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(jīng)濟的發(fā)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(shè)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(guān)注，而研究輸水過程中的水錘防護措施對輸水工程的建設(shè)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(jié)合實際情況和特點，提出合理可行的水錘防護措施。

關(guān)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(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)速度的大幅度提高，淡水資源供求矛盾也日益顯現(xiàn)出來，為了促進不同地域發(fā)展，大到跨流域“南水北調(diào)”、“引灤入津”、“引黃濟青”等一系列國家大型輸水工程，小到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(chǎn)生壓力震蕩，甚至產(chǎn)生斷流彌合水錘，造成輸水管道的嚴(yán)重?fù)p害，對人民財產(chǎn)和健康都會造成極大損失。[3]因此，研究總結(jié)輸水管道水錘防護具有重要的意義。

1 重力流輸水系統(tǒng)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(jié)省水泵機房等建設(shè)管理費用，大大降低工藝運行成本。因此當(dāng)在地勢條件滿足，應(yīng)當(dāng)首選重力流輸水方式。[4]重力流輸水可從水力學(xué)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(tài)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(gòu)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(tǒng)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(dāng)管道滿管狀態(tài)時，靜水壓力為管道兩端的地勢高差。[6]

2 重力流輸水系統(tǒng)水力特點

（1）輸水系統(tǒng)末端壓力大，易產(chǎn)生關(guān)閥水錘。重力流輸水系統(tǒng)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(tǒng)末端的閥門關(guān)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(dǎo)致這種壓力震蕩比平坦管路中發(fā)生的壓力震蕩更大。[7]輸水管道中會產(chǎn)生負(fù)壓水錘波，使管道內(nèi)部的部分水流發(fā)生汽化，破壞了水流的連續(xù)性;負(fù)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(fā)兩端水柱劇烈碰撞，水錘波在管道中周而復(fù)始傳遞，導(dǎo)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(tǒng)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(chǎn)生斷流彌合水錘，其危害性較常規(guī)普通水錘危害性更發(fā)，特別是在高差較大的運輸過程中，極易造成嚴(yán)重管道工程事故。斷流彌合水錘的升壓原理如下，[8]假設(shè)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(shè)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(nèi)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(yīng)對管道中可能出現(xiàn)的不同流態(tài)進行分析計算，特別是水流發(fā)生劇烈變化處如含有微小氣泡或管道高程發(fā)生突變處產(chǎn)生的水錘應(yīng)該更加值得注意，應(yīng)該采取相應(yīng)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(nèi)外目前對重力輸配水過程中水錘現(xiàn)象開展了較為廣泛的研究，已經(jīng)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(shè)備。在管道輸水過程中產(chǎn)生負(fù)壓或管內(nèi)壓力低于補水設(shè)備水壓時，向管道中迅速補水，能夠有效抑制管道內(nèi)部負(fù)壓的形成;

（2）補水補氣功能設(shè)備。設(shè)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(chǎn)生的壓力變化;

（3）閥門調(diào)節(jié)控制設(shè)備。利用閥門的開啟與關(guān)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(guān)閉時長可對水錘壓力進行控制。

4 水錘防護設(shè)備與特點

4.1 單向調(diào)壓塔

單向調(diào)壓塔中的水箱帶有浮球，在輸水管道處于負(fù)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(xiàn)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(diào)壓塔

雙向調(diào)壓塔有普通雙向調(diào)壓塔和箱式雙向調(diào)壓塔兩種，由于雙向調(diào)壓塔對溢流泄壓安全可靠性更高，反應(yīng)較為靈敏迅速，在水錘防護工程中應(yīng)用較為廣泛。[11]當(dāng)管道中的壓力降低時，雙向調(diào)壓塔開始發(fā)揮注水作用，提升管道中的壓力，有效避免由于出現(xiàn)水流真空產(chǎn)生的水柱分離問題。若管道內(nèi)的壓力升高，雙向調(diào)壓塔可以利用泄水來降低管道壓力。但是普通雙向調(diào)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(wěn)定塔內(nèi)水位波動，導(dǎo)致普通雙向調(diào)壓塔施工困難大，工程造價高。

箱式雙向調(diào)壓塔主要是利用塔內(nèi)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(nèi)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(diào)壓塔高度和輸水管道內(nèi)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(diào)壓塔的運行狀態(tài)，比值大小決定塔的有效高度。當(dāng)P1×S1≤P2×S2，活塞正常閉合;當(dāng)P1×S1>P2×S2，活塞整體向上，泄水降壓;當(dāng)P1

4.3 超壓泄壓閥

管道內(nèi)部水力條件的變化造成管道內(nèi)部壓力變化，超壓泄壓閥在管道內(nèi)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(guān)閉，能夠有效防止水錘發(fā)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(jù)管道內(nèi)壓力的升高和降低來排出空氣和吸入空氣來保證管道內(nèi)壓力穩(wěn)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(dāng)前效果最好的是恒速緩沖排氣閥，其利用氣缸杠桿及時準(zhǔn)確的對排氣閥起到啟閉控制，能夠有效避免傳統(tǒng)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(yīng)用不廣泛。[14]

4.6 分段增設(shè)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(shè)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(shè)，提高了管道鋪設(shè)成本和施工量，增加了運行費用。[15]

5 結(jié)論

社會經(jīng)濟的發(fā)展和用水需求量的增加，輸水工程在城市建設(shè)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(fā)生是受多種因素影響，應(yīng)該對管道和工況進行合理的分析，結(jié)合實際，合理科學(xué)制定相應(yīng)的水錘預(yù)防方案。以后的發(fā)展趨是借助信息和自動化控制技術(shù)，實現(xiàn)水錘防護技術(shù)的發(fā)展，調(diào)高輸水工程的穩(wěn)定安全性，促進我國社會和諧穩(wěn)定發(fā)展。

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