長距離多支線重力原水輸水管道關閥水錘分析及防護措施

楊　雯，歐陽于藍，宋子明，孫亞全

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢　430000)

目前，隨著我國國民經濟的快速發展和城鎮建設的需求日益增加，長距離管道調水工程已經成為解決區域性缺水和水質性缺水必不可少的一部分。長距離輸水管(渠)道工程，是距離超過10 km的用管(渠)輸送原水、清水的建設工程[1]。在長距離重力輸水和長距離壓力輸水中，長距離重力輸水具有工程投資少、維護管理方便、運行費用低等優點，在條件許可的情況下應優先選用。

在重力壓力管流中因流速劇烈變化引起動量轉換，從而在管路中產生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現象，稱為水錘現象[2]。重力輸水管道中無水泵加壓，不存在停泵過程中可能出現的水柱分離及其再彌合問題，其運行過程中需要重點解決管路中閘、閥突然關閉和突然打開產生的水錘問題。即在重力輸水正常運行過程中，因流量調節或者水池檢修等因素，需要將管線末端閥的開度減小甚至關閉時，若關閉程序不當，容易產生較大的水錘壓力，可能引起管道中強烈的振動，從而造成閥門的破壞，管件接頭斷開，甚至導致管路爆管。

為保障城鎮供水水質和城鎮供水安全性，做好水錘防護是長距離重力管道工程安全性的關鍵。本文以云南省某市水庫長距離重力輸水工程為例,說明水錘防護設計需要從工程措施、技術措施、運行管理多方面綜合考慮,并首先考慮工程措施的設計思路,以供類似工程參考。

1　工程概況

云南省某市水庫長距離輸水工程為從水庫水源地向南至1#鎮，在1#鎮分為兩根供水管，一根沿西邊鋪設，途徑1#水廠、3#水廠、5#水廠、7#水廠、9#水廠和10#水廠，最終供至11#水廠配水井；一根沿6#鋪設，途徑2#水廠、4#水廠和6#水廠，最終供至8#水廠取水泵房，輸水規模為15萬m3/d，直線距離總計約159 km，水源區與受水區地面高程高達146.50 m。

水庫取水位：水庫正常蓄水位為2 132.00 m，死水位為2 117.00 m。為保證城市供水水源的取水量，本設計取水位選2 119.00 m(比水庫死水位高2.00 m)作為原水輸水管線的最低設計工作水位。

輸水管線沿途各水廠參數如表1所示。

表1　輸水管線沿途各水廠參數表

本工程全線采用埋地管道輸水，管材主要采用預應力鋼筒混凝土管(PCCP)；KB22+050～KB28+105段地勢高差較大、地形較復雜、工程地質條件較差，KC47+532～KC49+677段地下水位較高，以及局部地質較差或穿越障礙等處采用鋼管(SP)。各個區間輸水管道參數如圖1和表2所示。

圖1　水庫原水供水工程示意圖

編號供水區間供水規模輸水能力/(萬m3·d-1)/萬m3·d-1)/(L·s-1)距離/km管徑/mm壁厚/mm流速/(m·s-1)水力坡降水頭損失/mm1水庫～1#鎮150170119687561001600160980394‰2641501701196875364531600160980431‰172721#鎮～1#水廠150170119687553151400161280878‰5133主干管～1#水廠支管20227262500240600120931432‰03841#水廠～3#水廠1501701196875102281400161280878‰9885主干管～3#水廠支管20227262500831600120931432‰13163#水廠～5#水廠150170119687597761400161280878‰9447主干管～5#水廠支管30340393751355600121393221‰48085#水廠～7#水廠1501701196875109941400161280878‰10629主干管～7#水廠支管707949187532741000141171150‰414107#水廠～9#水廠140158818375088231200141631740‰168911主干管～9#水廠支管606807875009891000141000845‰092129#水廠～10#水廠8090710500010101000141341502‰16713主干管～10#水廠支管20227262500899600120931432‰1421410#水廠～11#水廠606807875035311000141000773‰300151#鎮～2#水廠1501701196875177901400161280878‰171816主干管～2#水廠支管20227262501080600120931432‰170172#水廠～4#水廠150170119687581921400161280878‰79118主干管～4#水廠支管15170196882500500121002129‰586194#水廠～6#水廠1501701196875192841400161280878‰186220主干管～6#水廠支管30340393751050600121393221‰372216#水廠～8#水廠泵房120136115750088591200141391278‰1246合計158573

