净水技术|长距离多支线重力原水输水管道关阀水锤分析及防护措施
小编导读
关阀水锤是引起重力输水管道压力骤升的主要原因，同时也影响着输水管道系统的运行安全。云南省某15万m3/d输水工程，输水距离长且沿线有11个水厂，距离总计159 km，水源区与受水区高差达146.50 m。结合工程实例，基于Bentley Hammer V8水锤和瞬态分析软件，对多支线的重力输水管系统中的关阀时间、各水厂关阀顺序以及排气阀的设置等进行了模拟分析，研究水锤压力变化的特点，得出了关阀水锤的解决方案以及水锤防护措施和建议。
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杨 雯，欧阳于蓝，宋子明，孙亚全
（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430000）
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目前，随着我国国民经济的快速发展和城镇建设的需求日益增加，长距离管道调水工程已经成为解决区域性缺水和水质性缺水必不可少的一部分。长距离输水管（渠）道工程，是距离超过10 km的用管（渠）输送原水、清水的建设工程。在长距离重力输水和长距离压力输水中，因长距离重力输水具有工程投资少、维护管理方便、运行费用低等优点，在条件许可的情况下应优先选用。
在重力压力管流中因流速剧烈变化引起动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象，称为水锤现象。重力输水管道中无水泵加压，不存在停泵过程中可能出现的水柱分离及其在弥合问题，其运行过程中需要重点解决管路中闸、阀突然关闭和突然打开产生的水锤问题。即在重力输水正常运行过程中，因流量调节或着水池检修等因素，需要将管线末端阀的开度减小甚至关闭时，若关闭程序不当，容易产生较大的水锤压力，可能引起管道中强烈的振动，从而造成阀门的破坏，管件接头断开，甚至导致管路爆管。
为保障城镇供水水质和城镇供水安全性，做好水锤防护是长距离重力管道工程安全性的关键。本文以云南省某市水库长距离重力输水工程为例, 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。
01
工程概况
云南省某市水库长距离输水工程为从水库水源地向南至1#镇，在1#镇分为两根供水管，一根沿西边铺设，途径1#水厂、3#水厂、5#水厂、7#水厂、9#水厂和10#水厂，最终供至11#水厂配水井；一根沿6#铺设，途径2#水厂、4#水厂和6#水厂，最终供至8#水厂取水泵房，输水规模为15万m3/d，直线距离总计约159 km，水源区与受水区地面高程高达146.50 m。
水库取水位：水库正常蓄水位为2 132.00 m，死水位为2 117.00 m。为保证城市供水水源的取水量，本设计取水位选2 119.00 m（比水库死水位高2.00 m）作为原水输水管线的最低设计工作水位。
输水管线沿途各水厂参数如表1所示。
表 1 输水管线沿途各水厂参数表
本工程全线采用埋地管道输水，管材主要采用预应力钢筒混凝土管（PCCP）；KB22+050~KB28+105段地势高差较大、地形较复杂、工程地质条件较差，KC47+532~KC49+677段地下水位较高，以及局部地质较差或穿越障碍等处采用钢管（SP）。各个区间输水管道参数如图1和表2所示。
图 1 水库原水供水工程示意图
表2 各区间输水管道参数表
2
水锤模拟计算
2.1
管线稳态时运行工况（水锤计算初始条件）
本工程为有压重力输水管，进行关阀水锤数值模拟研究，以探讨末端水厂关阀引起的管路压力和水锤压力变化规律，以及合理的水锤防护措施。
根据原水压力管道平面方案布置图及简化的纵断面图，建立水锤计算模型。
水库供给各个水厂的全线管线稳态运行时水力坡降线如图2所示。
图2 水库到各水厂管线的纵剖面及稳态水力坡度线
由图2可知，在稳态运行情况下管线中出现的最大管线压力为140 m，设计中原水输水管设计压力为1.60 MPa，根据稳态运行结果，该压力是符合管线运行压力要求的。危及管线系统安全的潜在因素是由于事故关阀而引起的关阀水锤，这也是本设计关注的重点。
2.2
水锤计算
考察从设计起点（某市水库出水总管）到设计终点（云南省某市各个水厂进水配水井）之间的管段在水锤模拟时间内产生的最高水锤压力值和最低水锤压力值所形成的水锤包络线。根据水锤包络线判断是否有超过管道承压能力的现象。
2.2.1
相关参数的选择与设置
（1）水锤波波速：由于水锤波速与管材、壁厚和管径等相关，在控制其他条件不变的情况下，根据不同管径和壁厚得到以下水锤波速，DN1600预应力钢筒混凝土管道，v=1 027.80 m/s；DN1400预应力钢筒混凝土管道，v=1 063.80 m/s；DN1200预应力钢筒混凝土管道，v=1 031.32 m/s；DN1000预应力钢筒混凝土管道，v=1 050.04 m/s；DN600预应力钢筒混凝土管道，v=1 111.21 m/s；DN500预应力钢筒混凝土管道，v=1 135.59 m/s。
（2）计算总历时：5 000 s。
（3）时间步长：△t=0.1 s。
（4）蒸汽压力：-97.9 kPa。
（5）波数折减系数：1.000 。
（6）模拟液体：水（20 ℃），运动黏度（1.004 e-0.006），体积弹性模量（2188 128 kPa）。
（7）材料：PCCP，曼宁系数（0.013），海森-威廉系数（110），杨氏模量（20 000 000 kPa）,泊松比（0.15）
2.2.2
水锤计算结果分析
