長距離輸水管道水錘計算及防護措施研究

魏 勇，鄭 帥，鮑 磊，陳業芹

(1.上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海 201700； 2.江蘇嘉源建設項目管理有限公司，江蘇 宿遷 223800)

輸水管線距離較長、水頭較高且地形起伏變化較大時，在設計中必須考慮水錘計算。因為開泵、停泵、開關閥門的過程中，水流速度會發生急劇變化，由水錘產生的瞬時壓強可達到管道中正常工作壓強的幾十倍甚至數百倍[1]，瞬時壓強不僅產生巨大噪音，還會導致管道系統產生強烈振動，可能引起爆管；相反，當管道壓強低于正常工作壓強時，又會導致管道的癟塌。這種由水錘作用導致的大幅度壓強波動，不僅會損毀管道，還會損壞閥門、水表、法蘭盤等管道構件，對管道系統危害較大。管道設計相對簡單，但管道設計中水錘計算預防護是管道設計的重點與難點，關系到整個管道系統的結構和運行安全，在設計中應高度重視。

1 工程概況

本工程的受水區為工業區(分為A區、B區)，工業區四面環海，島內都是直接入海的小河流，水資源的開發難度大。2007年，地下水已經超采，開采率達到 115%，本地水資源開發潛力很小，本地水源已經遠遠不能滿足工業區經濟飛速發展的需要，必須考慮節水措施、非常規水資源和外調水資源的利用。據計算預測，2015、2020和2030年該工業園區的需水量分別為12 989×104、20 531×104和 35 361×104m3，2020年該地區人口將達到 45.0萬人，為中等城市，缺水成為制約該地域經濟發展的唯一因素。根據近期規劃，需要進行跨流域調水，一期供水工程已建成并投入，本次工業區供水工程輸水管線總長為74.34 km，管線首部與東風水庫高位水池的 DN1800 連接鋼管相連，尾部與第一、第二凈水廠入口相連，其中接入第一凈水廠線路長度49.88 km，接入第二凈水廠線路24.46 km，整條線路由東至西依次穿越高速公路、202 國道、縣道、濱海路等，輸水線路主要分布于低山丘陵區，線路高低起伏多變。本文結合設計方案及本報告所選水錘防護設備，分析泄壓閥、調流調壓閥等對重力流輸水管線的水錘防護效果，完成調流調壓閥不同動作方式的水錘分析，提出預期水錘防護效果的水錘防護措施建議。

2 管道水力計算

2.1 輸水方式

本工程輸水管線自水庫高位水池取水，高位水池由兩座蓄水池組成，單個蓄水池長25 m，寬15 m，高4.2 m，有效容積約1 200 m3，正常水深3.2 m，蓄水位底板高程132.89 m。在一期供水工程中，高位水池的設計蓄水位依據工業區的壓力要求，采用重力流一次輸水至工業區A區第一凈水廠。本次管線設計仍采用重力流輸水，中途不設置泵站，中途不再設置泵站加壓，設計時應通過選擇合適的管徑，將水一次送至工業區第一、第二凈水廠。

2.2 計算條件

輸水管線管徑由起末端水位及水頭損失確定。第一凈水廠水位83.9 m，第二凈水廠水位70.0 m，考慮2 m的預留水頭，末端壓力分別按 85.9及72.0 m來計算管徑。因一期供水工程已經建成，原設計供水能力為11×104m3/d，管線采用DN1100玻璃鋼管和鋼管。本次二期供水工程需要結合已建成的一期管線，共同輸水來滿足2020年需水量。2020年工業區總缺水量33.4×104m3/d，其中A區缺水量 27.54×104m3/d，B區缺水量 5.86×104m3/d。因此，二期供水工程的供水規模由經過調配后的一期管線所能承擔的供水余量確定。見表1。

表1 水庫高位水池向工業園區A區、B區供水管路特征

平均日設計流量按供水區的需水量乘以1.0倍的日變化系數確定，最高日設計流量按供水區的需水量乘以1.2倍的日變化系數確定。經計算，最高日設計流量為 30.53 m3/s。

2.3 水力計算

通過試算不同的干管、支管管徑，求得滿足末端凈水廠水位要求的最佳管徑。計算公式采用《室外給水設計規范》(GB 50013-2018)中輸配水管道沿程損失計算公式。根據水力計算公式，結合一期管道來共同輸水承擔2020年用水。在滿足最高日供水能力條件下，干管線管徑采用兩條DN1400鋼管、A區支線管徑采用兩條DN1200鋼管、B區支線管徑采用兩條DN800鑄鐵管可以滿足最高日輸水水量及首末端壓力要求，并保證管道末端水頭滿足凈水廠水位要求。管道輸水能力見表2。

表2 管道輸水能力表

根據計算得出，B區支線路2根DN800鑄鐵管可以滿足2020年供水規模5.86×104m3/d，而B區2030年供水規模僅增加到8.15×104m3/d，通過計算按2030年規模B區線路選用2根DN900即可滿足要求。考慮DN900和DN800管徑變化不大，增加投資不多，從長遠角度看，經濟比較合理，因此本次B區支線路采用DN900作為輸水管徑。