2　水錘模擬計算

2.1　管線穩態時運行工況(水錘計算初始條件)

本工程為有壓重力輸水管，進行關閥水錘數值模擬研究，以探討末端水廠關閥引起的管路壓力和水錘壓力變化規律，以及合理的水錘防護措施。

根據原水壓力管道平面方案布置圖及簡化的縱斷面圖，建立水錘計算模型。水庫供給各個水廠的全線管線穩態運行時水力坡降線如圖2所示。

由圖2可知，在穩態運行情況下管線中出現的最大管線壓力為140 m，設計中原水輸水管設計壓力為1.60 MPa，根據穩態運行結果，該壓力是符合管線運行壓力要求的。危及管線系統安全的潛在因素是事故關閥而引起的關閥水錘，這也是本設計關注的重點。

2.2　水錘計算

考察從設計起點(某市水庫出水總管)到設計終點(云南省某市各個水廠進水配水井)之間的管段在水錘模擬時間內產生的最高水錘壓力值和最低水錘壓力值所形成的水錘包絡線。根據水錘包絡線判斷是否有超過管道承壓能力的現象。

2.2.1相關參數的選擇與設置

(1)水錘波波速：由于水錘波速與管材、壁厚和管徑等相關，在控制其他條件不變的情況下，根據不同管徑和壁厚得到以下水錘波速，DN1600預應力鋼筒混凝土管道，v=1 027.80 m/s；DN1400預應力鋼筒混凝土管道，v=1 063.80 m/s；DN1200預應力鋼筒混凝土管道，v=1 031.32 m/s；DN1000預應力鋼筒混凝土管道，v=1 050.04 m/s；DN600預應力鋼筒混凝土管道，v=1 111.21 m/s；DN500預應力鋼筒混凝土管道，v=1 135.59 m/s。

(2)計算總歷時：5 000 s。

(3)時間步長：△t=0.1 s。

(4)蒸汽壓力：-97.9 kPa。

(5)波數折減系數：1.000 。

(6)模擬液體：水(20 ℃)，運動黏度(1.004e-0.006)，體積彈性模量(2188 128 kPa)。

(7)材料：PCCP，曼寧系數(0.013)，海森-威廉系數(110)，楊氏模量(20 000 000 kPa),泊松比(0.15)

圖2　水庫到各水廠管線的縱剖面及穩態水力坡度線

2.2.2水錘計算結果分析

本計算只對11個水廠同時關閉閥門產生的關閥水錘進行計算，這種情況下產生的關閥水錘破壞最嚴重。采用美國BENTLEY公司的水錘計算軟件Hammer V8，通過建立管線水錘計算模型，輸入相關參數(包括初始條件和邊界條件)，經過一系列的試算和調試，找到經濟合理的水錘解決方案。

(1)未采取水錘防護措施時工況

從某水庫到沿線11個水廠的管道沿線共設置147個普通排氣閥，平均間距為1 km。在每個水廠的進水管道上安裝快關閥門，事故時11個水廠同時快速關閉閥門。

將上述邊界條件輸入計算模型，得出水錘包絡線如圖3所示。

由圖3可知，在未采取有效防護措施時，一旦發生停泵水錘，全線局部發生負壓，各個水廠的管線最高自由水頭均超過最高值(表3)，超過了CECS193：2005城鎮供水長距離輸水管(渠)道工程技術規程中6.1.4 水錘防護措施設計應保證輸水管道最大水錘壓力不超過1.3～1.5倍最大工作壓力的要求，存在爆管的風險，顯然不符合安全要求。

圖3　未采取水錘防護措施時水庫到各水廠水錘壓力包絡線圖

(2)采取水錘防護措施后的工況

將管線沿線設置的147個普通排氣閥改成168個防水錘復合式排氣閥(真空破壞與排氣閥選擇DN200的普通止回閥改為可多階段關閉的液控緩雙動式排氣閥，空氣入流孔為200 mm，空微量排氣復合閥)，氣流出孔口為20 mm。另外將每條管道末端閉止回閥，分兩階段關閉，先快關，后慢關，共歷時300 s，其關閉規律描述如表4所示。

