下载文档原格式
给水排水工程Water Supply&Drainage Engineering 重力流输水管道水锤与防护措施研究申屠华斌I,毛燕芳I,张逸夫2,柳景青2（1.上海市水利工程设计研究院有限公司，上海210061；2.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州310058）摘要：依托某长距离输水工程，借助hammer软件对输水管道进行关闭阀门工况模拟，发现处于重力流上游的管道在关闭阀门时，未岀现严重的水锤危害，但是处于下游的管道则在沿线多处发生断流弥合水锤，岀现了较大的负压或正压。
经分析研究采用空气阀与超压泄压阀组合方案，用hammer软件进行拟合发现在沿线输水管道设置空气阀能够消除负压及由此产生的断流弥合水锤，在管道下游末端安装超压泄压阀以释放超出正常范围的水锤正压，可以保证输水系统在最不利的水力过渡过程中安全运行。
关键词：重力流；输水管道；水锤；供水安全；空气阀；超压泄压阀中图分类号：TU991.39文献标志码：B文章编号:1009-7767（2019）01-0115-04On Preventive Measures for Water Hammer of Gravity Flow PipelineShentu Huabin,Mao Yanfang,Zhang Yifu,Liu Jingqing供水管线是城市基础设施中的重要组成部分，供水管网运行状况与居民日常生活用水密切相关，而对市政管网的优化设计一直是专家学者研究的热点，供水管线设计不合理将引发水锤等安全事故，导致供水服务设施中断，给居民的生活和生产带来严重的影响。
近年来，水锤等安全事故多发，主要体现在2方面：1）由于我国水资源分布不均匀，长距离输水工程日益增多，如南水北调工程、陕西省引黄工程;2）随着城市化进程加快，现有市政管网基本实现城乡一体化，供水管网拓扑结构更加错综复杂。
国内外不少专家学者均对水锤与防护进行了研究,Vitkovsky等”采用遗传算法,Bergant等卩〕利用粒子群优化算法等智能算法对水锤防护的设计参数进行了优化。
长距离重力流输水管道设计问题分析摘要：随着近年来我国城市化进程的不断加快，长距离重力流输水管道已经成为城市供水的重要组成部分之一。
随着长距离输水工程数量的增加，输水管道的设计、施工与使用也越来越受重视。
本文主要围绕长距离重力流输水管道的相关设计问题进行了讨论，期望能够推动我国长距离输水工程设计水平的提升，为广大设计人员提供参考与借鉴。
关键词：长距离；重力流；输水管道；设计；问题在长距离输水工程水量不断增加的今天，重力流输水工程已经成为其中重要的组成部分之一。
重力流输水管道有着节能、节点、成本低、运维简便等诸多优势。
重力流输水管道在应用的过程中对于高程有着一定的要求，要求地形高差必须能够满足相应的水头损失需要，并配置自由水头于管道末端，且地形坡降＞输水水力坡降。
长距离重力流输水管道在设计的过程中还存在着诸多问题需要重视，例如输水道路路线的设计、管道管材与管径的选择、水锤的防护等。
基于此，本文围绕长距离重力流输水管道的相关设计问题进行了讨论，具体内容如下。
1、工程概述甲工程管线总长30000m。
工程的末端土壤具有腐蚀性，施工难度相对较大。
工程的首端地势平坦，便于施工。
该工程的设计流量为3.00m3/s，上下浮动0.20m3/s。
该工程为重力流输水管道，高程差为162m。
甲工程在设计时，存在着落差集中于末端、管道出口处富余水头大的问题。
为了解决上述问题，设计人员在设计时选择了分段分压的方式进行处理。
该工程在建设时，分别选用了用DN1400球墨铸铁管道以及DN1600预应力钢筋混凝土管。
2、长距离重力流输水管道的布线原则管线的布置与走向将直接决定整个工程的投资金额与施工难度。
因此，在布置管线时，要提前做好管道沿线的调查工作，重点对地质、地貌、河流、公路、地下管道（输气管道、输油管道）进行调查。
拟定多种方案，通过比选选择可行性与经济性最好的方案。
在长距离重力流输水管道布线时，应该遵循以下原则：（1）布线时要尽可能避开大起伏、急转弯现象，选择直线缩短管线的长度，使供水系统的布局尽可能合理。
