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高扬程重力流输水管道水锤防护方法

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王海宾李鑫王鑫于博文

摘要：近些年随着经济的发展，城市化进程日趋加快，跨地域输水工程越来越多。每一个输水工程，从项目设计到最终整体使用都耗费人们大量的心血，如何保障输水工程安全运行受到广泛的关注，而研究输水过程中的水锤防护措施对输水工程的建设具有重大的意义。本文主要针对管道重力流输水过程中的水锤防护进行了分析，结合实际情况和特点，提出合理可行的水锤防护措施。

关键词：重力流输水;输水工程;水锤防护

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

隨着我国工农业现代化建设速度的大幅度提高，淡水资源供求矛盾也日益显现出来，为了促进不同地域发展，大到跨流域“南水北调”、“引滦入津”、“引黄济青”等一系列国家大型输水工程，小到各乡镇的小型输水项目都相继实施。[1]为了减少工程造价和成本，常常依托自然地形地势，采用重力流输水方式。[2]在这种密闭的输水过程中，往往存在气液两相流，从而极易产生压力震荡，甚至产生断流弥合水锤，造成输水管道的严重损害，对人民财产和健康都会造成极大损失。[3]因此，研究总结输水管道水锤防护具有重要的意义。

1 重力流输水系统类别

重力流输水是指在整个输水过程中的水的传递仅依靠重力作用，最大限度利用重力势能，因此能够节省水泵机房等建设管理费用，大大降低工艺运行成本。因此当在地势条件满足，应当首选重力流输水方式。[4]重力流输水可从水力学角度进行分类为：无压流和承压流输水。

1.1 无压流输水方式

输水过程中水的流态与自然河流类似，存在自由水面，水体断面流速和水深受坡底起伏影响，其水流坡度和管道坡度近乎相同，其末端往往是水池、水库等容积式输水构筑物。[5]

1.2 承压流输水方式

承压流输水过程中水流所受压力随着管道距离的增加从初始无压流慢慢增大，其管道末端系统中存在动水压力和静水压力。动水压力在水力坡降和管道坡降相近时可以忽略不计，当管道满管状态时，静水压力为管道两端的地势高差。[6]

2 重力流输水系统水力特点

（1）输水系统末端压力大，易产生关阀水锤。重力流输水系统中管道两端的高差越大其所需承受的压力就越大，输水系统末端的阀门关闭时，管路中会引起较大的压力震荡，重力流输水管线距离长、高差大，水锤波的传播距离长，导致这种压力震荡比平坦管路中发生的压力震荡更大。[7]输水管道中会产生负压水锤波，使管道内部的部分水流发生汽化，破坏了水流的连续性;负压波传递到管道末端又以正压波方式回传，至水柱中断处引发两端水柱剧烈碰撞，水锤波在管道中周而复始传递，导致管路不断受到巨大冲击，极易造成输水管道爆管事故。

（2）易形成断流弥合水锤。重力流输水系统中管道沿线地势起伏较多，在管路的拐折点及凹凸处容易形成断流空腔，随着管道中的断流空腔不断增加，就容易产生断流弥合水锤，其危害性较常规普通水锤危害性更发，特别是在高差较大的运输过程中，极易造成严重管道工程事故。断流弥合水锤的升压原理如下，[8]假设管道中的两股断流水柱的流速和水头分别为v1、v2和H1、H2，满足v1>v2和H1>H2，两股水流碰撞后形成相同的水流速度为v，方向和v2相反，碰撞后的水头设为H。其中v和H可以由公式（1）和（2）计算得到：

直接水锤的计算公式为：

由公式（3）可知断流弥合水锤中的管道内升压的大小主要取决于两股水流的弥合速度，水流升压大小与弥合速度成正比。因此应对管道中可能出现的不同流态进行分析计算，特别是水流发生剧烈变化处如含有微小气泡或管道高程发生突变处产生的水锤应该更加值得注意，应该采取相应有效的措施，降低水锤升压，保障管道的输水安全。

3 水锤防护措施分类

国内外目前对重力输配水过程中水锤现象开展了较为广泛的研究，已经形成了较多有效的防护措施，主要有以下几类：[9]

