長(zhǎng)距離重力流輸水管線水錘防護(hù)設(shè)計(jì)探討

鄧特剛，李海強(qiáng)，李 鵬，袁彥斌 ，鐘坤平，唐偉軍

（1.天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津市 300122;2.貴州塘旺機(jī)電技術(shù)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550003）

1 水錘危害與防護(hù)措施

當(dāng)前，隨著城鎮(zhèn)化與各類園區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，供水需求越來(lái)越大，而且存在較多的長(zhǎng)距離輸水工程。在此類工程設(shè)計(jì)中，水錘防護(hù)考量是保證工程安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要一環(huán)。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(chǎn)生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象。其中，尤其以水柱分離和斷流空腔再?gòu)浐纤N的破壞更為嚴(yán)重[1]，造成爆管、設(shè)備、閥件損壞等。

為預(yù)防水錘危害，通常采用針對(duì)水錘可能發(fā)生的工況而采取有針對(duì)性的水錘防護(hù)設(shè)備及工程措施，并在運(yùn)行過(guò)程中規(guī)范操作，避免水錘的產(chǎn)生或降低其影響。工程常用的水錘防護(hù)設(shè)施有：空氣罐、調(diào)壓塔（單向、雙向）、空氣閥、超壓泄壓閥等[1-3]。各類設(shè)施有其特點(diǎn)與適用條件，需要工程人員依實(shí)際條件進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選確定。

本文結(jié)合水錘工況及現(xiàn)場(chǎng)施工與管理?xiàng)l件，擬主要采用空氣閥和水擊泄放閥，并輔以末端緩閉關(guān)閥措施，下文以某工程為例分析水錘防護(hù)設(shè)計(jì)。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(fù)壓時(shí)即迅速開(kāi)啟，吸入大量的空氣，破壞真空，防止負(fù)壓產(chǎn)生，而當(dāng)壓力波返回，壓力升高，在恢復(fù)正壓時(shí)自動(dòng)關(guān)閉高速孔口，不高速排氣，但將通過(guò)微量孔口緩慢排除高速吸進(jìn)的空氣，以延長(zhǎng)排氣時(shí)間，起到保護(hù)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(hù)裝置，當(dāng)發(fā)生水錘升壓時(shí)，水擊泄放閥能夠迅速地響應(yīng)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(xiàng)目概況

某園區(qū)供水工程4萬(wàn)m3/d，水源取自水庫(kù)水，引水至供水廠處理后為園區(qū)提供生產(chǎn)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(xiàn)狀地形，利用本身水頭，根據(jù)設(shè)計(jì)流量，敷設(shè)雙排DN500輸水管線，單管管線長(zhǎng)約12.8 km，管線最大靜高差約265 m,水庫(kù)取水點(diǎn)為高點(diǎn)，接管標(biāo)高約359.5 m，中途有低點(diǎn)起伏，供水廠設(shè)計(jì)流程充分考慮末端可利用的水頭。管道沿線主要為山區(qū)，管線敷設(shè)、構(gòu)筑物與設(shè)備的選擇要考慮易于維護(hù)和水質(zhì)安全。由于沿線高程起伏，為滿足重力流輸水，沿線低點(diǎn)不采取減壓消能措施，利用管材承壓解決，在末段高點(diǎn)之后再采取消能措施，減少日常動(dòng)力費(fèi)用。

3 水錘分析

3.1 水錘計(jì)算參數(shù)與模型

根據(jù)項(xiàng)目調(diào)研與數(shù)據(jù)收集，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，確定設(shè)計(jì)條件與參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水錘模擬主要計(jì)算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)狀地形數(shù)據(jù)和初步設(shè)計(jì)方案，建立水錘分析數(shù)學(xué)模型及輸水管線斷面圖，如圖1所示（起點(diǎn)里程樁號(hào)為K0）。本工程采用重力流輸水形式，以末端閥門開(kāi)關(guān)引起水錘最為嚴(yán)重[4]，主要分析解決此種水錘破壞與防護(hù)。

圖1 輸水管線系統(tǒng)斷面圖

3.2 穩(wěn)態(tài)工況分析

首先，分析穩(wěn)態(tài)工況下的管段靜態(tài)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，包括流量、沿程損失、局部損失、流速和水力坡度。分析穩(wěn)態(tài)工況下的節(jié)點(diǎn)運(yùn)行參數(shù)，可得出各節(jié)點(diǎn)壓力，用于指導(dǎo)管材耐壓等級(jí)的確定與優(yōu)化。圖2中藍(lán)線為管道走勢(shì)線，綠線為水擊包絡(luò)線，紅線為穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的壓力線，下同。

圖2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行水力坡度線（高、低水位情形）

3.3 無(wú)水錘防護(hù)措施工況分析

（1）開(kāi)閥工況：末端閥門5 s和30 s開(kāi)閥工況下水錘模擬見(jiàn)圖3。

圖3 全線水擊包絡(luò)線圖（上圖5 s、下圖30 s開(kāi)啟）

（2）關(guān)閥工況：末端閥門30 s和60 s關(guān)閥工況下水錘模擬見(jiàn)圖4。

圖4 全線水擊包絡(luò)線圖（上圖30 s、下圖60 s關(guān)閥）

3.4 水錘防護(hù)分析

從上述未采取任何水錘防護(hù)措施的工況分析，輸水管線局部凸起點(diǎn)存在負(fù)壓，管道沿線則有比較嚴(yán)重的水錘升壓，對(duì)于末端閥門處則有壓力的交替波動(dòng)，水頭數(shù)值從70～230 m,隨閥門緩閉時(shí)間的延長(zhǎng)而有所緩解。本著既易于實(shí)施，又節(jié)省用地與投資的原則，為解決高點(diǎn)形成的負(fù)壓以及“斷流彌合水錘”，在輸水系統(tǒng)局部高點(diǎn)處設(shè)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(kāi)閥工況：末端閥門5 s和60 s開(kāi)閥工況下水錘模擬見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 全線水擊包絡(luò)線圖（上圖5 s、下圖60 s開(kāi)啟）

圖6 樁號(hào)k10+047～k10+699段水擊包絡(luò)線圖（上圖5 s、下圖60 s開(kāi)啟）

（2）關(guān)閥工況：末端閥門5 s關(guān)閥工況下水錘模擬見(jiàn)圖7。

圖7 全線水擊包絡(luò)線圖（末端閥門5 s關(guān)閉）

通過(guò)水錘分析看出，在增加相應(yīng)防水錘設(shè)備后，管道全線無(wú)負(fù)壓，正壓升壓不高，末端閥門處的壓力控制在1.16倍以內(nèi)，低于技術(shù)規(guī)程中的1.3～1.5倍最大工作壓力[5]，滿足管道運(yùn)行安全要求。

4 設(shè)計(jì)方案

本工程長(zhǎng)距離重力流輸水管線系統(tǒng)主要設(shè)置有檢修閥門，并在進(jìn)入供水廠處理構(gòu)筑物前設(shè)置有控制閥門，產(chǎn)生水錘主要成因是末端控制閥門的動(dòng)作。根據(jù)水錘模擬，在高點(diǎn)設(shè)置防水錘空氣閥（共計(jì)18處，口徑DN100 mm），在水錘升壓較高點(diǎn)位設(shè)置水擊泄放閥（共計(jì)3處，壓力等級(jí)分別為4.0 MPa、2.5 MPa和1.6 MPa），在末端設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，可以達(dá)到水錘防護(hù)要求。根據(jù)地形條件，為更好地控制進(jìn)入供水廠的水量與水頭，同時(shí)降低后續(xù)管道壓力及水錘影響，在最后一個(gè)高點(diǎn)位置設(shè)置消能井。通過(guò)對(duì)不同時(shí)長(zhǎng)的開(kāi)閥與閉閥模擬，可知緩閉緩開(kāi)均可有效減少管內(nèi)壓力波動(dòng)，降低水錘影響，末端閥門采用緩閉型，并盡可能延長(zhǎng)關(guān)閥時(shí)間。

對(duì)于設(shè)計(jì)以外的施工與管理，也應(yīng)嚴(yán)格管理，做到全過(guò)程有效保障。對(duì)于管材采購(gòu)及管道施工，均應(yīng)保證質(zhì)量，避免管道本身存在薄弱環(huán)節(jié)而發(fā)生爆管等事故。在輸水管道第一次充水啟動(dòng)、短期停水、流量調(diào)節(jié)、供水廠檢修等運(yùn)行操作過(guò)程中，均應(yīng)按照《城鎮(zhèn)供水長(zhǎng)距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程》的系統(tǒng)運(yùn)行要點(diǎn)進(jìn)行操作，同時(shí)，結(jié)合本身工程特點(diǎn)，積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，降低非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的水錘影響，保障供水安全可靠。

5 結(jié)論及建議

長(zhǎng)距離重力流輸水管線應(yīng)用中應(yīng)重視水錘設(shè)計(jì)與防護(hù)，要因地制宜采用合理的措施。本工程通過(guò)水錘模擬，經(jīng)優(yōu)化調(diào)整，確定設(shè)備選型與管材壓力等級(jí)，在管道系統(tǒng)中盡量減少設(shè)備，通過(guò)空氣閥及泄壓閥以及閥門延緩動(dòng)作降低水錘升壓低于1.3倍最大工作壓力，既節(jié)省工程投資，又易于管理維護(hù)，保證供水工程的安全可靠。建議在類似工程中，應(yīng)制定全過(guò)程水錘防護(hù)方案，各參建單位保持良好地溝通，做到設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理全過(guò)程協(xié)調(diào)。