王秉钧1 杨廷浩2
1、2．中国市政工程中南设计研究总院有限公司 湖北武汉 430000
摘要：目前，我国长距离大型重力流输水工程越来越多，随之而来的工程爆管问题引起越来越多工程人员的注意。长距离有压重力流输水管道中易发生水柱分离与断流弥合水锤，并造成严重的水锤危害。管道系统水锤防护问题，作为输水管道安全运行的重要课题之一，是很有必要进行深入研究的。在长距离输水管线中，尤以多起伏管道水锤防护难度最大，发生水锤事故最多。实际工程更需要这方面的技术，根据输水系统的实际特点，设计合理、有效、经济的水锤防护措施。
关键词：市政输配水管网；重力流；水锤防护
目前，我国许多大中城市尤其是北方城市由于当地水资源缺乏，不能满足国民经济迅速发展和人民生活水平不断提高对水的需求，必须兴建长距离调水工程，以缓解水的供需矛盾。重力流管道输水方式因其具有可随地形条件铺设，对地质条件要求不高，渗漏损失小，能保证输水水质，施工方便，造价较低，管理方便等优点，常作为设计者优先考虑的方案。因此长距离重力流输水管路的水锤防护技术分析，不仅对供水工程的设计提供科学依据，而且对指导供水工程的安全运行也具有十分重要的意义。
重力流输水管水锤防护分析
输水管起末端的高度差越大时，有压重力输水的可利用水头就越大，当确定输水设计流量时，输水管管径越小，投资越少，输水管流速越大，运行时可能引起的水锤升压就越高。有压重力输水在以下三种情况需消减富余能量[4]：
（1）当可利用水头过大，管中流速超过3m/s或超过水锤计算所确定的最大流速时；
（2）起端（如水库等）水位变幅较大时；
（3）低于设计流量运行，输水管下游管道因压力增加较多，不利于安全输水时。
第一，三种情况减压装置常设在输水管的中下游；第二种情况常设在输水管中上游；第一，三种情况设置的减压阀对输水管还具有较好的水锤防护和减少漏失水量的功能。多起伏以及落差较大的“U”字形重力流管路系统是否需要减压和分几级减压，主要取决于输水管总落差的大小和管道的承压能力。落差越大，管道允许承压能力越低，需要设置减压的级数就越多。针对重力流管路系统，降低管材承压等级、减少工程造价，并预防水锤的发生是重点；消减关阀水锤，将借助于缓闭蝶阀和减压措施，防护管道某些部位可能产生水柱中断，以及断流水锤升压，减少爆管事故；对于较平坦的管路系统，主要以减压恒压阀为降压措施，用恒速缓冲排气阀及时排出管道气体，预防断流弥合水锤，避免气水两项流的发生。
各类水锤防护方法的技术分析
消能减压防护技术分析
静水中是具有压力的，作用在单位面积上的静水压力为静水压强，它随水的深度增加而增加。静水压强的大小，是相对于大气压而言的。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆输水管道内作用在管道内壁的静水压力，在与大气相接触时，即在瞬间，静压能量以其他方式转化消耗，此时视管道内液体与大气接触面的相对压强为零，即消能构筑物必须有与大气相连接的装置，并且要达到简单和保证饮用水供水安全的目的。输水管道内除去只与水深有关的静水压强外，还存在动水压强，它不仅与该点的空间位置有关，还与水的流动有关。
重力输水管管径按充分利用作用水头选取，故在设计流量工况下运行时无剩余能量，在流量低于设计流量下运行时，水头损失减少，重力流输水管路就有了富余能量。在安装减压阀的系统中富余能量的大部分由减压阀自动消除，使管路末端压力减轻[7]。安装减压阀利于管道安全运行和降低维修成本。根据《城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规范》可知，减压阀出口恒压值根据最大设计水量水压线调整出口压力值，可实现在最大设计流量时不减压消能，而仅消减小流量运行产生的富余能量。
关阀水锤防护分析
减压恒压阀防护
重力流输水管道因阀件及管道接头等漏水、管道爆裂、下游系统正常保养等原因需停运时，绝大多数采用关下游出口阀门的方法[7]。由于阀门阻力系数在匀速关阀过程中不是均匀增加的（一般是在关阀前60°~70°增大不多，对流量减少也不大，但在以后的20°~30°则突然增加），故极易造成很大的关阀水锤。管道长度越大，阀门阻力系数值对流量的影响越小，越易造成最后突然关阀时流量最大。而重力流输水管安装减压阀后，受影响管道长度减小，水头变化减小，可见减压阀对水锤防护作用极大。
缓闭蝶阀防护
关阀水锤防护最简单有效的方法是延长阀门关闭的时间，选择可控制的两阶段关闭蝶阀。就某一种管道安装情况来说，应考虑几种可能的解决办法，这些方法包括：在阀门处布置旁通管；对阀门最后15%~20%开度提供缓冲保护；采用双速（两段式启闭）阀门。延长阀门关闭（或打开）时间，可以将水锤压力控制在一定范围内，这对大型阀门是简单易行的。对于长管线来说，按照控制水锤压力反算的阀门关闭（开启）时间往往较长，达到5min~10min甚至更多，同调度运用灵活性要求构成了矛盾。因此，对长管道的水锤危害问题应进行专家分析，采用组合方案。
缓冲排气技术分析
长距离输水管路的高点处或膝部，由于很多原因常常会聚集大量气体，引起管道气堵，甚至水流中断；或者发生水柱分离水锤，形成液体局部汽化空腔（蒸汽腔）。为了保护管路，沿管路必要处可设置进排气阀。根据气液两相流态分析，造成管道排气困难及爆管水阻增大等现象的主要是段塞流，故工程实践中均利用恒压缓冲排气阀能满足管道中水气相间条件下能连续大量排气的要求，从而安全、平稳的排出管道中气体，防止气阻增大带来危害。根据国外相关技术资料和国内近年来的工程实验，输水管道上排气阀的布置方式为管道坡度小于1时，每隔0.5km~1.0km设一个，每个排气阀都设在该管段的最高点，当多起伏管道时，可根据其起伏高度分析是否需要增加，必要时进行相应的水力计算。
结束语
水锤容易发生在市政输配水管网的输配水过程中，是一种破坏性极大的现象。因此，在市政输配水管网的设计、施工和运行过程中要充分考虑水锤对输配水管网的安全、稳定性的影响。理论上只要控制了输配水管网的水流速度和压力突变就可以消除这种现象，在实际操作过程中尤其应对管道的强度薄弱环节予以特别重视。人们在长期对水锤的预防和控制过程中积累了大量的经验，只有深入了解各种水锤防护装置的特性及其消锤原理，才能在对水锤进行详尽计算分析后根据水锤压力变化的特点及经济条件合理选用。
参考文献：
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[7]杨玉思，潘惠民，何青.供水系统中大型减压阀的作用分析[J].中国给水排水，2003，19（7）：82-83.
作者简介：
王秉钧（1988-），男，山东青岛人，助理工程师，主要研究方向为市政给排水。
论文作者:王秉钧1,杨廷浩2
论文发表刊物:《基层建设》2016年2期
论文发表时间:2016/5/28
标签：管道论文; 输水管论文; 重力论文; 防护论文; 减压阀论文; 水压论文; 阀门论文; 《基层建设》2016年2期论文;