市政輸配管網水錘現象與防護

李 倩 習興梅

1 引言

給水工程是城市建設中的重要組成部分，而供水管線的布設是市政給水工程中耗資最大的一部分，管線投資往往占總投資的60%左右，必須保證供水管線安全穩定運行，才能確保人民群眾的正常生產生活不受影響。而水錘就是最常見的會危害輸配管網安全運行的現象，特別是當輸配管網鋪設距離長、落差大、水流快、結構復雜時，水錘現象會更加明顯地給整個給水系統帶來危害。在現實生活中，已發生過多起因水錘現象導致的事故，這些事故往往會損壞輸配管網中的設備，甚至導致連鎖反應或危害人身安全。因此了解水錘現象產生的原因，掌握水錘的發展規律，預測水錘的產生并采取科學合理的防護措施防止水錘的出現，對于保障市政輸配管網的安全運行及人民群眾的正常生活有著極為重要的意義。

2 水錘現象產生的原因

水錘現象是一種形象的稱呼，當輸水管道中的水的流速突然改變時，管道內會的水壓也會隨之升高或降低，這種壓力的變化會以振蕩波的形式在管道內傳播，其能量依靠水流與管壁的碰撞來消納，由于這一過程產生的能量極大，因此水流就會與輸水管道產生劇烈碰撞，嚴重威脅輸配網管的安全運行。

既然水錘現象是因為水流與管道的相互作用形成的，那么根據市政輸配管網的特性及經驗分析，可以得出市政輸配管網中水錘現象的產生主要有以下兩個方面的原因：

（1）水流的變化：當安全閥由關閉突然變為開啟狀態時，管道內水流的壓力降低；振動波在水流中的傳播；汽蝕現象的產生導致水流不穩定；管道內部混入氣體或有氣體排出。

（2）輸水管道的變化：管道閥門突然關閉或開啟；輸水管道因其他原因出現破損、凹陷、堵塞；水泵的突然開啟或關閉；與管道相連接的消防栓突然開啟或關閉。

3 水錘現象對市政輸配管網的影響

上文提到，水錘的產生會嚴重危害管道的安全，具體影響有以下幾點：

（1）管道內壓力的突然增大或減小極大地考驗了管道的承受能力，當壓差過大時，可能會在管道內產生氣泡，水流會高速沖向氣泡，形成汽蝕，嚴重的還會導致管道崩塌或爆開。當管道原本存在較小的破損情況時，壓力的瞬間變小可能會使地下管道附近的污染物通過管道的破損處進入管道內部，污染管道內的水源。

（2）水錘現象往往伴隨著局部水流的高速沖擊，這些高速流動的水流會沖擊管道內壁，使得管道內附著的各種物質在此作用下從內壁脫落進入水中，污染市政用水，影響人民的正常生產生活。

（3）水錘現象發生時必定伴隨著振動波的傳播，振動波在管道內傳播時會在其不平整處產生巨大的應力，造成管道間接口處發生移動，在應力的反復作用下，可能會導致輸配水管道及其附屬設備嚴重破損、泄漏和損壞，無法繼續使用。

（4）管道內流體的壓力變化可能會使管道內（尤其是凸起部位）的水流汽化，形成蒸汽腔，產生水柱分離現象。此時若蒸汽腔被附近的水流迅速填充，則會產生巨大的瞬時壓力，可能會導致管道變形甚至出現爆管。

4 水錘的防護措施

4.1 水錘的理論分析

為了采取措施對水錘進行防護，首先應對水錘理論進行分析，管道內壓力變化量的計算遵循以下公式：

其中a為振動波波速，g為重力加速度，H為測壓管水頭，V為管道內流體速度。

當流體在管道內流動時，遵循以下方程：

表1

未作說明的參數含義與上述參數含義相同。

4.2 水錘防護措施

水錘對管道有極大的危害，其防護措施需要從輸配管網的設計和運行兩方面入手，下面介紹了某地區市政輸配管網設計、運行階段的水錘防護措施。

4.2.1 設計階段

在市政輸配管網的設計階段，水錘的防護措施應從減小管道內水流速度、水壓入手，該工程采取的防護措施有以下幾種：

（1）設置調壓塔：調壓塔由水箱、注水管、滿水管組成，單向調壓塔可以防止負壓的產生，雙向調壓塔既可以防止負壓的產生，也可以防止正壓的產生。該地區在設計階段選用了雙向調壓塔，可以避免輸水管道內壓力的大幅度升高或降低，從而消除斷流彌合水錘。

（2）設置空氣閥：空氣閥可以水柱分離現象出現時從外界吸收空氣，防止真空環境的形成，弱化水柱分離現象；當水柱復合時關閉主氣孔，打開小氣孔，防止氣體快速大量排出，減緩水柱復合速度的同時使氣體從小氣孔緩慢排出，防止管內長時間充斥氣體。

（3）設置空氣罐：空氣罐內部充有壓縮空氣，當管內壓力發生突變時，空氣罐內的壓縮氣體可以有效吸收并釋放水錘產生的能量，該地區在設計階段選擇了氣囊式空氣罐，該類型的空氣罐可以有效防止壓縮空氣進入管道內部，可以延長充氣周期，減少維護工作。

（4）安裝止回閥：止回閥只允許流體沿一個方向流動，防止流體向反方向流動，為了減弱某些操作造成的高壓水錘，該工程采用緩閉止回閥，允許流體在管道內局部反方向流動。

（5）設置進排氣閥：該地區輸配管網中的輸水管道坡度為0.08%，根據管路情況，通過計算確定實際施工時每個進排氣閥間距為0.6km。

4.2.2 運行階段

除了設計階段，在市政輸配管網建成后，運檢部門也必須遵循相關規定進行各種操作，最大程度降低水錘發生的幾率，保護輸配管網的安全運行，運行階段主要從以下三個方面進行水錘防護：

（1）開關閥：在運行中需要對開關閥進行操作時，應注意操作速度，盡量緩慢地開啟或閉合閥門，防止管內壓力發生突變，避免水錘現象的產生。

（2）啟泵時的防護：為了避免啟泵時的壓力突變，在啟泵前要確保管道內的氣體已經全部排出。在進行啟泵操作時嚴格遵循以下原則：①啟泵前保證除水泵出口閥門處于開啟狀態；②啟泵時如果管道內沒有流體，應逐個啟泵，嚴禁短時間內大量啟泵。

（3）停泵時防護：停泵應確保水泵出口閥門處于關閉狀態，該地區部分裝設了離心泵，對于離心泵，停泵時不必關緊閥門，但要保證關閉至70%以上再進行停泵操作。

對該地區市政輸配管網進行水錘防護試驗，在最不利工況下進行測試，因管網瞬時狀態時某上游輸水管道承受壓力最大，因此選擇該地段進行監測。該地段裝設了空氣罐及進排氣閥，測試結果如下圖，根據結果可以判斷，該地段管道不存在過壓情況，水錘引起的壓力升高最大值在30m水柱左右，對輸配管網整體安全運行無威脅，可以有效保證市政給水系統的安全運行。

圖1 水錘防護試驗結果

5 結束語

水錘是市政輸配管網中經常出現的一種現象，并且具有很強的破壞性。為了確保城市給水系統的安全運行，必須重視市政輸配管網的設計、施工和運行等各個環節中對水錘的防護，其中不僅僅需要依靠大量的工程經驗，還需要進行大量的數學計算、建模及仿真，才能最大程度上保障管網的安全。