長距離有壓輸水系統防水錘設計探析

楊 宇

(遼寧省水利水電勘測設計研究院， 遼寧 沈陽 110001)

長距離有壓輸水系統防水錘設計探析

楊 宇

(遼寧省水利水電勘測設計研究院， 遼寧 沈陽 110001)

以遼寧省大伙房水庫二期工程為研究背景，在對長距離有壓輸水工程中水錘現象產生的原因進行分析的基礎上，提出了設置2座單向調壓塔和6座雙向穩壓塔防止水錘效應發生的思路和方法。

長距離；有壓輸水；水錘防護；系統設計

水錘現象經常見于水利工程中，是指由于水泵突然的啟停或者閘門的開關而在管道內產生的嚴重水力作用。由于管道內壁具有較高的光滑度，當特殊工況(水泵由開轉停，閥門由開轉關)發生時，管道內水流在慣性作用下連續沖擊閥門和泵，在極短時間內水力驟增，管道局部壓強可達平時數值的幾十倍，被稱為“正水錘”，其破壞力極大。而當與之相反的工況(水泵由閉轉開，閥門由關轉開)發生時，管網壓力迅速減小，造成負壓環境，稱為“負水錘”。同樣會對管道的結構安全和正常運行造成不利影響，工程實際中要引起足夠重視。

1 工程概況

大伙房水庫二期工程起于撫順大伙房水庫，止于盤錦，橫跨撫順、沈陽、鞍山、遼陽、營口五座城市，并沿途向這些城市供水，保障區域內正常生產生活的進行。整個二期工程全程長度達253km，屬長距離、大流量全程密閉有壓輸水工程。隧洞采用大直徑一次成型工藝，直徑達6m。內部管道分兩段，上游段PCCP材質管道長154km，下游段玻璃鋼材質管道長71km。工程配備有5座配水站和1座加壓泵站、2座單向調壓塔和6座雙向穩壓塔。值得注意的是，工程全段無中間蓄水池，如不采取有效措施防止水錘效應的發生，很可能在管道轉彎處、泵及閥門部位產生較大水力作用，導致閥門和連接件的損壞、水泵的回轉及管體的內陷甚至爆管等嚴重事故的發生，從而影響整個輸水系統的安全性。

2 水錘防護系統設計

該工程正水錘易出現于因事故關閥、停泵的分水泵站處，而取水泵站處由于關閥、停泵會產生負水錘。在兩個泵站之間的管段往往在不同部位有同時產生正負水錘的可能性。本文水錘防護系統主要從以下幾個方面來闡述：

2.1 雙向穩壓塔防護方案

工程共設置6座雙向穩壓塔。一號穩壓塔(溢流高度為120.0m)位于撫順配水站樁號6+300處；二、三號穩壓塔(溢流高度各為102.0m、98.0m)分別位于沈陽配水站樁號45+550和55+600處；四號穩壓塔(溢流高度為80.0m)位于遼陽配水站樁號77+960處；五、六號穩壓塔(溢流高度各為68.0m、66.0m)分別位于營盤配水站樁號100+496和樁號140+000處。特別的，為保證輸水的可靠性和連續性，在上游干線(劉山隧洞出口至鞍山加壓泵站段)，完全采用重力流雙向并行供水。

由于工程主管線上游水流量和梯度差較大，是防止水錘現象發生的重點段位，如圖1所示，在此以沈陽(2)凈水廠至3號穩壓塔隔斷閥動作設計為例，進行雙向穩壓塔防水錘方案的重點闡述。

圖1 沈陽(2)凈水廠至3號穩壓塔及其隔斷閥布置

圖中沈陽(2)凈水廠至3號穩壓塔之間建設有兩條并行管路，1號管路由閥1和閥2控制，全程17.0km，2號管路由閥3和閥4控制。需要對1號管路進行檢修時，可通過隔斷閥2切斷1號管路水流。鑒于管道的對稱性，需要對2號管路進行檢修時，可通過閥4切斷2號管路水流，因兩者水力過渡過程相同，隔斷閥前后壓力變化過程如圖2所示。

圖2 隔斷閥前后壓力變化過程

可知：當操作管路末端閥2或閥4時，在確保隔斷閥操作正確無誤情況下，將操作時間定為900s，最大壓力出現在閥前850m處，數值為61.5m水柱高度，最低壓力出現在閥后相應距離，數值為13.4m水柱高度。可見高低壓數值均在管路可接受壓力范圍內，水錘現象不明顯，符合管道校核內水壓標準。

設置雙向穩壓塔是供水系統防水錘的可靠方法，能有效消除或減輕水錘的不利影響，保證供水管路的安全運行。但是，雙向穩壓塔的出水口高度必須達到相當數值(一般在40～50m)才能發揮較好調壓效果，造成工程投資多、技術難度大，一般大型輸水系統會采用，而小型供水系統多傾向于單向塔防護。

2.2 單向調壓塔防護

如果在短時間內快速開關閥門或開停泵，會造成水流速度急速上升、水位高度快速升降以及管網壓力的顯著變化，尤其當突然停泵時較易引起水錘,一旦發生會引起水泵反轉、管網壓力降低等，對管道、水泵、閥門等裝置和部件造成損毀。