多分水口长距离输水工程停泵水锤防护措施摘要：我国水资源相对贫乏，且分布极不平衡，今后随着城市化、工业、农业的发展，将更加注重水资源的合理配置。
水锤是指水泵突然停止或开启导致水的流速变化而造成的压强大幅度波动的现象，而停泵水锤往往会对生产造成巨大的影响，严重的还会对安全造成重大的威胁。
随着南水北调和引汉济渭工程的顺利实施，我国将会实施越来越多的水资源优化工程。
关键词：多分水口；长距离输水；停泵水锤；防护措施引言目前，计算水锤的方法主要有图解法、解析法和电法。
其中，电算法以运动方程和连续方程为基础，采用微分方法求解积分问题。
在电算法中，最常用的是特征线法和波特征法。
特征线方法是一种比较常用的方法，它具有清晰的物理概念，能够对复杂的边界条件进行求解，能够满足数值求解的要求。
1.案例分析某大型供水工程输水线路从泵站提水至末端净水厂结束，管路总长106.46km，泵站取水口至1号分水口输水管径为DN2000，管壁厚度为300mm；1号分水口至2号分水口段输水管径为DN1800，管壁厚度为280mm；3号分水口至末端输水管径为DN1600，管壁厚度为250mm。
管材均为预应力钢筒混凝土管（PCCP)，糙率为0.012。
总输水流量为3.07m³/s，沿线共有七个分水口。
泵站共设5台DFSS600-13/6型卧式离心泵，单泵转速为945r/min，运行流量为0.7675m³/s，设计扬程为40.75m，站前最低、设计及最高运行水位分别为210.8m、212.05m和219.97m。
输水线路过长除了会造成日常检修维护困难外，还会在事故发生时由于响应迟缓导致管道及其他部件遭受严重破坏，因此为了确保安全运行通常需要采取多重水锤防护措施进行管道防护。
1.1.抽水断电无保护过渡过程的计算输水系统在实际运行期间有多种运行工况，不同工况下工程沿线的测压管水头和内水压力都有较大的不同，最危险工况为泵站工作水泵同时抽水断电且泵站取水口水位为最低运行水位，因为此时水泵扬程最高，发生停泵事故泵后产生的压降最大。
2019年第6期2.2.1准备工作过热器、蒸发器、省煤器安装前，要在预制场内搭设钢平台，逐片对吊挂管、一、二次过热器、光管蒸发器、鳍片蒸发器、省煤器在平台上进行校验、通球、水压试验。
通球试验采用钢球、钢球直径要满足规范要求。
通球、试压完毕后及时吹干并用管帽及时封闭管口。
2.2.2吊挂管安装先将吊挂管支撑梁按图纸要求就位，并固定牢固，按图纸设计要求在支撑梁上划线，将吊顶管按划线位置逐根就位、焊接。
2.2.3过热器的安装由于管排整体强度较低，为了便于安装，防止管排在吊装过程中二次变形。
在吊装时采用专用卡具固定，防止安装时造成受力弯曲。
吊装时，采用5t 卷扬机与25吨汽车吊配合安装，吊车将过热器片吊装至锅炉东侧后，5t 卷扬机从炉内将过热器片上部吊装就位。
由于管排有管接头，需要穿出后墙水冷壁，根据现场条件，过热器吊装至安装高度后，用麻绳或铁丝绑扎管口，将管口牵引至后墙水冷壁预留口处，管排就位后，要立即对口焊接，依次逐片安装。
2.2.4蒸发器安装蒸发器分光管蒸发器、鳍片蒸发器两种，吊装时采用与过热器相似的吊装方法。
由于过热器安装就位后，拆除过热器吊装用临时滑轮组吊装梁，将临时吊装梁焊接与光管蒸发器顶部，离过热器底部间距大于300mm ，焊接完毕后，将光管蒸发器依次吊装就位，并及时焊接。
2.2.5省煤器安装在进行省煤器安装前，必须将锅炉前墙水冷壁吊装就位。
就位后，安装省煤器吊挂横梁，安装时要复测标高，确保安装精度。
将省煤器按上述方法依次、逐片吊装就位。
就位后，及时将吊耳销轴安装就位，并按图纸要求固定。
2.3.6集箱安装由于锅炉系统处于全吊挂状态，为了保证集箱在对口时不发生位移，在集箱找正就位后，用型钢做临时固定框，将集箱固定在钢柱上固定框要生根于框架上。
2.4水压试验水压试验要根据《电力建设施工技术规范》规定进行，试压方案要经过审批，升压速率必须符合规范要求，试验用水须采用合格的除盐水，水质、水温应符合设备技术文件规定，《电力基本建设热力设备化学监督导则》、《电站锅炉压力容器检验规程》、《电力工业锅炉压力容器监察规程》有关规定执行。
