体积弹性模量，单位为Pa；ρ 表示液体的密度，单位为kg/m2；E 表示管壁材料的弹性模量，单位为Pa；ψ 表示无量纲参数。

2.2 水锤的基本微分方程

水锤的基本微分方程能全面反映有压管流中非恒定流流体流速与水头的变化规律， 并为建筑给水系统水锤防护措施的选择提供有力依据。 水锤的基本微分方程包括运动方程和连续方程，运动方程公式见式（2）。

式中：H 表示测压管水力坡度线；x表示从任意点开始， 沿管道轴线方向的距离；V 表示流速；t 表示时间；D 为常数项；f 表示摩阻系数；g 表示重力加速度。连续方程公式见式（3）。

式中：a 表示水锤波速。

2.3 特征线方程求解方法

特征线方程求解是现阶段解决水锤问题的常用计算方法，结合微分法则，整理得出特征线方程公式，见式（4）、（5）。

式中：C+表示正特征线方程；C-表示负特征线方程；A 表示管壁材料的弹性模量；dH、dt 分别表示H、t方向上的水锤特征；Q 表示水流量；dQ 表示水流量特征参数。

为便于计算， 建立有限差方方程， 公式见式（6）、（7）。

式中： Hpi、Qpi分别表示时段终了参数；B 表示积分初始点。

3 建筑给水系统水锤防护措施

3.1 合理选择给水方式

给水方式是建筑内部给水系统的供水方案，对水锤现象的发生产生直接影响。为有效防护给水系统，需要设计人员根据建筑的层高、供水设备类型等，合理选择给水方式。

以福安某私人住宅给水系统设计为例，设计人员以住宅实际需求为出发点，利用上述公式进行计算， 确定了建筑给水系统设计方案： 设置扬程为100 M、功率为30 KW、流量为10 L/S 的室内消火栓增压泵；扬程为56 M、功率为37 KW、流量为40 L/S的自动喷淋增压泵；扬程为48 M、功率为3.0 KW、流量为11 t/h 的生活给水变频泵组；扬程为72 M、功率为4.0 KW、流量10 t/h 的生活给水变频泵组，具体如图1 所示。

3.2 气压水罐防护

为有效进行供水系统水锤防护， 需要避免出现水力过渡过程，并通过采取有效防护措施，消除水锤压力，保证供水安全。 结合具体实践情况分析，气压水罐防护是现阶段有效进行供水系统水锤防护的方法。 气压水罐防护是一种内部充有一定量压缩气体的金属水罐，将其安装在水泵出口附近管线上，利用罐内原压缩气体的压力， 对水锤现象进行防护的方式。 气压水罐有充气分离型气压水罐和非分离型气压水罐。 无论在实际防护中应用哪种类型的气压水罐，都需要保证在罐内压力最低时，罐内尚有一定量的水，以避免罐内空气逸到供水管道内。

3.3 其他防护措施

（1）安装水锤消除器。在实际施工中，施工人员可选择应用自闭式、下开式、储气式等多种水锤消除器。 当供水系统中的压力急剧增加时，可以泄出部分水体，降低水压，减小水锤峰值。

（2）安装液控缓闭蝶阀。 液控缓闭蝶阀可以对自动快关角度进行预设，其余部分缓慢关闭，有效消除了水锤的危害。 同时，液控缓闭蝶阀的应用还可以有效避免水泵机组发生大反转，保障了水泵机组运行的安全性。

（3）安装缓闭止回阀。 快关止回阀是引发水锤现象的重要因素之一，为避免管道内水体反向流速到达一定数值后止回阀快速关闭，可以安装缓闭止回阀。缓闭止回阀有蓄能式、重锤式两种。在缓闭止回阀的实际使用中， 需要根据管道水体流速等，对其关闭时间进行计算调整，并在阀门关闭70%时，对管线内状况、水泵状况进行分析，在此基础上，确定剩余关阀时间。

（4）安装泄压阀。 泄压阀包括泄压倒阀、主阀、外装部件。 在实际安装中，通常将泄压阀安装在管道系统中的水泵房内便于泄水的位置。当给水系统的压力大于泄压阀设定数值时，倒阀动作，主阀进行泄压； 当给水系统的压力小于泄压阀设定数值时，倒阀、主阀逐渐关闭，使给水系统压力迅速恢复正常，有效防护水锤。

（5）安装水泵旁通管。 旁通管与水泵并联，设有单向阀。 在安装水泵旁通管后，水流方向与给水系统管道的供水方向一致。 当停泵后，水泵运转的速度瞬间减低， 给水系统管道中的水体流速减小，出水口处压力降低， 但水泵吸水口处的压力升高。若出水口的压力小于吸水口处的压力，则单向阀动作，组织水泵出水口处压力的持续降低与水泵吸水口处的压力持续升高，从而有效降低了管道系统水锤压力，起到了水锤防护作用。

本案例设计中，在水池泵房内安装了两个泄压阀：泄压阀A，泄压值设置为1.15 MPa；泄压阀B，泄压值设置为0.65 MPa。 同时，消防泵设缓闭止回阀、水锤消除器，具体如图2 所示。

图2 福安某私人住宅给水系统泄压阀设置

4 结语

综上所述，在建筑给水系统中，受水泵启动、停电、停泵、阀门等多重因素影响，极易引发水锤现象，严重影响了给水系统的安全、可靠运行。为有效进行水锤防护，在分析水锤现象的基础上，阐述了水锤计算的基本方程、水锤特征线法，并结合福安某私人住宅给水系统设计案例，对建筑给水系统的水锤防护措施进行深入探究。以期为其他类似建筑给水系统的水锤防护提供参考。