本计算只对11个水厂同时关闭阀门产生的关阀水锤进行计算，这种情况下产生的关阀水锤破坏最严重。采用美国BENTLEY公司的水锤计算软件Hammer V8，通过建立管线水锤计算模型，输入相关参数（包括初始条件和边界条件），经过一系列的试算和调试，找到经济合理的水锤解决方案。
（1）未采取水锤防护措施时工况
从某水库到沿线11各水厂的管道沿线共设置147个普通排气阀，平均间距为1 km。在每个水厂的进水管道上安装上快关阀门，事故时11个水厂同时快速关闭阀门。
将上述边界条件输入计算模型，得出水锤包络线如图3所示。
图 3 未采取水锤防护措施时水库到各水厂水锤压力包络线图
由图3可知，在未采取有效防护措施时，一旦发生停泵水锤，全线局部发生负压，各个水厂的管线最高自由水头均超过最高值（详见表3所示），超过了CECS193：2005城镇供水长距离输水管（渠）道工程技术规程中6.1.4 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，存在爆管的风险，显然不符合安全要求。
表3 各水厂最高自由水头表（无防护）
（2）采取水锤防护措施后的工况
将管线沿线设置的147个普通排气阀改成168个防水锤复合式排气阀（真空破坏与其中排气阀选择DN200的普通止回阀改为可多阶段关闭的液控缓双动式排气阀，空气入流孔为200 mm，空微量排气复合阀），气流出孔口为20 mm。另外将每条管道末端闭止回阀，分两阶段关闭，先快关，后慢关，共历时300 s，其关闭规律描述如表4所示。
表4 关阀时间表
同时控制各个水厂的关阀时间，尽量避开同一时间关阀，各个水厂的关阀时间如表5所示。
表5 各水厂间隔关阀时间表
将上述边界条件输入计算模型，得出各个水厂的水锤包络线如图4所示。
图4 采取水锤防护措施后水库到水厂的水锤压力包络线
由图4可知，当采取适当的水锤防护措施后，如果发生11个水厂同时关阀，管线最高自由水头压力值（表6），满足规范要求。而且全管无负压，方案基本可行，满足规范要求。
表6 各水厂最高自由水头表（有防护）
（3）水锤分析
当重力输水管道中各个水厂的阀门关闭时，在阀门处会产生较大的水锤压力。采用HAMMER V8模拟无优化和优化两种情况下各个水厂处阀门压力的变化情况，如图5所示。
图5 阀门处各个水厂压力变化图
由图5可知：①无论是管道末端同时快速关阀还是优化关阀过程的关阀方式，阀门处的压力均有升有降，基本是先升高后降低，压力波动反复发生，但升降幅度随着时间的增加而越来越小；优化关阀后在阀门处产生的最大压力均小于未优化的情况；②在未进行优化的情况下，各个水厂的阀门处均产生了负压，这与前文中压力包络线的结果一致；③未优化的关阀方式下产生的水锤压力升降幅度大，并且在整个6 000 s的计算历时内均产生波动。而在采用优化方式关阀时候可以发现，在前3 000 s内水锤压力的升降波动情况并不大，呈现一个整体上升的趋势，这主要是因为，在前3 000 s内的整个管道系统中，总有阀门未完全关闭，导致整个管道系统中未产生较大的水锤压力升降。但是按照各水厂错开关阀的要求可以发现，在各个水厂各自阀门关闭时，还是在阀门处产生了较小的水锤压力波动。在3 000 s最后一个关阀的水厂完成关阀后，形成了整个关阀过程中最大的一个水锤压力的变化。因此，可以得出结论：①采用缓闭关阀方式与各个水厂错开时间关阀方式的结合可以较小水锤压力变化，减小对阀门以及管道的压力；②在所有阀门未完全关闭前不会产生较大的水锤压力变化，但是水锤压力会呈现不断升高的趋势，只有在最后一个阀门关闭时候才会产生最大的水锤压力变化，水锤最大的压力变化推迟到了最后一个阀门关闭时，因此，也可以看出，如果总有一个阀门不关闭，这在管路系统中，均不会产生太大的水锤压力；③多支线多水厂关阀过程是中水锤压力的变化是相互影响的，同时也是具有统一性。
3
水锤防护措施及建议
（1）对于长距离大落差的重力流管道，管道末端控制阀不同的关阀时间和方式会对水锤防护有不一样的效果，以往通常采用缓闭关阀方法。
（2）对于多支线重力压力输水管路，当管路无任何水锤防护措施情况下，同时关闭主干线及各支线末端水厂调流阀的数量越多，管路的最大压力和水锤正压越大。所有水厂发生事故同时关阀，沿线管路产生的压力最大。因此，当所有水厂必须关阀时，建议错开时间关阀。
（3）对于线路长、沿线起伏变化大的重力流输水管路，每间隔0.5~1ｋｍ安装一个具有进/排气功能的空气阀，可满足管路产生负压、首次充水及放空的进气和排气，在驼峰和向上凸起的拐点处适量增设空气阀，防止管路中产生水柱分离。超压泄压阀通常安装在管路末端高程较低点或者管路中部某些压力较大处，其公称直径按管道直径的1/5~1/4选取，界限压力应等于或大于最大正常使用压力加0.15~0.2 MPa。对于本文的输水工程，通过在管路中设置空气阀，在水锤压力较高处安装超压泄压阀，可以降低管路沿线最大压力，使主干线末端的水锤升压得到大幅度控制，避免水锤压力过高而发生异常事故，保证管路的安全运行。
推荐参考
杨雯, 欧阳于蓝, 宋子明, 等. 长距离多支线重力原水输水管道关阀水锤分析及防护措施[J]. 净水技术,2018, 37(3).
Yang Wen, Ouyang Yulan, Song Ziming, et al. Analysis and prevention measures of valve-closure water hammer for gravity raw water pipelines system with long-distance and multi-branches[J]. Water Purification Technology, 2018, 37(3).
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