长距离重力输水管路水锤特性及其防护措施

长距离重力输水管路水锤特性及其防护措施

郭宇翔

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摘要：由于中国国土面积大，水资源的空间分布不均，对区域经济的发展具有很大的制约作用。自流长距离输水管道具有无需增加动力设备、沿程耗水少、环境污染小等优势，已被广泛用于跨区域、跨流域调水，并在一定程度上缓解了区域内水资源分配不均衡问题。但是，由于重力流长距离输水管道的布设受到地形、施工等因素的影响，不能达到最优布局，从而增大了其运营风险。各种类型的水击灾害是长距离重力流输水工程所面临的一大难题，其中，输水管线、各种元件的损坏、管道周围的水击等都与水锤现象密切相关，亟需开展长距离重力流输水工程中可能出现的水锤现象的诊断与防治。在这种情况下，研究了长距离重力流输水管道的水锤计算和保护方法。

关键词：长距离重力流；输水管线；关阀水锤；组合关阀；水锤防护

引言

在水力平衡计算中，电算方法已被广泛地用于水力平衡计算中。计算机求解水击的基础同样是微分方程，利用特征线方法，把基本方程转换成方便计算机操作的有限差分方程，利用计算机进行求解，可以提高计算精度，提高计算效率。

1概述

本项目拟在某县某镇，某镇，某镇三个乡镇，某县集镇自来水厂升级改造工程-太沙东片区（一期）。本项目的主要建设内容是：本项目水厂的设计供水能力为5.0万m3/天，本项目是一期，设计供水能力为2.0万m3/天。项目建设内容包括：取水泵房，净水厂，增压泵站和管网，取水泵房，净水厂内的取水和净化设施及其相关的辅助设施。

管网敷设从取水泵站出水口到新水厂供水干管1250米，敷设并安装净水厂到3个集镇供水干管。新的供水管网总长度为59.27公里。

本项目针对长距离重力流输水管道，在长距离重力流输水管道中，各种水击现象是其重要的科学问题，其关键在于对其形成机制的认识。目前，国际上对其细观机理的研究主要是基于三维数值仿真与物理模型实验，基于几何相似原理构建小尺寸模型，并结合 CFD （CFD）技术，开展直管路无空化-空化耦合作用下的水力转捩过程的计算与分析。通过试验与数值计算，表明 CFD技术能够很好地用于水击计算；利用三维 CFD数值模拟技术，建立波动管线内水-气耦协同瞬态过程，揭示其瞬态特征。利用三维计算流体力学数值模拟技术，对有倾斜管道中的水柱分离现象进行了数值模拟，并与实验数据进行比较，以检验该模型的可靠性。

2两阶段关闭控制

针对直线关断造成的水击，采取二级关闸措施，可实现对关阀水击压力的有效控制，能有效保障管线的安全性；同时，二级关闸方式中，首次采取两段式快关式、缓关式，可实现减小管内最大水击压力的目的。在此基础上，本项目拟将临区与阀开度进行离散化，将临区与阀开度进行离散化，确定总闭期60秒，快闭期从30秒起，从3秒起，再从5 0秒起，再由5 0秒至5 5%，通过不同的组合方式，得出最优的方案：12秒内，快关65%，慢关48秒35%，合闸60秒。针对二段式不连续闭合方式，在连续二段闭合方式下，将快关相时与慢关相时按顺序改变，并以1秒为步长，通过对不同组合方式的计算与分析，得出了快关9秒、间隔3秒、48秒为慢关35%的最优闭合方案。

3重力流输水管道关阀水锤防护

3.1泵站管道水力过渡过程仿真计算

在4种工况下：泵出水阀故障（未闭合）、泵出水阀最佳闭合、泵出水阀与排水阀的组合防护状况，针对管线压力工程中有不同的压力级别，对管线各段的可能最大压力进行计算，并通过计算机仿真进行计算。在泵站压力管路中设置一定数目的进、排气阀，可以有效地保证管路的安全性，仿真结果显示，通过进、排气阀的入气量，可以保证供水站整体设计的安全性。在 B区段B4+944、B5+714和B7+266分别装设3个100毫米的进/排气阀后，管线内的压力满足了安全要求。在区段 C到 H区段C0+560,C2+519,C3+850,C6+090,CC7+421,CC9+100,C10+781,C13+021，为了确保给水系统的安全性，提出 C到 H段的惯性矩不低于2.50 kg/m2，通过惯性仿真，管道负压可以降低到-6.10米，另外，在管线的大点处，还设置了100 mm的进排气阀。