本次設計最終選擇管徑如下：干管2×DN1400+A區支管2×DN1200+B區支管2×DN900，輸水線路示意圖見圖1。

圖1 輸水線路示意圖

3 水錘計算和防護分析

3.1 基礎數據

工業區長距離輸水工程為完全重力流輸水，上游為水庫高位水池，下游為第一凈水廠和第二凈水廠。水庫高位水池水面標高132.89 m，在最大供水量時，要求第一凈水廠最小水頭不低于85.9 m，第二凈水廠最小水頭不低于72 m，見圖2。即4號、6號樁點處的最小水頭不低于85.9 m，管底標高為80.2 m；8號樁點處的最小水頭不低于72 m，管底標高為8.87 m。設計預期最高日總供水規模 30.53×104m3/d，并且保證第二凈水廠最高日供水規模7.03×104m3/d，第一凈水廠最高日供水規模23.5×104m3/d，具體總供水能力依據模擬計算確定，并作為水錘分析依據水量。該工程管線拓撲關系見圖2。

圖2 輸水工程管線拓撲關系圖

在進行模擬時，各線對應節點編號、管底標高見詳細數據，樁號37+709.9至第二凈水廠，即三號線，管材為球墨鑄鐵管，管內防腐為水泥砂漿，糙率系數取0.012；其余管材均為鋼管，管內防腐為環氧樹脂材料，海曾系數取140。設計承壓力為1.6 MPa。

3.2 水錘計算分析

根據管線拓撲關系及管線運行方式，水錘模擬重點是分別關閉第一凈水廠和第二凈水廠調流調壓閥時各條管線的水錘情況，計算工況如下：

3.2.1 第一凈水廠10 min關閥水錘模擬

模擬第一凈水廠調流調壓閥關閥時，在第一凈水廠調流調壓閥開始關閉至完全關閉乃至整條管線水錘消減至可忽略程度這一時間段內[2-3]，第二凈水廠調流調壓閥不動作，第一凈水廠所關閉閥門為管線末端調流調壓閥。見圖3。

圖3 第一凈水廠10 min關閥水錘模擬情況

第一凈水廠10 min內線性關閉閥門產生水錘時，一號、二號、三號線最大水頭分別為 149.6、149.6和144.54 m，全線無負壓，各線最大水頭、最小水頭滿足管線承壓要求。

3.2.2 第二凈水廠10 min 關閥水錘模擬

模擬第二凈水廠調流調壓閥關閥時，在第二凈水廠調流調壓閥開始關閉至完全關閉乃至整條管線水錘消減至可忽略程度這一時間段內，第一凈水廠任一調流調壓閥不動作。見圖4。

圖4 第二凈水廠10 min關閥水錘模擬情況

第二凈水廠10 min內線性關閉閥門產生水錘時，一號、二號、三號線最大水頭分別為128.05、128.05和129.85 m，全線無負壓，各線最大水頭、最小水頭滿足管線承壓要求。

3.3 水錘防護設備分析及建議

經過模擬計算，在所確定的工況下，在合理的時間內關閥，各管線均沒有負壓的產生，也沒有過高壓力的產生。空氣閥可以選擇較為普遍的兩階段空氣閥[4]。所設計的DN150 mm空氣閥型號及數量滿足水錘防護要求。

為防止閥門誤操作等狀況下水錘產生的高壓危害，建議每條管線進入配水井前安裝超壓泄壓閥，并且在調流調壓閥上游。各凈水廠在10 min 關閥方案中，超壓泄壓閥處的最高水壓均在120 m以下，分析建議兩凈水廠關閥時間均控制在10 min以上，關閥時超壓泄壓閥處的最大水壓不超過120 m，且調流調壓閥的誤動作產生時，安裝處首先能感應到高壓的產生，如果能及時在該處消減高壓，全線高壓將有效緩解。建議安裝點靠近調流調壓閥，并且泄壓閥工作感應水頭設置為：第一凈水廠為 65 m，第二凈水廠為 70 m，口徑均為 DN300 mm。

由于在設計管徑、管材及管線長度等條件下，東風高位水池與各凈水廠配水井處的高差能滿足預期30.53×104m3/d的輸水要求，并且潛在輸水能力超過30.53×104m3/d。同時也為了滿足小流量下的管線運行，建議各條管線進入配水井前安裝調流調壓閥，關閥時間10 min以上。

4 結論及建議

對長距離有壓輸水管道系統，經過模擬計算，在所確定的工況下，在合理的時間內關閥，各管線均沒有負壓的產生，也沒有過高壓力的產生，空氣閥可以較好地降低系統水錘壓力。本文在設計時，選擇較為普遍的兩階段空氣閥，所設計的DN150 mm空氣閥型號及數量滿足水錘防護要求。本工程于2018年完工，目前管道系統運行較好。