长距离输水管道水锤防护措施探讨近年来，越来越多的长距离翻山越岭的输水工程，这些扬程高、距离长、管线多起伏的输水管线，最常见而突出的问题就是输水管线的水锤防护问题。
对此长距离输水管道中阀门启闭时发生的水锤效应采取相应的防护措施，以减少水锤带来的进一步危害，保证供水系统的运行安全。
标签：水锤泄放阀；数值模拟；水锤防护引言长距离有压输水管道易发生水柱分离水锤危害，尤以高扬程多起伏管道水锤防护难度最大，发生水锤的可能性最大。
根据长距离高扬程多起伏输水管道系统的特性和多年的经验，提出此种管道水锤防护的重点是消除断流弥合水锤，并结合供水工程实例进行水锤防护优化提出有效的水锤防护措施。
1、工程概况共和县恰卜恰城镇供水（一期）工程位于青省海南州共和县境内，本工程为远距离输水工程，水源地在切吉乡东南向的切吉滩上，供水规模为2.09万m3/d，管道流量241.68l/s，采用单管输水，输水管线总长87.31km。
水源为地下水，采用机井泵站取水。
引水口地面高程为3266m，输水干管末端地面高程为2950m，两地地形差340m，自引水口至管线末端水头差为340m，输水干管在运行过程中累计的水头势能足以补偿水体在管线内流动而产生的水头损失（因管线前50公里地形成倒虹形式），管道在运行中呈高压运行。
2、长距离输水管道水锤常见的防护措施进行长距离输水时，管道中的开启阀门与关闭阀门、启水泵和停水泵又或者是管道内排出气体时不流畅都很容易发生水锤事故。
特别是在系统停泵的过程中，其管道中的压力下降迅速，管道中的重要位置很容易被破坏，水柱弥合过程中的碰撞也会产生很大的压力，致使管道内压力升高，从而造成事故的发生。
在进行水锤防护时，对其采用的防护措施有以下几点：（1）进行启阀和闭阀水锤的防护措施，可以使启阀门和闭阀门的操作时间尽可能的延长。
以蝶阀为例，在控制总流量时，要在蝶阀关闭之后的25秒以内，分为两个阶段进行关闭，在快关60秒后，进行慢关25秒，利用水锤模拟可得出关闭的最佳时间。
《长距离输水工程管线优化及水锤模拟研究》篇一一、引言随着城市化进程的加速和工业化的不断发展，对水资源的需求日益增长，长距离输水工程成为解决水资源分布不均、保障供水安全的重要手段。
然而，长距离输水工程在设计和运行过程中面临着诸多挑战，如管线优化、水锤现象等。
本文旨在通过对长距离输水工程管线的优化及水锤模拟研究，提高管网的运行效率和安全性，为实际工程提供理论支持。
二、长距离输水工程管线优化1. 背景及重要性长距离输水工程管线优化是提高供水效率和降低成本的关键。
优化管线设计可以减少管网能耗、降低泄漏率、提高供水可靠性，对保障水资源供应具有重要意义。
2. 优化方法及案例分析（1）管线布局优化：根据地形、水源、用水需求等因素，合理规划管线布局，减少迂回和冗余，降低能耗。
例如，某市通过优化管线布局，减少了约XX%的能耗。
（2）管材选择与管道壁厚设计：根据不同地区的气候、地质条件，选择合适的管材和壁厚，以降低管道破损和泄漏的风险。
例如，在地震高发区，采用高强度钢管或非金属管道可以降低破损风险。
（3）压力分区与增压站布局：根据用水需求和地形特点，合理划分压力分区，设置增压站，确保供水压力稳定。
某长距离输水工程通过合理布局增压站，提高了供水压力的稳定性。
三、水锤模拟研究1. 水锤现象及其危害水锤现象是长距离输水工程中常见的物理现象，主要表现为水流速度突变时产生的压力波动。
水锤可能导致管道破裂、阀门损坏、系统失稳等严重后果，影响供水安全和稳定性。
2. 水锤模拟方法及技术（1）数值模拟方法：利用流体动力学软件，建立输水管网模型，通过设置边界条件和初始条件，模拟水锤现象。
（2）物理模拟方法：利用实验设备，模拟实际管网运行情况，观察和分析水锤现象的发生规律和影响因素。
3. 水锤模拟在长距离输水工程中的应用（1）预测和评估：通过水锤模拟，可以预测和评估管网在不同工况下的水锤现象，为工程设计提供依据。
（2）优化措施：根据模拟结果，采取合理的优化措施，如安装水锤消除器、调整阀门关闭速度等，以降低水锤影响。
图1 工程输水线路平面布置图技术应用J IAN SHE YAN JIU技术应用248水库水位下，对不同泄压阀安装位置的输水线路进行过渡过程计算，结果见表5。
