長距離重力流輸水管道中防水錘技術(shù)分析

辛亞娟

1 概述

目前，我國許多大中城市尤其是北方城市由于當(dāng)?shù)厮Y源缺乏，不能滿足國民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和人民生活水平不斷提高對水的需求，必須興建長距離調(diào)水工程，以緩解水的供需矛盾。管道輸水方式因其具有可隨地形條件鋪設(shè)，對地質(zhì)條件要求不高，滲漏損失小，能保證輸水水質(zhì)，施工方便，造價較低，管理方便等優(yōu)點，常作為設(shè)計者優(yōu)先考慮的方案。因此長距離重力流輸水管路的水錘防護(hù)技術(shù)分析，不僅對供水工程的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，而且對指導(dǎo)供水工程的安全運行也具有十分重要的意義。

2 重力流輸水管水錘防護(hù)分析

輸水管起末端的高度差越大時，有壓重力輸水的可利用水頭就越大，當(dāng)確定輸水設(shè)計流量時，輸水管管徑越小，投資越少，輸水管流速越大，運行時可能引起的水錘升壓就越高。有壓重力輸水在以下三種情況需消減富余能量[1]:1)當(dāng)可利用水頭過大，管中流速超過3 m/s或超過水錘計算所確定的最大流速時;2)起端(如水庫等)水位變幅較大時;3)低于設(shè)計流量運行，輸水管下游管道因壓力增加較多，不利于安全輸水時。

第一，三種情況減壓裝置常設(shè)在輸水管的中下游;第二種情況常設(shè)在輸水管中上游;第一，三種情況設(shè)置的減壓閥對輸水管還具有較好的水錘防護(hù)和減少漏失水量的功能。

多起伏以及落差較大的“U”字形重力流管路系統(tǒng)是否需要減壓和分幾級減壓，主要取決于輸水管總落差的大小和管道的承壓能力。落差越大，管道允許承壓能力越低，需要設(shè)置減壓的級數(shù)就越多。針對重力流管路系統(tǒng)，降低管材承壓等級、減少工程造價，并預(yù)防水錘的發(fā)生是重點;消減關(guān)閥水錘，將借助于緩閉蝶閥和減壓措施，防護(hù)管道某些部位可能產(chǎn)生水柱中斷，以及斷流水錘升壓，減少爆管事故;對于較平坦的管路系統(tǒng)，主要以減壓恒壓閥為降壓措施，用恒速緩沖排氣閥及時排出管道氣體，預(yù)防斷流彌合水錘，避免氣水兩項流的發(fā)生。

3 各類水錘防護(hù)方法的技術(shù)分析

3.1 消能減壓防護(hù)技術(shù)分析

3.1.1 減壓消能原理

靜水中是具有壓力的，作用在單位面積上的靜水壓力為靜水壓強(qiáng)，它隨水的深度增加而增加。靜水壓強(qiáng)的大小，是相對于大氣壓而言的。輸水管道內(nèi)作用在管道內(nèi)壁的靜水壓力，在與大氣相接觸時，即在瞬間，靜壓能量以其他方式轉(zhuǎn)化消耗，此時視管道內(nèi)液體與大氣接觸面的相對壓強(qiáng)為零，即消能構(gòu)筑物必須有與大氣相連接的裝置，并且要達(dá)到簡單和保證飲用水供水安全的目的[2]。輸水管道內(nèi)除去只與水深有關(guān)的靜水壓強(qiáng)外，還存在動水壓強(qiáng)，它不僅與該點的空間位置有關(guān)，還與水的流動有關(guān)。

3.1.2 減壓閥減壓消能分析

重力輸水管管徑按充分利用作用水頭選取，故在設(shè)計流量工況下運行時無剩余能量，在流量低于設(shè)計流量下運行時，水頭損失減少，重力流輸水管路就有了富余能量。在安裝減壓閥的系統(tǒng)中富余能量的大部分由減壓閥自動消除，使管路末端壓力減輕，其原理如圖1所示。

圖1中A1為不安裝減壓閥時的靜水壓線。A2為不安裝減壓閥流量最大時的測壓管水頭線，如果管道上安裝的是減壓恒壓閥，其出口壓力調(diào)節(jié)與不裝減壓閥時的水頭線重合，則A2也是安裝減壓閥后最大流量時的測壓管水頭線，即減壓閥在此流量時不減壓，亦不耗能。A3為較小流量時不安裝減壓閥時的管道壓力線，可見末端管路此時壓力較大。B2是安裝減壓閥后且流量較小時末端(即減壓閥下游)管道壓力線(可見壓力不大)。B1是安裝減壓閥后的靜壓線，可見它遠(yuǎn)小于不裝減壓閥時的靜壓線A1，故安裝減壓閥利于管道安全運行和降低維修成本。根據(jù)《城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)范》可知，減壓閥出口恒壓值根據(jù)最大設(shè)計水量水壓線調(diào)整出口壓力值，可實現(xiàn)在最大設(shè)計流量時不減壓消能，而僅消減小流量運行產(chǎn)生的富余能量。