3.2 双向压力调节塔

双向调整塔是一种既能充水又能泄压的保护装置。在管线中出现正压水锤，使水快速流入塔中，实现降压；为避免管内产生负压，在管内产生压力时，及时将塔中的水导入管内。当管线处于负压状态时，需要调节塔有较大的横截面，以保证在突发事件中不会出现过大的水位波动。另外，在调整压力时，压力调整塔应该有充分的高度，以免出现过多的拥挤现象。它是一种结构简单，安全可靠，但受限于使用环境及费用。若水泵站采用双边式调压塔，则其塔高不宜低于30 m；若为防止 I型管线发生意外，需在管线中部设两面调整塔距，塔距超过70米，则此方法明显不可行。双面调整塔在使用过程中，会出现大量的溢流现象，另外，由于长时间贮存大量的清水，对水体的污染也是非常严重的。

3.3 超压阀安装用水锤分析

安装了单向调整塔后，虽然已经得到了很好的解决，但是在管线的中部仍然有一个正过压的状态，将一个最大容许压力线（最大容许压力线=管线标高+168.2）和最大压力套管相比较，可以使用超压阀门来解决。安全阀的工作依赖于滑动阀腔中的压力来实现，在常规输送过程中，位于内腔的滑动阀在一定的压力下牢牢地粘附在阀主阀上，从而实现了阀的正常闭合。在遇到水流的撞击时，管路中的压力不正常地上升，超出了设置的滑动阀内腔时，滑动阀的动作开启，经过滑动阀的外部腔来释放压力，而当管路压力回到正常的操作压力时，滑动阀就会和阀座紧紧地连接在一起。

3.4关阀总历时对管线水锤压力的影响

管端阀关时间太短，极易导致管壁水击压力剧增，严重时爆管，合理的关阀时间对管管水击保护至关重要。为方便分析，根据以上计算，选取管道两端阀在关闭总时间的前1/3内快速关闭50%，其余时间内线性关闭所有阀门，从而得到该关阀模式下的总关阀时间最优。《城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程》（CECS193:2005）规定了本次水锤计算正压上限为1.3倍最大工作压力，而水锤计算负压下限根据经验暂取常规值-0.39 MPa。

3.5递进防护

(1)在 U形进水阀门的高、低两端，“快速进水”比常规的“慢进水、快进水”要好，在收缩过程中，在其它项目中，要根据特定的地形情况，确定最佳的进水阀、排气阀的尺寸。(2)在设计过程中，要兼顾经济与功能两方面的因素，采用正交实验方法，得出最优的性能价格比区间。(3)过压减压阀要结合其他减压措施进行设计，是防止水击发生的最终保障。

4阀门关闭快慢对管线水锤压力的影响

通过“先快后慢”的关阀模式，考察了关阀速度对管道水击压力的影响，并提出了相应的改进措施。“快关”主要是在很短的一段时间里，线性地把阀的大部分开启程度直线地关闭，而“慢关”则是在一段很长的一段时间里，线性地关闭阀门。通过对“快关”、“慢关”两级阀的线性闭合开度进行控制，可以判断出这种运行模式对长距离重力流输水管道的水击压力有何影响。在这次的计算和分析中，将管道两端的两个阀一起启动，总的停阀时间是240秒，其中80秒的快关和160秒的慢关。

结束语

输水工程中，水锤现象严重威胁着管线的安全性，一旦发生，极易导致管网内压力升高、压力骤降，进而导致管网内的汽化，因而，迫切需要对其进行有效的处理，以保证整个工程的安全运行。

参考文献

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