由表5可知，泄压阀安装在花南泵站进水口对最高压力的消减效果优于花南隧洞末端，因此推荐该方案为最优方案。
但是当水库水位处于1119.8m时，泄压阀对负压的消除作用有限，原因是当水库水位较低时，输水线路正压力较小，泄压阀的界限压力设置值过高，泄压阀无法对水锤波产生很好的消减作用。
当水库水位处于1119.8-1125m时，设置泄压阀界限压力水头为30m，对调整后的输水线路进行过渡过程计算，如表6所示。
同时对输水线路在1125m水库水位过渡过程进行验证计算。
由表6可知，当水库水位处于1119.8-1125m时，将泄压阀界限压力由45m下调到30m能有效地消除隧洞负压。
水库水位为1125m且泄压阀界限压力水头为45m时，过渡过程计算结果也满足要求，证明水库水位界限选取是合适的。
五、结语本工程拥有自流管路与泵站提水管路两条输水线路，后者由于水库水位的降低会产生自流与泵站提水两种工况。
为使紧急关阀产生的水锤压力水头不超过50m，泵站提水工况下反转速不超过规定值，笔者通过仿真模拟对管线进行过渡过程计算，得出以下结论：（1）仿真软件建立的仿真数学模型合理可靠。
（2）输水线路拥有分叉线路时，两边同时关阀产生的水锤压力会大于单边关阀。
（3）当泵站处于自流工况时，延长调流阀关阀时间能有效地降低水锤压力，选取最优关阀规律为花中/花南方向均为180s直线关闭。
当泵站处于提水工况时，过长的关阀时间会对机组稳定运行产生不利影响，结合泵站实际情况，选取最优关阀规律为花中180s直线关闭、花南20s直线关闭，同时在花南泵站进水口位置设置2套直径500mm的泄压阀。
（4）当水库水位处于1125-1138.5m时，泄压阀界限压力水头设置为45m。
当水库水位处于1119.8-1125m时，降低泄压阀界限压力水头至30m，能有效地消除过渡过程中输水管线内的负压，保证输水工程的安全性。
892023年4月上 第07期 总第403期工程设计施工与管理China Science & Technology Overview0.引言根据工程实际地形情况，一般情况下，长距离输水管线输水方式可选择重力流和泵送流两种。
通常在工程条件允许的情况下优先选择重力流输水方式。
但当管线上的阀门关闭操作不当或出现水锤造成爆管事故。
泵送流输水方式是通过泵站加压的方式输水，此类管线运行涉及水泵加压，事故停泵时导致水锤波叠加引发重大爆管事故。
因此，大口径重力流、泵送流混合的长距离输水管线更为复杂，一旦产生水锤现象引发爆管事故，将导致全线停运中断供水，且抢修工作困难，抢修周期长，会带来重大损失。
为预防爆管事故的发生，需有针对性地做好防护措施，因此管道薄弱段分析研究至关重要。
文章以某大口径重力泵送流混合长距离输水做为供水企业应保证安全、优质、经济的水源服务于用水户。
在城市化发展的过程中，城市人口数量激增，对城市供水系统施加不小的压力。
在此过程中，爆管现象逐渐增多，无法满足城市居民对水资源的使用需求，也造成严重的水资源浪费问题。
因此，当下有必要深入分析城市管道工程的水锤现象，掌握水锤现象出现的原因，在此基础上选择预防与控制方法。
1.水锤现象出现原因分析水锤现象主要诱因为水流在管道内流速出现巨大变化所致，水流拥有可压缩性与惯性，如果水流在运动中流速出现较大变化，对水体总量形成影响，导致水体总量在短时间内急剧变化，变化部分产生的动能冲击输水管内壁，致使输水管路形状发生变化。
水锤拥有较强的破坏力，就目前输水管材质对外力的承受能力，难以抵消水锤产生的力，破坏输水管结构，为工程埋下较大的隐患。
对于长距离输水工程，需要考虑水锤现场，提前选择防御方法，消除水锤压力，保护输水管，其为输水工程稳定、安全运行的重要保障。
经过统计长距离输水工程出现水锤现象的概率较大，施工单位有必要加强对水锤预防工作的重视程度，需要改变传统观念，基于工程数据进行安全设计，确保输水管工程安全、可靠运行。
科技创新收稿日期：2019-06-18作者简介：张彦航，男，汉族，河北天和咨询有限公司，工程师。
摘要结合工程实例，分析长距离输水管线断流弥合水锤发生机理、防护措施，为类似工程设计、施工、管理提供借鉴。
