高揚程重力流輸水管道水錘防護方法

王海賓 李鑫 王鑫 于博文

摘 要：近些年隨著經濟的發展，城市化進程日趨加快，跨地域輸水工程越來越多。每一個輸水工程，從項目設計到最終整體使用都耗費人們大量的心血，如何保障輸水工程安全運行受到廣泛的關注，而研究輸水過程中的水錘防護措施對輸水工程的建設具有重大的意義。本文主要針對管道重力流輸水過程中的水錘防護進行了分析，結合實際情況和特點，提出合理可行的水錘防護措施。

關鍵詞：重力流輸水;輸水工程;水錘防護

Abstract：Recently，with the quick development of economy and city constructions，more and more cross-boundary water transfer project appear.A great deal of effort has been made from the design to the end use for water transfer project.Ensuring safe operation of water conveyance projects has attracted wide attention.It has become extremely important to study the method of water hammer protection in water conveyance process.In this study，reasonable and feasible water hammer protection measures are put forward，which based on the analysis of water hammer protection in the process of pipeline gravity flow conveyance.

Key words：gravity flow;water conveyance;water hammer protection

隨著我國工農業現代化建設速度的大幅度提高，淡水資源供求矛盾也日益顯現出來，為了促進不同地域發展，大到跨流域“南水北調”、“引灤入津”、“引黃濟青”等一系列國家大型輸水工程，小到各鄉鎮的小型輸水項目都相繼實施。[1]為了減少工程造價和成本，常常依托自然地形地勢，采用重力流輸水方式。[2]在這種密閉的輸水過程中，往往存在氣液兩相流，從而極易產生壓力震蕩，甚至產生斷流彌合水錘，造成輸水管道的嚴重損害，對人民財產和健康都會造成極大損失。[3]因此，研究總結輸水管道水錘防護具有重要的意義。

1 重力流輸水系統類別

重力流輸水是指在整個輸水過程中的水的傳遞僅依靠重力作用，最大限度利用重力勢能，因此能夠節省水泵機房等建設管理費用，大大降低工藝運行成本。因此當在地勢條件滿足，應當首選重力流輸水方式。[4]重力流輸水可從水力學角度進行分類為：無壓流和承壓流輸水。

1.1 無壓流輸水方式

輸水過程中水的流態與自然河流類似，存在自由水面，水體斷面流速和水深受坡底起伏影響，其水流坡度和管道坡度近乎相同，其末端往往是水池、水庫等容積式輸水構筑物。[5]

1.2 承壓流輸水方式

承壓流輸水過程中水流所受壓力隨著管道距離的增加從初始無壓流慢慢增大，其管道末端系統中存在動水壓力和靜水壓力。動水壓力在水力坡降和管道坡降相近時可以忽略不計，當管道滿管狀態時，靜水壓力為管道兩端的地勢高差。[6]

2 重力流輸水系統水力特點

（1）輸水系統末端壓力大，易產生關閥水錘。重力流輸水系統中管道兩端的高差越大其所需承受的壓力就越大，輸水系統末端的閥門關閉時，管路中會引起較大的壓力震蕩，重力流輸水管線距離長、高差大，水錘波的傳播距離長，導致這種壓力震蕩比平坦管路中發生的壓力震蕩更大。[7]輸水管道中會產生負壓水錘波，使管道內部的部分水流發生汽化，破壞了水流的連續性;負壓波傳遞到管道末端又以正壓波方式回傳，至水柱中斷處引發兩端水柱劇烈碰撞，水錘波在管道中周而復始傳遞，導致管路不斷受到巨大沖擊，極易造成輸水管道爆管事故。

（2）易形成斷流彌合水錘。重力流輸水系統中管道沿線地勢起伏較多，在管路的拐折點及凹凸處容易形成斷流空腔，隨著管道中的斷流空腔不斷增加，就容易產生斷流彌合水錘，其危害性較常規普通水錘危害性更發，特別是在高差較大的運輸過程中，極易造成嚴重管道工程事故。斷流彌合水錘的升壓原理如下，[8]假設管道中的兩股斷流水柱的流速和水頭分別為v1、v2和H1、H2，滿足v1>v2和H1>H2，兩股水流碰撞后形成相同的水流速度為v，方向和v2相反，碰撞后的水頭設為H。其中v和H可以由公式（1）和（2）計算得到：

直接水錘的計算公式為：

由公式（3）可知斷流彌合水錘中的管道內升壓的大小主要取決于兩股水流的彌合速度，水流升壓大小與彌合速度成正比。因此應對管道中可能出現的不同流態進行分析計算，特別是水流發生劇烈變化處如含有微小氣泡或管道高程發生突變處產生的水錘應該更加值得注意，應該采取相應有效的措施，降低水錘升壓，保障管道的輸水安全。

3 水錘防護措施分類

國內外目前對重力輸配水過程中水錘現象開展了較為廣泛的研究，已經形成了較多有效的防護措施，主要有以下幾類：[9]

（1）補水功能設備。在管道輸水過程中產生負壓或管內壓力低于補水設備水壓時，向管道中迅速補水，能夠有效抑制管道內部負壓的形成;

（2）補水補氣功能設備。設備能夠在低壓的時候進行補壓，在超壓的時候能夠及時泄壓，有效控制管道中由于氣囊運動產生的壓力變化;

（3）閥門調節控制設備。利用閥門的開啟與關閉對輸水干管水流速率的變化進行干擾，利用控制閥門的關閉時長可對水錘壓力進行控制。

4 水錘防護設備與特點

4.1 單向調壓塔

單向調壓塔中的水箱帶有浮球，在輸水管道處于負壓條件時，水箱中的單向閥開啟從而向管道中注水，有效防止輸水管道中出現的水柱中斷過程。

特點：對斷流彌合水錘的保護作用有限，對水錘正壓力波的波峰值干擾較小，對水錘的保護效果差，水箱容積大，造價成本高。[10]