表4　關閥時間表

同時控制各個水廠的關閥時間，盡量避開同一時間關閥，各個水廠的關閥時間如表5所示。

表5　各水廠間隔關閥時間表

將上述邊界條件輸入計算模型，得出各個水廠的水錘包絡線如圖4所示。

由圖4可知，當采取適當的水錘防護措施后，如果發生11個水廠同時關閥，管線最高自由水頭壓力值(表6)，滿足規范要求，且全管無負壓，方案基本可行，滿足規范要求。

圖4　采取水錘防護措施后水庫到水廠的水錘壓力包絡線

水廠水頭/m水廠水頭/m水廠水頭/m1#1602#1803#1624#1815#1796#1807#1828#1819#18110#16311#193

(3)水錘分析

當重力輸水管道中各個水廠的閥門關閉時，閥門處會產生較大的水錘壓力。采用HAMMER V8模擬無優化和優化兩種情況下各個水廠閥門壓力的變化情況，如圖5所示。由圖5可知：①無論是管道末端同時快速關閥還是優化關閥過程的關閥方式，閥門處的壓力均有升有降，基本是先升高后降低，壓力波動反復發生，但升降幅度隨著時間的增加而越來越小；優化關閥后在閥門處產生的最大壓力均小于未優化的情況；②在未進行優化的情況下，各個水廠的閥門處均產生了負壓，這與前文中壓力包絡線的結果一致；③未優化的關閥方式下產生的水錘壓力升降幅度大，并且在整個6 000 s的計算歷時內均產生波動。而在采用優化方式關閥時可以發現，在前3 000 s內水錘壓力的升降波動情況并不大，呈現一個整體上升的趨勢，這主要是因為，在前3 000 s內的整個管道系統中，總有閥門未完全關閉，導致整個管道系統中未產生較大的水錘壓力升降。但是按照各水廠錯開關閥的要求可以發現，在各個水廠各自閥門關閉時，還是在閥門處產生了較小的水錘壓力波動。

圖5　閥門處各個水廠壓力變化圖

在3 000 s最后一個關閥的水廠完成關閥后，形成了整個關閥過程中最大的一個水錘壓力的變化。因此，可以得出結論：①采用緩閉關閥方式與各個水廠錯開時間關閥方式的結合可以減小水錘壓力變化，減小對閥門以及管道的壓力；②在所有閥門未完全關閉前不會產生較大的水錘壓力變化，但是水錘壓力會呈現不斷升高的趨勢，只有在最后一個閥門關閉時才會產生最大的水錘壓力變化，水錘最大的壓力變化推遲到了最后一個閥門關閉時，因此，也可以看出，如果總有一個閥門不關閉，這在管路系統中，均不會產生太大的水錘壓力；③多支線多水廠關閥過程中水錘壓力的變化是相互影響的，同時也具有統一性。

3　水錘防護措施及建議

(1)對于長距離大落差的重力流管道，管道末端控制閥不同的關閥時間和方式會對水錘防護有不一樣的效果，以往通常采用緩閉關閥方法。

(2)對于多支線重力壓力輸水管路，當管路無任何水錘防護措施情況下，同時關閉主干線及各支線末端水廠調流閥的數量越多，管路的最大壓力和水錘正壓越大。所有水廠發生事故同時關閥，沿線管路產生的壓力最大。因此，當所有水廠必須關閥時，建議錯開時間關閥。

(3)對于線路長、沿線起伏變化大的重力流輸水管路，每間隔0.5～1 km安裝一個具有進/排氣功能的空氣閥，可滿足管路產生負壓、首次充水及放空的進氣和排氣，在駝峰和向上凸起的拐點處適量增設空氣閥，防止管路中產生水柱分離[3]。超壓泄壓閥通常安裝在管路末端高程較低點或者管路中部某些壓力較大處，其公稱直徑按管道直徑的1/5～1/4選取，界限壓力應等于或大于最大正常使用壓力加0.15～0.2 MPa[4]。對于本文的輸水工程，通過在管路中設置空氣閥，在水錘壓力較高處安裝超壓泄壓閥，可以降低管路沿線最大壓力，使主干線末端的水錘升壓得到大幅度控制，避免水錘壓力過高而發生異常事故，保證管路的安全運行。

[1]趙小利，高雙強，吳釗，等.長距離重力流壓力輸水工程水錘防護設計探討[J].水利與建筑工程學報，2012,10(3):88-91.

[2]王超，陳文立，康學飛.長距離重力輸水工程中水錘防護措施的對比研究[J].供水技術,2013,7(3):25-28.

[3]楊玉思，李樹軍，辛亞娟.長距離大管徑重力流輸配水管道水廠防護方法討論[J].給水排水,2008,34(10):121-125.

[4]孫巍，張文勝.長距離重力流輸水管道關閥水廠防護措施分析[J].給水排水,2014,40(7):102-104.