关键词输水管线；断流弥合水锤；防护机理□张彦航在长距离有压管道输水中，停泵水锤危害巨大，可能造成管道破裂、设备损坏，甚至造成人员伤亡一直以来都是一个需要解决的难题。
当发生停泵水锤时，整个水系统压力骤降，大部分压力降至输水管线轴线以下，管道内产生负压，负压过大从而导致水体由液态向汽态转化，管道沿线多处发生水柱分离现象，形成“蒸汽空腔”或“空气腔”，极易发生断流空腔再弥合水锤，它是水泵供水系统中最具有危害的一种水锤撞击波动。
降压波造成的断流弥合水锤产生的破坏远高于升压波造成的水锤破坏，在生产实践中长输水管线出现的管道破裂，70%～80%与水柱分离有关。
由于断流弥合水锤发生机理与传统的关阀停泵水锤有所区别，且发生断流弥合的位置难以预料，传统的防停泵水锤技术措施和设备（停泵减压阀、缓闭止回阀、阀门控制技术）对其见效甚微，甚至无效。
为解决降压波产生的断流弥合水锤问题，当前采取的防护措施主要有单项调压塔、箱式双向调压塔、空气压力罐等。
现以内蒙多伦县新城区引水工程为例，对输水管线断流弥合水锤防护措施进行探讨。
1.发生机理在长距离输水管路中产生的断流弥合水锤分两种：一种是蒸汽空腔溃灭产生的弥合水锤；另一种是空气腔溃灭产生的弥合水锤。
“蒸汽空腔”断流弥合水锤为传统的汽液两相流学科中液态→汽态的转换机理，该种情况是由输水管路中降压波造成的。
随着输水系统压力骤降，管道内产生负压，负压过大导致水体由液态向汽态转化，管内完全被细小气泡、泡沫和液体的两相混合物充满，随后蒸汽空腔慢慢形成，最终产生水柱分离，此时空腔内充满水蒸气。
特别是在管线纵剖面上纵坡变化较大的位置，如“膝关部位”、“小丘顶部”等处，更容易产生一些大空腔。
当这些空腔下游具有足够大的背压时，分离的水柱会快速闭合，空腔溃灭，原来的水蒸气快速凝结，分离的两股水柱相互猛烈碰撞，造成升压很高的断流弥合水锤。
第１０卷第３期 ２ ０ １ ２年６月 水利与建筑工程学报
ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ Ｖ０１．１０ Ｎｏ．３
Ｊｕｎ．，２０１ ２
长距离重力流压力输水工程水锤防护设计探讨 赵小利１，２高双强 ，吴 钊 ，李文奇２ （１．西安水利规划勘测设计院，陕西西安７１００５４；２．中国水利水电科学研究院，北京１０００３８）
摘要：随着城市用水规模不断扩大，长距离输水工程日益增多，水锤引起的爆管严重影响了长距离压 力输水工程安全。为解决李家河水库输水工程因管线长、地面起伏大而发生水锤破坏可能性的问题，进 行管道分段、阀门选择、运行控制等多种措施综合设计，并采用特征线法进行数值模拟计算，有效保障压 力输水工程安全。提出长距离重力流压力输水管道水锤防护需从工程手段、技术措施、运行管理等多方 面分析，综合制定水锤防护方案，消除水锤对工程安全的影响。 关键词：长距离重力流压力输水；工程安全；水锤防护；管道分段；技术措施；运行控制 中图分类号：ＴＶ６７２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—１１４４（２０１２）０３—００８８—ｏ４
Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｗａｔｅｒ Ｈａｍｍｅｒ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｉｎ Ｌｏｎｇ Ｄｉｓｔａｎｃｅ Ｗａｔｅｒ Ｃｏｎｖｅｙａｎｃｅ ｗｉｔｈ Ｇｒａｖｉｔｙ ａｎｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ＺＨＡ０ Ｘｉａｏ—ｌｉ ，ＧＡ０ Ｓｈｕａｎｇ—ｑｉａｎｇ ，ＷＵ Ｚｈａｏ ，ＬＩ Ｗｅｎ—ｑｉ （１． ’帆Ｐｌａｎｎｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＷａｔｅｒ Ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ，Ｘｉ’ａｎ，Ｓｈａａｎｘｉ ７１００５４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＷａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００３８ Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｕｒｂａｎ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｖｅｙａｎｃｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｄａｙ ｂｙ ｄａｙ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｍｊｅｃｔ ｓａｆｅｔｙ ｉｓ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ｔｈｒｅａｔｅｎｅｄ ｂｙ ｗａｔｅｒ ｈａｍｍｅｒ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｈａｍｍｅｒ ｄａｍａｇｅ ｉｎ Ｌｉ— ｊｉａｈｅ Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ’Ｓ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｖｅｙａｎｃｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｉｔｓ ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ａｎｄ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｇｒｏｕｎｄ，ｓｕｃｈ ｔｈｅ ｍｅａ— ｓｕｒｅｓ ａｓ ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ｖａｌｖｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ ａｒｅ ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｗａｔｅｒ ｈａｍｍｅｒ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｐｒｏ－ ｔｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｓａｆｅｔｙ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ａｎａｌｙｓｅｓ ｆｏｒ ｐｒｏｊｅｃｔ ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｇｕｉｄ— ａｎｃｅ，ｔｈｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｈａｍｍｅｒ ｄａｍａｇｅ ｉｓ ｍａｄｅ ＳＯ ａｓ ｔｏ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｈａｍｍｅｒ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ Ｏｉｌ ｐｒｏ— ｊｅｃｔ ｓｅｃｕｒｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｖｅｙａｎｃｅ ｗｉｍ ｇｒａｖｉｔｙ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｐｒｏｊｅｃｔ ｓａｆｅｔｙ；ｗａｔｅｒ ｈａｍｍｅｒ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ； ｐｉｐｅｌｉｎｅ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ；ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅ；ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ
