長距離重力流輸水管線水錘防護設計探討

鄧特剛，李海強，李 鵬，袁彥斌 ，鐘坤平，唐偉軍

（1.天津城建設計院有限公司，天津市 300122;2.貴州塘旺機電技術有限公司，貴州 貴陽 550003）

1 水錘危害與防護措施

當前，隨著城鎮化與各類園區經濟的發展，供水需求越來越大，而且存在較多的長距離輸水工程。在此類工程設計中，水錘防護考量是保證工程安全穩定運行的重要一環。由于水的慣性和可壓縮性，在壓力管流中，因流速劇烈變化而產生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現象。其中，尤其以水柱分離和斷流空腔再彌合水錘的破壞更為嚴重[1]，造成爆管、設備、閥件損壞等。

為預防水錘危害，通常采用針對水錘可能發生的工況而采取有針對性的水錘防護設備及工程措施，并在運行過程中規范操作，避免水錘的產生或降低其影響。工程常用的水錘防護設施有：空氣罐、調壓塔（單向、雙向）、空氣閥、超壓泄壓閥等[1-3]。各類設施有其特點與適用條件，需要工程人員依實際條件進行經濟技術比選確定。

本文結合水錘工況及現場施工與管理條件，擬主要采用空氣閥和水擊泄放閥，并輔以末端緩閉關閥措施，下文以某工程為例分析水錘防護設計。防水錘型空氣閥用于水泵出口及給水、排水管線中，在管路降低到大氣壓力以下很小負壓時即迅速開啟，吸入大量的空氣，破壞真空，防止負壓產生，而當壓力波返回，壓力升高，在恢復正壓時自動關閉高速孔口，不高速排氣，但將通過微量孔口緩慢排除高速吸進的空氣，以延長排氣時間，起到保護輸水管路免遭“水柱拉斷型斷流彌合水錘”破壞的作用。水擊泄放閥則作為一種后保護裝置，當發生水錘升壓時，水擊泄放閥能夠迅速地響應水錘壓力泄除多余的高壓，從而將水錘破壞降低到最低限度。

2 項目概況

某園區供水工程4萬m3/d，水源取自水庫水，引水至供水廠處理后為園區提供生產生活用水。原水輸水管線途徑沿線主要為山地，地形起伏較大。充分考慮現狀地形，利用本身水頭，根據設計流量，敷設雙排DN500輸水管線，單管管線長約12.8 km，管線最大靜高差約265 m,水庫取水點為高點，接管標高約359.5 m，中途有低點起伏，供水廠設計流程充分考慮末端可利用的水頭。管道沿線主要為山區，管線敷設、構筑物與設備的選擇要考慮易于維護和水質安全。由于沿線高程起伏，為滿足重力流輸水，沿線低點不采取減壓消能措施，利用管材承壓解決，在末段高點之后再采取消能措施，減少日常動力費用。

3 水錘分析

3.1 水錘計算參數與模型

根據項目調研與數據收集，進行數據分析，確定設計條件與參數見表1。

表1 水錘模擬主要計算參數

根據現狀地形數據和初步設計方案，建立水錘分析數學模型及輸水管線斷面圖，如圖1所示（起點里程樁號為K0）。本工程采用重力流輸水形式，以末端閥門開關引起水錘最為嚴重[4]，主要分析解決此種水錘破壞與防護。

圖1 輸水管線系統斷面圖

3.2 穩態工況分析

首先，分析穩態工況下的管段靜態參數和運行參數，包括流量、沿程損失、局部損失、流速和水力坡度。分析穩態工況下的節點運行參數，可得出各節點壓力，用于指導管材耐壓等級的確定與優化。圖2中藍線為管道走勢線，綠線為水擊包絡線，紅線為穩態運行時的壓力線，下同。

圖2 穩態運行水力坡度線（高、低水位情形）

3.3 無水錘防護措施工況分析

（1）開閥工況：末端閥門5 s和30 s開閥工況下水錘模擬見圖3。

圖3 全線水擊包絡線圖（上圖5 s、下圖30 s開啟）

（2）關閥工況：末端閥門30 s和60 s關閥工況下水錘模擬見圖4。

圖4 全線水擊包絡線圖（上圖30 s、下圖60 s關閥）

3.4 水錘防護分析

從上述未采取任何水錘防護措施的工況分析，輸水管線局部凸起點存在負壓，管道沿線則有比較嚴重的水錘升壓，對于末端閥門處則有壓力的交替波動，水頭數值從70～230 m,隨閥門緩閉時間的延長而有所緩解。本著既易于實施，又節省用地與投資的原則，為解決高點形成的負壓以及“斷流彌合水錘”，在輸水系統局部高點處設置防水錘型空氣閥。為更好地防止輸水主管沿線的水擊升壓，在輸水主管低洼處及輸水主管末端閥門前安裝水擊泄放閥。

（1）開閥工況：末端閥門5 s和60 s開閥工況下水錘模擬見圖5、圖6。

圖5 全線水擊包絡線圖（上圖5 s、下圖60 s開啟）

圖6 樁號k10+047～k10+699段水擊包絡線圖（上圖5 s、下圖60 s開啟）

（2）關閥工況：末端閥門5 s關閥工況下水錘模擬見圖7。

圖7 全線水擊包絡線圖（末端閥門5 s關閉）

通過水錘分析看出，在增加相應防水錘設備后，管道全線無負壓，正壓升壓不高，末端閥門處的壓力控制在1.16倍以內，低于技術規程中的1.3～1.5倍最大工作壓力[5]，滿足管道運行安全要求。

4 設計方案

本工程長距離重力流輸水管線系統主要設置有檢修閥門，并在進入供水廠處理構筑物前設置有控制閥門，產生水錘主要成因是末端控制閥門的動作。根據水錘模擬，在高點設置防水錘空氣閥（共計18處，口徑DN100 mm），在水錘升壓較高點位設置水擊泄放閥（共計3處，壓力等級分別為4.0 MPa、2.5 MPa和1.6 MPa），在末端設置流量調節閥，可以達到水錘防護要求。根據地形條件，為更好地控制進入供水廠的水量與水頭，同時降低后續管道壓力及水錘影響，在最后一個高點位置設置消能井。通過對不同時長的開閥與閉閥模擬，可知緩閉緩開均可有效減少管內壓力波動，降低水錘影響，末端閥門采用緩閉型，并盡可能延長關閥時間。

對于設計以外的施工與管理，也應嚴格管理，做到全過程有效保障。對于管材采購及管道施工，均應保證質量，避免管道本身存在薄弱環節而發生爆管等事故。在輸水管道第一次充水啟動、短期停水、流量調節、供水廠檢修等運行操作過程中，均應按照《城鎮供水長距離輸水管（渠）道工程技術規程》的系統運行要點進行操作，同時，結合本身工程特點，積累運行經驗，降低非穩態狀態下的水錘影響，保障供水安全可靠。

5 結論及建議

長距離重力流輸水管線應用中應重視水錘設計與防護，要因地制宜采用合理的措施。本工程通過水錘模擬，經優化調整，確定設備選型與管材壓力等級，在管道系統中盡量減少設備，通過空氣閥及泄壓閥以及閥門延緩動作降低水錘升壓低于1.3倍最大工作壓力，既節省工程投資，又易于管理維護，保證供水工程的安全可靠。建議在類似工程中，應制定全過程水錘防護方案，各參建單位保持良好地溝通，做到設計、施工、運營管理全過程協調。