3.2 關(guān)閥水錘防護(hù)分析

3.2.1 減壓恒壓閥防護(hù)

重力流輸水管道因閥件及管道接頭等漏水、管道爆裂、下游系統(tǒng)正常保養(yǎng)等原因需停運時，絕大多數(shù)采用關(guān)下游出口閥門的方法。結(jié)合圖2說明關(guān)閥過程中減壓閥的水錘防護(hù)作用[3]。由圖2可見，不安裝減壓閥的靜水壓線為 H，而壓力振蕩值為 Δ H，而安裝減壓閥后的管路末端靜水壓力線為 H′，壓力振蕩值為 Δ H′。

對于重力流輸水管，關(guān)閥過程中的流量變化公式如下:

其中，H為重力流輸水管道總作用水頭;Q為重力流輸水管道內(nèi)流量;A為管道比阻;L為管道長度;d為管徑;ζ為末端閥阻力系數(shù)。

設(shè)關(guān)閥前阻力ζ0，最大設(shè)計流量 Q0，則在關(guān)閥過程中流量為:

由于閥門阻力系數(shù)在勻速關(guān)閥過程中不是均勻增加的(一般是在關(guān)閥前60°～70°增大不多，對流量 Q減少也不大，但在以后的20°～30°則突然增加)，故極易造成很大的關(guān)閥水錘。由式(2)可見，管道長度L越大，ζ值對流量的影響越小，越易造成最后突然關(guān)閥時流量最大。而加裝減壓閥后L值僅為減壓閥后的管段，故L值變小，流量 Q值亦減小。由此可見，重力流輸水管安裝減壓閥對水錘防護(hù)作用極大。

3.2.2 緩閉蝶閥防護(hù)

關(guān)閥水錘防護(hù)最簡單有效的方法是延長閥門關(guān)閉的時間，選擇可控制的兩階段關(guān)閉蝶閥。就某一種管道安裝情況來說，應(yīng)考慮幾種可能的解決辦法，這些方法包括:在閥門處布置旁通管;對閥門最后15%～20%開度提供緩沖保護(hù);采用雙速(兩段式啟閉)閥門。延長閥門關(guān)閉(或打開)時間，可以將水錘壓力控制在一定范圍內(nèi)，這對大型閥門是簡單易行的。對于長管線來說，按照控制水錘壓力反算的閥門關(guān)閉(開啟)時間往往較長，達(dá)到5 min～10 min甚至更多，同調(diào)度運用靈活性要求構(gòu)成了矛盾。因此，對長管道的水錘危害問題應(yīng)進(jìn)行專家分析，采用組合方案。

3.3 緩沖排氣技術(shù)分析

長距離輸水管路的高點處或膝部，由于很多原因常常會聚集大量氣體，引起管道氣堵，甚至水流中斷;或者發(fā)生水柱分離水錘，形成液體局部汽化空腔(蒸汽腔)。為了保護(hù)管路，沿管路必要處可設(shè)置進(jìn)排氣閥。根據(jù)氣液兩相流態(tài)分析，造成管道排氣困難及爆管水阻增大等現(xiàn)象的主要是段塞流，故工程實踐中均利用恒壓緩沖排氣閥能滿足管道中水氣相間條件下能連續(xù)大量排氣的要求，從而安全、平穩(wěn)的排出管道中氣體，防止氣阻增大帶來危害。根據(jù)國外相關(guān)技術(shù)資料和國內(nèi)近年來的工程實驗，輸水管道上排氣閥的布置方式為管道坡度小于 1‰時，每隔0.5 km～1.0 km設(shè)一個，每個排氣閥都設(shè)在該管段的最高點，當(dāng)多起伏管道時，可根據(jù)其起伏高度分析是否需要增加，必要時進(jìn)行相應(yīng)的水力計算。

4 結(jié)語

經(jīng)過防護(hù)技術(shù)分析，總結(jié)出長距離重力流輸水工程水錘防護(hù)的主要措施有恒速緩沖排氣閥、恒壓減壓閥并結(jié)合末端兩階段關(guān)閉蝶閥，并推薦將這幾類防護(hù)措施綜合運用到重力流輸水工程中，可以達(dá)到很好的防水錘效果。

[1] CECS 193∶2005，城鎮(zhèn)供水長距離輸水管(渠)道工程技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 肖文淵.長距離大口徑輸水管道綜合式消能井結(jié)構(gòu)技術(shù)研究[D].2003:12.

[3] 楊玉思，潘惠民，何 青.供水系統(tǒng)中大型減壓閥的作用分析[J].中國給水排水，2003，19(7):82-83.

[4] 孫萬功.長距離輸水管道減壓措施研究[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2003(3):57-58.

[5] 任永華.管網(wǎng)疊壓供水設(shè)備原理及應(yīng)用[J].山西建筑，2008，34(22):189-190.