4.2 雙向調壓塔

雙向調壓塔有普通雙向調壓塔和箱式雙向調壓塔兩種，由于雙向調壓塔對溢流泄壓安全可靠性更高，反應較為靈敏迅速，在水錘防護工程中應用較為廣泛。[11]當管道中的壓力降低時，雙向調壓塔開始發揮注水作用，提升管道中的壓力，有效避免由于出現水流真空產生的水柱分離問題。若管道內的壓力升高，雙向調壓塔可以利用泄水來降低管道壓力。但是普通雙向調壓塔的安裝高度要求必須超過管道的最高水壓線，而且還需要保證足夠的斷面面積來穩定塔內水位波動，導致普通雙向調壓塔施工困難大，工程造價高。

箱式雙向調壓塔主要是利用塔內面積不同的上下活塞的移動來控制壓力，活塞上部分承受水箱內水壓，活塞下部分承受輸水管道壓力，活塞上部分比下部分面積要大，其面積比值由調壓塔高度和輸水管道內壓力來決定。

假定P1和P2分別為活塞上部和下部的壓強，S1和S2分別為上部和下部活塞面積，因此P1×S1和P2×S2 相對大小決定雙向調壓塔的運行狀態，比值大小決定塔的有效高度。當P1×S1≤P2×S2，活塞正常閉合;當P1×S1>P2×S2，活塞整體向上，泄水降壓;當P1

4.3 超壓泄壓閥

管道內部水力條件的變化造成管道內部壓力變化，超壓泄壓閥在管道內部壓力過高時，泄壓閥門開啟，壓力釋放完成后，泄壓閥自動關閉，能夠有效防止水錘發生。[12]

4.4 注排氣閥

注排氣閥安裝位置一般為管線的凸起部分，它能根據管道內壓力的升高和降低來排出空氣和吸入空氣來保證管道內壓力穩定。其中注空氣閥也是其中的一種，這種閥門只能夠引入空氣，對水錘升壓起到一定的消減和緩沖效果，但是由于不能將多余的空氣排出管道，因此增大了管道維護的工作量。當前效果最好的是恒速緩沖排氣閥，其利用氣缸杠桿及時準確的對排氣閥起到啟閉控制，能夠有效避免傳統的浮球式排氣閥存在的閥口控制不及時的問題。[13]

4.5 空氣罐

空氣罐是將空氣壓縮到金屬水罐中，一般情況下只有在小管徑的輸水管道中才能夠起到一定作用，而且作用有限，因此其應用不廣泛。[14]

4.6 分段增設止回閥

在輸水過程中將輸水管道分成多個小段，在每段增設止回閥，可緩解各管道壓力，能夠在一定程度上對距離較長和起伏較多的管道有較好的防護作用。但是多個止回閥的增設，提高了管道鋪設成本和施工量，增加了運行費用。[15]

5 結論

社會經濟的發展和用水需求量的增加，輸水工程在城市建設中的作用越來越大，其中最重要的是做好管道水錘防護工作。實際的運輸水過程中，水錘的發生是受多種因素影響，應該對管道和工況進行合理的分析，結合實際，合理科學制定相應的水錘預防方案。以后的發展趨是借助信息和自動化控制技術，實現水錘防護技術的發展，調高輸水工程的穩定安全性，促進我國社會和諧穩定發展。

參考文獻：

[1]徐放，李志鵬，鄒順利，等.高揚程泵站停泵水錘防護措施的比較與分析[J].給水排水，2017（12）：106-110.

[2]馬俊彬.高揚程大流量輸水工程的水錘防護研究[J].東北水利水電，2017，35（7）：61-64.

[3]郝新宇，余仁志，厲帥，等.海外跨境長距離輸水工程的水錘防護分析[J].中國給水排水，2017（9）：57-61.

[4]徐放，李志鵬，李豪，等.緩閉式空氣閥口徑和孔口面積比對停泵水錘防護的影響[J].流體機械，2018（3）.

[5]徐放，李志鵬，張明，等.空氣閥內部結構優化與水錘防護分析[J].給水排水，2017，43（10）：99-103.

[6]賈明國.某高揚程長距離供水工程水錘防護措施[J].水利水電技術，2016，47（3）：79-81.

[7]田家琳.旁通裝置在兩種供水工程水錘防護中的分析與應用[J].中國水運（下半月），2017，17（2）：130-132.

[8]邢海仙，閆黎黎，黃暉.長距離多起伏供水管線水錘防護研究[J].云南水力發電，2016，32（3）：64-69.

[9]宋宇，黃源.有壓輸水管道的停泵水錘防護實例分析[J].供水技術，2016，10（3）：42-45.

[10]唐迪，張鑫，王婷婷，等.高揚程水泵小起伏長輸水管線水錘防護方案優選案例分析[J].珠江水運，2017（8）：71-72.

[11]趙莉，宋張馳，汪建平.箱式雙向調壓塔對城市供熱管網的水錘防護分析[J].西安航空學院學報，2016，34（3）：56-60.

[12]董茹，楊玉思，葛光環，等.長距離加壓輸水工程停泵水錘防護方案對比研究[J].給水排水，2016，42（3）：119-121.

[13]蔣琳琳，張炅冏，陳琦瑩.長距離重力流輸水管路水錘防護研究[J].海河水利，2016（4）：53-55.

[14]魏振榮.空氣罐的水錘防護特性及其工程應用[J].東北水利水電，2017，35（6）：67-70.

[15]許從愿，王娟，陶光輝.重力流輸水管道水錘防護設計的探討[J].城鎮供水，2017（1）：81-84.