（1）补水功能设备。在管道输水过程中产生负压或管内压力低于补水设备水压时，向管道中迅速补水，能够有效抑制管道内部负压的形成;

（2）补水补气功能设备。设备能够在低压的时候进行补压，在超压的时候能够及时泄压，有效控制管道中由于气囊运动产生的压力变化;

（3）阀门调节控制设备。利用阀门的开启与关闭对输水干管水流速率的变化进行干扰，利用控制阀门的关闭时长可对水锤压力进行控制。

4 水锤防护设备与特点

4.1 单向调压塔

单向调压塔中的水箱带有浮球，在输水管道处于负压条件时，水箱中的单向阀开启从而向管道中注水，有效防止输水管道中出现的水柱中断过程。

特点：对断流弥合水锤的保护作用有限，对水锤正压力波的波峰值干扰较小，对水锤的保护效果差，水箱容积大，造价成本高。[10]

4.2 双向调压塔

双向调压塔有普通双向调压塔和箱式双向调压塔两种，由于双向调压塔对溢流泄压安全可靠性更高，反应较为灵敏迅速，在水锤防护工程中应用较为广泛。[11]当管道中的压力降低时，双向调压塔开始发挥注水作用，提升管道中的压力，有效避免由于出现水流真空产生的水柱分离问题。若管道内的压力升高，双向调压塔可以利用泄水来降低管道压力。但是普通双向调压塔的安装高度要求必须超过管道的最高水压线，而且还需要保证足够的断面面积来稳定塔内水位波动，导致普通双向调压塔施工困难大，工程造价高。

箱式双向调压塔主要是利用塔内面积不同的上下活塞的移动来控制压力，活塞上部分承受水箱内水压，活塞下部分承受输水管道压力，活塞上部分比下部分面积要大，其面积比值由调压塔高度和输水管道内压力来决定。

假定P1和P2分别为活塞上部和下部的压强，S1和S2分别为上部和下部活塞面积，因此P1×S1和P2×S2 相对大小决定双向调压塔的运行状态，比值大小决定塔的有效高度。当P1×S1≤P2×S2，活塞正常闭合;当P1×S1>P2×S2，活塞整体向上，泄水降压;当P1

4.3 超压泄压阀

管道内部水力条件的变化造成管道内部压力变化，超压泄压阀在管道内部压力过高时，泄压阀门开启，压力释放完成后，泄压阀自动关闭，能够有效防止水锤发生。[12]

4.4 注排气阀

注排气阀安装位置一般为管线的凸起部分，它能根据管道内压力的升高和降低来排出空气和吸入空气来保证管道内压力稳定。其中注空气阀也是其中的一种，这种阀门只能够引入空气，对水锤升压起到一定的消减和缓冲效果，但是由于不能将多余的空气排出管道，因此增大了管道维护的工作量。当前效果最好的是恒速缓冲排气阀，其利用气缸杠杆及时准确的对排气阀起到启闭控制，能够有效避免传统的浮球式排气阀存在的阀口控制不及时的问题。[13]

4.5 空气罐

空气罐是将空气压缩到金属水罐中，一般情况下只有在小管径的输水管道中才能够起到一定作用，而且作用有限，因此其应用不广泛。[14]

4.6 分段增设止回阀

在输水过程中将输水管道分成多个小段，在每段增设止回阀，可缓解各管道压力，能够在一定程度上对距离较长和起伏较多的管道有较好的防护作用。但是多个止回阀的增设，提高了管道铺设成本和施工量，增加了运行费用。[15]

5 结论

社会经济的发展和用水需求量的增加，输水工程在城市建设中的作用越来越大，其中最重要的是做好管道水锤防护工作。实际的运输水过程中，水锤的发生是受多种因素影响，应该对管道和工况进行合理的分析，结合实际，合理科学制定相应的水锤预防方案。以后的发展趋是借助信息和自动化控制技术，实现水锤防护技术的发展，调高输水工程的稳定安全性，促进我国社会和谐稳定发展。

参考文献：

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[14]魏振荣.空气罐的水锤防护特性及其工程应用[J].东北水利水电，2017，35（6）：67-70.

[15]许从愿，王娟，陶光辉.重力流输水管道水锤防护设计的探讨[J].城镇供水，2017（1）：81-84.

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