摘要：通过工程实例对大口径，长距离输水管道水锤计算及水锤消除措施进行分析。
关键词：长距离输水管道；水锤计算；阀门设置
1、前言
水锤：由于外界原因（如阀门突然关闭，水泵机组突然停车），使压力管道中水流速剧烈变化，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水利撞击现象称为水锤现象。水锤效应有极大的破坏性：当压力过高时造成管道破裂，压力过低（负压）时造成管道瘪塌，还会损坏阀门和固定件。根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》（CECS 193：2005）需对大型长距离输水管线工程进行水锤分析和防护设计。水锤防护控制标准：
①最大压力控制标准：根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》（CECS 193：2005）6.1.4 条“水锤防护措施设计应保证输水管道最大水锤压力不超过1.3 ～1.5 倍最大工作压力”。
②最小压力控制标准：根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程》（CECS 193：2005），对管线负压值没有做出明确数值规定，但是在第6.3.2 条第3点提出：“在突然停泵过程中输水管道出现负压的部分，宜采取消除负压措施及其效果计算”。
下面以北海备用水源为例，简单分析城镇供水大口径长距离输水管水锤分析及计算。
2、工程概况
北海备用水源工程，水源为北海市合浦县洪潮江水库滚水坝水域，水库死水位为21.13m，取水口底高程为19.75m，供水至北海市北郊水厂，管道直接接入水厂絮凝反应沉淀池。该工程日供水量为16.5万m3/d，输水线路总长32.12km，输水管道采用2根管径为DN1200的球墨铸铁管。输水线路整体呈两端高中间低，最低点高程约3m，沿线地势比较平缓。经过初步水力计算，采用先自流后加压的供水方式，将输水管分为A、B两段：A段为重力自流段，长13.107km，输水管由水库放水口自流至中间加压泵站吸水池，泵房地面高程为5.0m，水池入口处水压标高为11.75m，预留2m出口自由水头，吸水池特征水位为：最高运行水位为9.4m，最低运行水位1.9m，正常运行水位9.0m；B段为加压段，长19.117km，由水泵出水口接至北郊水厂絮凝反应沉淀池，池底高程为19.25m，水面高程23.60m。由于泵站供水流量及扬程变幅不大，采用三台定速水泵，一台变频水泵，三用一备。四台水泵参数一致：流量Q=408.0 ～679.9 ～815.9L/s，扬程H=47～38～31m。本工程水锤计算及防护措施如下：
①重力自流管段水锤计算：本工程由桩号A0+000～A13+106.477为重力自流管段，本次设计采用Transurge2016水锤分析软件进行水锤模拟运算。当无水锤保护时，重力自流管道末端阀门60s关闭时的水压波动图详图1。由图可得，在无水锤防护措施的情况下，当发生紧急情况快速关闭末端阀门时，管道全线发生比较严重的压力波动，主要以正压为主，最大正压力达到200m，远超出相关规范的要求，需设置水锤防护措施。
图1 设计水位无防护措施压力包络线 图2 设计水位有防护措施压力包络线
灰色线——最高、最低压力包络线；橙色线——正常供水压力坡降线；
蓝色线——管线纵断面线；粉色线——管道所能承受负压力包络线；
本次设计在管道末端设置DN300水锤泄放阀，并在沿程管道的凸起处设置弥合水锤预防阀，以及管线沿程每0.5 ～1km处设置复合式吸排气阀，设置水锤防护措施后重力自流管道末端阀门60s关闭时的水压波动图详图2。由图可得，设置水锤防护措施后，当发生紧急情况快速关闭末端阀门时，管道全线的最大压力为48m，最小压力为-2m，基本符合规范要求，并有一定的余量。
②加压管段水锤计算：工程由桩号B0+000～B19+116.567为泵站加压输水管段，本次设计采用Transurge2016水锤分析软件进行水锤模拟运算。当无水锤保护时，当水泵同时事故断电时的水压波动图详图3。由图可得，在无水锤防护措施的情况下，当水泵突然停止工作时，管道全线发生比较严重的压力波动，最大正压力达到200m，远超出相关规范的要求，需设置水锤防护措施。
图3加压管道无防护措施压力包络线（图例同上） 图4 加压管道有防护措施压力包络线
本次设计在水泵出口处设置DN300水锤泄放阀，并在沿程管道的凸起处设置弥合水锤预防阀，以及管线沿程每0.5～1km处设置复合式吸排气阀，设置水锤防护措施后水泵同时事故断电时的水压波动图详图4。由图可得，设置水锤防护措施后，当水泵突然停止工作时，管道全线的最大压力为54m，最小压力为-3m，管道全线的最大压力及最小压力基本符合规范要求并有一定的余量，水泵倒转最大转速为0r/min。输水管道各水锤防护措施配置如下：弥合水锤预防阀：采用DN150，PN=1.0MPa，吸气口150mm，排气口25mm；设置桩号：A0+562，A1+333，A2+511，A3+636，A5+356，A12+973，B4+665，B5+290，B9+730，B10+810，B11+790，B 15+060
水锤泄放阀：采用DN300，PN=1.0MPa，开阀压力25m，打开时间1.5s，关阀压力15m，关阀时间10s；安装位置位于加压泵站吸水井前及加压泵站水泵出水管后。
除了上述水锤防护措施采用的阀门外，流量监测采用电磁流量计监控，自流管段及加压管段起点均设2套流量计；为了方便管道检修，管道沿程设有检修阀（连通阀）、泄水阀（排泥阀），检修阀（连通阀）采用偏心半球阀，泄水阀采用手动闸阀；为了防止输水管道局部集气造成水流不畅甚至真空破坏，沿程设置复合式吸排气阀。此外，根据泵房布置要求，为满足水泵启动、调节、水锤防护、检修等工作需要，在水泵出水管装设多功能水泵控制阀和检修用电动闸阀，进水管装设检修用电动闸阀等辅助设备。
3、结束语
由上述实例得知，对于长距离大口径输水管道，通过水锤技术并采用合适的水锤消除措施，能有效减少管道内压力的波动，减少管道投资，大大提高管道运行的安全性。
论文作者:汤凯琳
论文发表刊物:《基层建设》2019年第8期
论文发表时间:2019/6/20
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