长距离输水管（渠）道工程，是距离超过１０ ｋｍ 的用管（渠）道输送原水、清水的建设工程ｌ１ Ｊ。由于 重力流压力管道输水具有节约能源、水质不易被污 染、漏损小，线路布置灵活、节约土地资源等优点而 成为长距离输水方案的首选，但管线长、地面起伏大 的压力输水管道发生水锤破坏的机率增大。水锤是 影响长距离压力输水工程安全运行的一个重要因 素，不少工程因水锤而引起爆管，产生了严重的经济 损失ｌ２ Ｊ。城市供水保证率要求高，供水安全问题被
社会广泛关注，做好水锤防护是保障长距离压力管 道工程安全的关键。目前基于特征线法的水力过渡 过程数值计算被应用于长距离压力输水工程水锤防 护研究，对不同边界条件、不同运行工况进行的数值 模拟研究成为有效的水锤防护分析手段。本文以李 家河水库长距离重力流压力输水工程为例，说明水 锤防护设计需要从工程措施、技术措施、运行管理多 方面综合考虑，并首先考虑工程措施的设计思路，以 供类似工程参考。
收稿日期：２０１１－１２—２８ 修稿日期：２０１２．Ｏ１—３０ 作者简介：赵小利（１９７Ｏ一），女（汉族），陕西长安人，高级工程师，主要从事水利工程规划设计工作。 第３期 赵小利，等：长距离重力流压力输水工程水锤防护设计探讨 ８９ １工程概述 １．１工程基本情况 李家河水库输水管道工程位于秦岭北麓山前过 渡塬区，管线长３Ｏ．１２ ｋｍ，设计流量３．０ ｍ３／ｓ～２．８５ ｍ３／ｓ，重力流压力输水，管线首端地面高程７８０．８ ｍ， 末端地面高程６２１．３ ｍ，总高差１５９．５ ｉｎ。本工程总 水头差较大，但大部分落差集中在管道末段，管道出 口富余水头大；前半段管道大部分处于低洼地段，运 行中承受的静水压力较大；管道后段地形较高部位 易出现负压。管道分段分压分别采用ＤＮ１６００预应 力钢筋混凝土管（ＰＣＰ）、预应力钢筒混凝土管（ＰＣ． ＣＰ）及ＤＮ１４００球墨铸铁管。 １．２管道运行水压与优化 输水工程管道进出口总高差１５９．５ ｍ，设计流 ０ ４ ８ １ ２ １６ ２０ ２４ ２８ 管线长度／ｋｍ 量运行时，大部分管段内压超过９０ ｍ水柱，如图 １（ａ）。当内压超过８０ ｍ水柱时，管道连接处易出现 故障，影响整体安全。根据技术规范要求，管道公称 压力应根据最大使用压力确定，一般为最大使用压 力加０．２ ＭＰａ～０．４ ＭＰａ，重力流输水管道最大使用 压力为静水压力ｌ１ｊ。管道优化以降低正常运行水压 提高工程安全ｌ生为主，兼顾降低管材耐压等级减小 工程造价；还可减少漏失水量，对于本工程湿陷性黄 土地层更有利于管道安全。为有效减小管道多余水 头、降低静水压力，拟在管线前段低洼点（６＋ｏｏｏ）安 装减压阀、在后半段制高点（２７＋７００）设减压池减 压，输水管纵断面及水压线如图１（ｂ）。由该图可 见：６＋０００处减压阀可降低管道静水压力１５ １ＴＩ水 柱；２７＋７００处减压池可降低静水压力５０ ｍ，同时有 利于防止下游管道出现负压。
管线长度／ｋｍ （ａ）不减压时管道水压线 （ｂ）６＋０００设减压阀、２７＋７００设减压池时水压线 图１设计流量时管道水压线
２水锤防护分析计算 ２．１水锤计算的特征线法 压力管道进行水锤分析，通常采用特征线法。 特征线法物理概念明确，便于应用计算机编程计算 分析，可以处理较复杂的边界条件，且容易满足数值 计算的收敛条件。特征线法是一种数值计算方法， 其主要思路是将以偏微分方程形式表示的水锤方程 组，转化为在特征线上的常微分方程，然后采用有限 差分数值计算ｌ０ Ｊ，即 Ｃ ：月 ＝ＨＡ—Ｂ（Ｑｐ—ＱＡ）一Ｒ ＱＡ ｌ ＱＡ ｌ （１） ｃ一： ＝ ＋Ｂ（Ｑｐ—ＱＢ）＋ ＱＢ ｌ Ｑ ｆ（２） 其中：Ｂ＝ａ／ｇＡ，Ｒ＝厂△ｘ／（２ｇＤＡ ） 式中：Ｈｅ、Ｑ 分别为计算断面ｉ在ｔ时刻的水头和流 量；ＨＡ、ＱＡ分别为断面ｉ一１在ｔ—Ａｔ时刻的水头和 流量； 、Ｑ 分别为断面ｉ＋１在ｔ一△ 时刻的水头
