長距離輸水管道的水錘防護設計

張舒婕

摘 要： 以廈門市《西水東調原水管道工程》為例，對該原水管線系統進行水力過渡過程仿真計算，分析常用的水錘消除措施，進而分析最優的水錘防護方案。

關鍵詞： 水錘;水錘計算;分析建模;防護措施

1 概述

西水東調原水管道工程設計內容為規模25萬m3/d原水提升泵站一座及DN1600原水管道約20km。由于本工程供水系統復雜，全線長距離有壓供水，水泵的啟動和事故停泵及受水廠的閥門動作，都會產生水力瞬變現象，輕則導致相鄰管路出現非正常供水，重則導致爆管事故，破壞整個輸水系統的正常運行。因此，需要進行水力過渡過程計算，以對全系統的運行可靠性和危險工況進行預測，為輸水系統結構布置、泵站和各類閥門的運行調節提供安全保證與科學準則。

2 水錘計算方法

本工程利用Bentley Hammer內部水力模型計算方法，通過各種邊界條件的設置，模擬水錘波的傳播，分析管道內部壓力變化。水錘波通常是指管內水壓的快速變化，與管道流量的變化直接相關，并以聲速（計入水的可壓縮性和管壁的彈性）在管道內傳播。當到達管路系統的相關水力邊界時，水錘波一部分繼續向前傳播，一部分則被反射，此類水力邊界主要有管道的聯接節點、水泵、閥門、管線盲端以及水錘防護裝置（各種相關設備以及措施）等。

3 水錘分析建模

以取水泵站為起點，水廠為終點，通過建立模型，得到如下管道剖面線以及水力坡降線：

由圖1可以看出，本工程輸水水力條件有以下特征：

（1）管線長，為點對點的供水，沿線無分支分叉;

（2）沿線陸域段沿海邊敷設，沿線高程相差不大;

（3）管道末端進水廠時，管道有個陡升的過程，管中心標高從8m升至25.1m;

（4）沿線過障礙局部頂管段，沉管過海段管位埋設較深，從埋管段至頂管或沉管段的接口處管道高程有陡降或陡升。

4 無防護措施的水泵抽水斷電過渡過程

該工況為沒有排氣閥且泵房事故停電，所有水泵立即同時關停，為系統最不利工況。

圖2中上面的圖示為管線產生氣穴的示意圖;圖2下面的圖示中黑實線代表管道標高;黑虛線是穩態運行時管道沿程測壓管水頭線（HGL）;紅線顯示模擬停泵水錘工況中沿程管道每個點的最大壓力，即最大壓力包絡線;藍虛線顯示模擬停泵水錘工況中沿程管道每個點的最小壓力，即最小壓力包絡線。

在管道系統中只設置普通止回閥的時，從圖2可知，水柱彌合和水柱分離現象非常明顯，整條管線都處在不安全的環境，部分管段有爆管和吸癟的可能性。

對于本工程而言，受地形和輸水特征條件的影響，水錘時沿程管道產生負壓以及負壓破壞更為嚴重。

5 設置防護措施的水泵抽水斷電過渡過程

本工程考慮采取以下防水錘措施：

（1）管道沿線安裝20臺DN200組合式空氣閥。設置空氣閥來滿足水錘防護和管道高效運行的要求;

（2）在管線高程劇烈變化處，除了必要的空氣閥排氣外，增設高吸微排防水錘空氣閥。

圖3說明了在發生泵站失電時，泵站以及管線上水錘防護措施發揮作用后，顯著地減弱了水錘效應，把整個過程中的壓力波動控制在一個更安全的范圍內，使得管道內的壓力在短時間內由動態較平穩地轉變成靜態。

沿線合理排氣閥設置對負壓的消除能力十分明顯，全線基本沒有明顯負壓存在，滿足管線對負壓的承受能力。

在有空氣閥保護措施下，沿線正壓力下降，滿足系統對水壓的承受能力，只是在管線末端有水壓略增加的情況發生，但遠小于管線設計工作壓力0.70Mpa。

6 結語

經水錘計算分析，在無防護狀態時，管道承受的最大正壓力為0.95MPa左右，管道承受的最大負壓值達到管材的極限負壓值。整條管線都處在不安全的環境，部分管段有爆管和吸癟的可能性。

對于本工程而言，由于輸水管線沿線高程相差不大，末端進水廠時為陡升爬高，所以正壓力波動嚴重性并不大。但整個管線均出現較高負壓力，部分管段有吸癟的可能性，水錘時沿程管道產生負壓以及負壓破壞更為嚴重，部分節點排氣閥的設置合理性至關重要。

結合上述情況，本工程采取管道沿線安裝20臺DN200組合式空氣閥及局部高程劇烈變化處增設高吸微排防水錘空氣閥的水錘防護措施。

采取措施后經計算分析，沿線合理設置排氣閥對負壓的消除能力十分明顯，全線基本沒有明顯負壓存在，滿足管線對負壓的承受能力。在有空氣閥保護措施下，沿線正壓力下降，滿足系統對水壓的承受能力，只是在管線末端有水壓略增加的情況發生，但遠小于管線設計工作壓力0.60Mpa。

參考文獻：

[1]CECS 193：2005.城鎮供水長距離輸水管（渠）道工程技術規程.

[2]金錐，姜乃昌，汪興華.停泵水錘及其防護（第二版）.中國建筑工業出版社，2004，11.

[3]李志鵬，朱慈東，徐放，張明，廖志芳，等.輸水系統空氣閥結構特性與水錘防護.中國水利水電出版社，2018，9.