鑒于大伙房水庫二期工程長度長、落差大，為了解決沿線負壓問題,防止如水泵的抽水斷電事故或配水站閥門關閉突發等事故產生的負壓破壞輸水管道，在考慮未來供水要求前提下，比較了多種設塔方案的技術經濟指標后,決定將兩座塔身直徑分別為4.5m及5.5m的單向調壓塔設置于營盤配水站出口與鞍山加壓站出口。

單向調壓塔在輸水管道上的裝設位置一般位于加壓泵后，如圖3所示。

圖3 單向塔裝設位置

管路正常運行時需關閉單向塔逆止閥，使其與主管道隔離，一旦管網壓力降低至單向塔正常水位以下，打開逆止閥向管網補水，抵消管網負壓。根據實測，操作單向塔逆止閥時，鞍山加壓站泵前后壓力變化情況如圖4、圖5所示。

圖4 鞍山加壓站泵前壓力變化情況

圖5 鞍山加壓站泵后壓力變化情況

可知：最大動水壓力出現在鞍山加壓站泵前300m、600m處，壓力值分別為52.0m和49.5m，最小動水壓力出現在泵后200m、100m前后，壓力值分別為22.8m和35.5m，管網內水壓力均滿足設計要求，安全余量較富余，無明顯水錘效應產生。同時為提高閥門聯動可靠性，需延長關閥時間，采用600s關閥。

因此，本工程中單向塔的應用是符合工程實際和設計要求的。不僅能預防管道內液柱分離、控制負壓,還可以充分發揮其結構簡單、高度低、成本小的優勢。

2.3 空氣閥輔助防護

抑制和消除管道負壓的另外一種較為有效的方法是在管網適當位置設置空氣閥。此外，在管道運行及檢修時，空氣閥還有充、排氣作用，可輔助調節管內壓力。該工程輸水系統主管線每隔800m設置一套空氣閥裝置，共有1000多個不同類型、尺寸的常壓排氣閥、真空吸氣閥和復合式空氣閥協同作用來解決管道中出現的進、排氣問題。

3 工程應用建議

結合工程實際特點和經濟技術性能進行分析，總結了以下幾點建議：

a.當切換雙向穩壓塔隔斷閥時，在確保隔斷閥操作正確的前提下，適當加大關閥時間，管網內水壓波動均不超過設計范圍，正、負水錘現象可基本消除。

b.鑒于工程線路長、流量大，實測中發現，沈陽(2)凈水廠以600s關閥時，閥門處最大動水壓力數值達78.5m，超過了設計上限，比較危險。可將關閥時間延長到900s或1200s，也可通過更換管路相應部位管材的方式提高抗壓標準。

c.根據以往爆管事故經驗，出于安全余量和確保系統安全運行的考慮，在輸水線路上幾大凈水廠、配水站和加壓泵站關閥時，均應適當減緩關閥時間，以此減輕水力波動在管網內造成的水壓。

4 結 語

長距離輸水系統的水錘防護關系到整個供水系統的安全運行，本文中大伙房水庫二期工程擔負著向遼寧中部幾大城市供應市民日常生活用水的重任，必須采取措施努力消除輸水管網中水錘產生的苗頭。根據現場數據實測資料分析，全線設置的2座單向調壓塔和6座雙向穩壓塔完全可以防止管網中水錘效應的發生，為類似水利輸水工程在防水錘系統設計方面提供了一定的技術參考。

[1] 呂歲菊.有壓輸水系統停泵水錘數值模擬及其防護研究[J].人民黃河，2013(11).

[2] 王超.李家河水庫重力流輸水工程的水錘防護研究[J].供水技術，2013(08).

[3] 劉梅清，孫嵐鳳，周龍才，等.長管道泵系統中空氣閥的水錘防護特性模擬[J].武漢大學學報(工學版)，2004(37).

[4] 姚青云.泵出口附近設單向調壓塔水錘的防護計算[J].寧夏工程技術，2005，(12).

[5] 馬世波,徐華新,朱偉.單向穩壓塔在長距離輸水工程水錘防護中的應用研究[J].水利建設與管理,2012(S1):29-32.

[6] 韓建軍,唐迪,王新亮.管線改造及調節水泵轉動慣量的長輸水管線水錘防護[J].水利建設與管理,2012(S1):33-35，28.

Analysis on water hammer resistance design of long-distance pressure water conveyance system

YANG Yu

(InvestigationandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropowerLiaoningProvince,Shenyang

110000,China)

Dahuofang Reservoir Stage II Project in Liaoning Province is adopted as research background for analyzing causes of water hammer phenomena in long-distance pressure water conveyance project.On the basis,two one-way pressure regulating towers and six two-way pressure regulating towers are set for preventing water hammer effect.The idea and method are proposed.

long distance;pressure water conveyance;water hammer prevention;system design

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2015.09.011

TV672

A

1005-4774(2015)09-0035-03