和流量；Ｄ、Ａ、ｆ分别为管道直径、过水断面面积和 摩阻系数；ａ为水锤波速；Ａｘ为水锤分析管道分段 长度；ｇ为重力加速度。 当各点初始状态时的Ｑ、Ｈ值和边界点的条件 方程己知时，就可根据前一时段ｔ 时刻已知的Ｑ、Ｈ 值，求出后一时段ｔ ＋△ 时的Ｑ、Ｈ值。水锤计算是 对整个输水管道系统进行计算分析，包括管道内点 及与管道连接的水池、阀门及其它过流元件。对于所 有内结点就用上述方法计算，对于进出口水池、各种 阀门等特殊边界点的瞬时Ｑ、Ｈ值根据各自不同的 边界条件进行计算。 ２．２不减压方案的末端关阀水锤计算 在桩号１４＋８８５和２４＋６８３设超压泄压阀，管 道沿线按规定安装排气阀，末端阀匀速关闭，分别将 关阀时间设为６００ Ｓ、１ ２００ Ｓ进行计算。由于管线距 离长、地形高差起伏大，即使将关阀时间延长到 水利与建筑工程学报 第１０卷 １ ２００ ｓ，管道全线水锤升压依然很大，远超过管道承 压能力，不减压方案不能满足水锤防护要求。 ２．３减压方案（推荐方案）的关阀水锤计算 在桩号６＋０００和２７＋７００分别设置减压恒压 阀和减压池，在桩号１４＋８００设置超压泄压阀。将 减压恒压阀的动作压力设定为管线通过设计流量时 的动水压力，则当减压阀后压力高于该设定值时，减 压阀自动迅速关闭，直到减压阀后点压力减小到管 线设计压力时，阀门自动打开，全开状态处于不减压
状态ｌ５ｊ。同时，将相应桩号的排气阀换为恒速缓冲 排气阀，末端阀按３００ Ｓ、９００ Ｓ匀速关闭的管线特征 点水锤压力如表１。由表ｌ可知，不同时间匀速关 闭末端阀门时，最不利点均出现在减压池前端。３００ Ｓ关阀时其最大水锤压力为７８９．５５７ ｍ水柱，９００ ｓ 时其最大水锤压力为７８０．６６４ １３１水柱。水锤压力小 于管道公称压力即为不超压，满足水锤防护要求…１， 末端阀大于９００ Ｓ匀速关闭管道全程不超压。为安 全计，末端阀关闭时间应大于１ ２００ Ｓ。
表１末端阀按３００ ｓ、９００ Ｓ关阀管道特征点的压力 单位：ｍ
２．４减压方案下的开阀水锤计算 减压防护措施同２．３。初始状态管道充满水， 水体静止，初始流量为０，逐渐开启末端阀门。分别 采用３００ Ｓ和９００ Ｓ开启至设计流量。３００ Ｓ开阀时， 部分管段的水锤压力超过了设计承压值，尤其是减 压池后较长管段有负压产生。当９Ｏ０ Ｓ开阀至设计 流量时，整个管线无超压出现。基于工程安全考虑， 建议采用９００ Ｓ以上开阀至设计流量。 ３水锤防护措施 根据水锤分析计算结果，结合管道设计具体情 况，综合制定水锤防护措施。 ３．１工程预防措施——管道分段 从水锤发生的机理和水锤压力计算基本公式可 知，缩短压力管道长度，使管道进水口反射回来的水 锤波能够较早地回到压力管道末端，从而减小水击 压力。在较长的压力管道中，设置调压室、减压池缩 短压力管道是常用的减小水锤压力的措施。重力流 压力管道输水工程利用天然地形落差自流输水，正 常运行时测压管水头小于静水头；当管路上的闸、阀 关闭后，管中最大静水头即为地形最大落差，落差越 大，管道承受的压力越高，当闸、阀非正常关闭时，容 易产生较大的水击压力，造成爆管事故。对于地形 起伏大的重力流管路，在管路高点、转折点易发生断 流空腔，并造成断流弥合水锤＿６ Ｊ。 对长距离重力流输水管道进行水锤防护时，用 减压水池对管道进行分段或者分级，往往有很好的 效果，不但技术上易于实现，而且因为不依赖于人为 操控而具有较高的工程可靠性。减压水池将长距离 管道分成几个较短的管道，从而简化输配水条件，降 低水锤发生的可能性。减压水池容积一般可取５ ｍｉｎ管道最大输水流量。如１．２所述，本工程在２７ ＋７００处减压池对长距离管线进行分段。管道分段 减压不但能够有效降低管道静水压力降低管材耐压 等级和工程造价，而且能够有效防止地形高点断流 弥合水锤的发生。 ３．２技术防护措施——阀门选择 ３．２．１空气阀 空气阀对防止水锤破坏，维持输水管道安全运 行至关重要，排气不畅可能产生爆管，造成严重事 故ｌ７ Ｊ。空气阀通常装设在管线凸起部位，当管道内 压力低于大气压时吸入空气，而当管道中压力上升 高于大气压时排出空气。由于普通排气阀在一定压 力下会突然起球终止排气，导致断流弥合水锤发生， 使管道升压较高［ Ｉ９ｊ，本工程选择在水气相间流态 下能够连续大量排气且缓冲关闭的慢速缓冲排气 阀，安装在管顶，共设３９台，其中ＤＮ３００的３６台， ＤＮ２５０的３台。 ３．２．２超压泄压阀 超压泄压阀的主要作用是当管道中发生水力瞬
