长距离供水工程的关阀水锤与线路充填问题探讨

姚财鸿

摘 要：主要分析了长距离供水工程中关阀水锤特性和出现的线路填充现象，在无摩阻输水系统水锤公式的基础上，分别探讨了长距离供水系统的直接水锤和间接水锤，以期能为相关管道设计和运行调度提供理论参考。

关键词：长距离供水工程；直接水锤；间接水锤；线路填充

中图分类号：TV134 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.107

长距离供水工程是解决水资源时空分布不均的主要途径，其沿线地形地质情况比较复杂，存在多条支路，需在多处设置阀门。在工程运行的过程中，水锤会严重影响整个输水系统的安全，而关闭水阀所产生的巨大压力也是不容忽视的。水锤防护和运行调度已经成为了长距离供水工程面临的主要问题之一。如果整个工程受地形条件的限制，就难以采取有效的稳压措施，只能关闭阀门来切断水流，防止其对管道造成破坏。由茹科夫斯基公式可知，在无摩阻的情况下，系统中出现的最大压力可能是由直接水锤引起的，其压力与关阀的时间无关。下面简要探讨了在长距离供水系统中，与直接水锤和间接水锤相关的问题。

1 长距离供水系统直接水锤

无摩阻流体输送只是一种理想的假设，而且是在输水管路很短的情况下获取的，并没有考虑到沿程和局部水力损失的问题。其中，沿程水头损失是长距离输水系统能量耗散的主要部分。在正常的情况下，每千米沿程水力（指管径为2 m、流速为1.5 m和糙率0.012的管道）的损失约0.8 m。当管道达到一定长度后，造成的水头损失将会改变系统关闭水锤的特性。在实际状态下，管道必然存在一定的摩阻，输水系统在正常运行时造成的水头损失也会降低阀前的初始压力，关阀时间不同，计算结果也会不同，如表1所示。

表1 不同关阀时间直接水锤压力特征统计

关阀时间 水锤特征

关阀结束时刻压力/m 阀前最大压力数值/m 阀前最大压力/m 最大压力发生时刻/s

瞬时 252.5 302.2 302.8 100.0

20 s 256.6 298.2 298.4 100.0

50 s 268.2 290.2 289.1 100.0

80 s 274.8 285.4 282.2 100.1

100 s 280.2 281.3 279.4 100.1

由统计结果可知，当长距离供水系统出现直接水锤时，最大水锤压力会随着关阀时间的变化而变化，关阀时间越长，系统产生的压力就越小。系统最大水锤压力的出现时刻在关阀结束时刻之后，即存在一定的滞后性。滞后时间与关阀时间有关，关阀时间越短，最大水锤压力出现的时间就越接近水锤波传播周期的1/2. 长距离供水系统的水流惯性非常大，通常很难快速关闭管道末端阀门，而直接水锤事故也很少发生，因此，关于长距离供水系统直接水锤的探讨并不具备实际操作意义。在此，有参考价值的是管道摩阻引起的水锤数值在量级上的变化。

2 长距离供水系统间接水锤

长距离供水系统的水锤类型以间接水锤为主，管道管材选取和承压等级的确定均与其存在直接的联系，这也是影响输水工程造价和安全的关键因素。由于电站水力水锤理论计算公式

并未考虑到管道摩阻的因素，其与长距离供水系统的能量损失机制也存在很大的差异，所以，相关的水锤理论计算公式也不能套用于长距离供水系统中。由茹科夫斯基计算公式可知，当关闭时间在200 s以内，间接水锤数值就会超过直接水锤数值，在具备一定条件的情况下，甚至会产生类似于直接水锤的效果。这说明，线路填充现象出现在了间接水锤中。

由上述分析可知，供水系统的最大水锤值与关阀时间有很大的关系，但是，从总体情况上来看，并没有体现出比较明确的关阀规律。实际上，各分段折线均呈现出一定的关阀规律，与之前的关阀过程不存在实质性的联系。从多段折线关阀规律中不难看出，关阀过程与得到的水锤压力过程线不同，但是，因为第二段折线规律是相同的，理论计算值非常接近，所以，最大水锤值也基本一致。利用折线关闭规律，在形式上并不能减少最大水锤值，但是，却大幅度缩短了关阀时间，这在很大程度上提高了供水系统的事故响应速度。从折线关阀规律中总结出的一些结论可知，虽然这些规律具有一定的普遍意义，但是，并不意味着它可以无限外延，尤其是首段和折点的直线规律，切不可随意选取。同时，还可以结合管道和阀门的特性进行综合论证，防止系统最大压力出现在关阀过程中，进而产生直接水锤。折线关闭规律可以缩短关阀的时间，但是，要想确保系统最大压力能够出现在关阀结束时，此过程就必须建立在十分可靠的阀门控制操作系统上。通常情况下，多采用蝶阀，但这其中也存在一定的问题——在蝶阀小开度的情况下，形成的机械惯性和巨大水力会促使系统自关，而一旦操控失灵，分段关闭受阻，整个输水系统就面临着巨大的威胁。

3 结束语

综上所述，长距离供水系统的间接水锤特性要比直接水锤更为复杂，而由此产生的线路填充现象也更应该引起关注，受到重视。通过对长距离供水工程中关阀水锤进行分类总结，分析了直接水锤和间接水锤的特性以及出现的线路填充现象，并探讨了茹科夫斯基计算公式的适用范围。结果显示，当出现直接水锤时，最大水锤压力会随着关阀时间的增多而减小，但存在一定的滞后性，其数值要比茹科夫斯基计算公式得出的理论数值大；当出现间接水锤时，如果关闭时间控制不当，也会产生类似直接水锤的效果，进而出现线路填充现象。

参考文献

[1]李景.长距离浆体管道输送系统工程设计及水锤研究[D].沈阳：沈阳大学，2013.

[2]封金磊.关于减小关阀水锤危害的阀调节的优化研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

〔编辑：白洁〕