长距离有压输水系统防水锤设计探析

杨 宇

(辽宁省水利水电勘测设计研究院， 辽宁 沈阳 110001)

长距离有压输水系统防水锤设计探析

杨 宇

(辽宁省水利水电勘测设计研究院， 辽宁 沈阳 110001)

以辽宁省大伙房水库二期工程为研究背景，在对长距离有压输水工程中水锤现象产生的原因进行分析的基础上，提出了设置2座单向调压塔和6座双向稳压塔防止水锤效应发生的思路和方法。

长距离；有压输水；水锤防护；系统设计

水锤现象经常见于水利工程中，是指由于水泵突然的启停或者闸门的开关而在管道内产生的严重水力作用。由于管道内壁具有较高的光滑度，当特殊工况(水泵由开转停，阀门由开转关)发生时，管道内水流在惯性作用下连续冲击阀门和泵，在极短时间内水力骤增，管道局部压强可达平时数值的几十倍，被称为“正水锤”，其破坏力极大。而当与之相反的工况(水泵由闭转开，阀门由关转开)发生时，管网压力迅速减小，造成负压环境，称为“负水锤”。同样会对管道的结构安全和正常运行造成不利影响，工程实际中要引起足够重视。

1 工程概况

大伙房水库二期工程起于抚顺大伙房水库，止于盘锦，横跨抚顺、沈阳、鞍山、辽阳、营口五座城市，并沿途向这些城市供水，保障区域内正常生产生活的进行。整个二期工程全程长度达253km，属长距离、大流量全程密闭有压输水工程。隧洞采用大直径一次成型工艺，直径达6m。内部管道分两段，上游段PCCP材质管道长154km，下游段玻璃钢材质管道长71km。工程配备有5座配水站和1座加压泵站、2座单向调压塔和6座双向稳压塔。值得注意的是，工程全段无中间蓄水池，如不采取有效措施防止水锤效应的发生，很可能在管道转弯处、泵及阀门部位产生较大水力作用，导致阀门和连接件的损坏、水泵的回转及管体的内陷甚至爆管等严重事故的发生，从而影响整个输水系统的安全性。

2 水锤防护系统设计

该工程正水锤易出现于因事故关阀、停泵的分水泵站处，而取水泵站处由于关阀、停泵会产生负水锤。在两个泵站之间的管段往往在不同部位有同时产生正负水锤的可能性。本文水锤防护系统主要从以下几个方面来阐述：

2.1 双向稳压塔防护方案

工程共设置6座双向稳压塔。一号稳压塔(溢流高度为120.0m)位于抚顺配水站桩号6+300处；二、三号稳压塔(溢流高度各为102.0m、98.0m)分别位于沈阳配水站桩号45+550和55+600处；四号稳压塔(溢流高度为80.0m)位于辽阳配水站桩号77+960处；五、六号稳压塔(溢流高度各为68.0m、66.0m)分别位于营盘配水站桩号100+496和桩号140+000处。特别的，为保证输水的可靠性和连续性，在上游干线(刘山隧洞出口至鞍山加压泵站段)，完全采用重力流双向并行供水。

由于工程主管线上游水流量和梯度差较大，是防止水锤现象发生的重点段位，如图1所示，在此以沈阳(2)净水厂至3号稳压塔隔断阀动作设计为例，进行双向稳压塔防水锤方案的重点阐述。

图1 沈阳(2)净水厂至3号稳压塔及其隔断阀布置

图中沈阳(2)净水厂至3号稳压塔之间建设有两条并行管路，1号管路由阀1和阀2控制，全程17.0km，2号管路由阀3和阀4控制。需要对1号管路进行检修时，可通过隔断阀2切断1号管路水流。鉴于管道的对称性，需要对2号管路进行检修时，可通过阀4切断2号管路水流，因两者水力过渡过程相同，隔断阀前后压力变化过程如图2所示。

图2 隔断阀前后压力变化过程

可知：当操作管路末端阀2或阀4时，在确保隔断阀操作正确无误情况下，将操作时间定为900s，最大压力出现在阀前850m处，数值为61.5m水柱高度，最低压力出现在阀后相应距离，数值为13.4m水柱高度。可见高低压数值均在管路可接受压力范围内，水锤现象不明显，符合管道校核内水压标准。

设置双向稳压塔是供水系统防水锤的可靠方法，能有效消除或减轻水锤的不利影响，保证供水管路的安全运行。但是，双向稳压塔的出水口高度必须达到相当数值(一般在40～50m)才能发挥较好调压效果，造成工程投资多、技术难度大，一般大型输水系统会采用，而小型供水系统多倾向于单向塔防护。

2.2 单向调压塔防护

如果在短时间内快速开关阀门或开停泵，会造成水流速度急速上升、水位高度快速升降以及管网压力的显著变化，尤其当突然停泵时较易引起水锤,一旦发生会引起水泵反转、管网压力降低等，对管道、水泵、阀门等装置和部件造成损毁。

鉴于大伙房水库二期工程长度长、落差大，为了解决沿线负压问题,防止如水泵的抽水断电事故或配水站阀门关闭突发等事故产生的负压破坏输水管道，在考虑未来供水要求前提下，比较了多种设塔方案的技术经济指标后,决定将两座塔身直径分别为4.5m及5.5m的单向调压塔设置于营盘配水站出口与鞍山加压站出口。

单向调压塔在输水管道上的装设位置一般位于加压泵后，如图3所示。

图3 单向塔装设位置

管路正常运行时需关闭单向塔逆止阀，使其与主管道隔离，一旦管网压力降低至单向塔正常水位以下，打开逆止阀向管网补水，抵消管网负压。根据实测，操作单向塔逆止阀时，鞍山加压站泵前后压力变化情况如图4、图5所示。

图4 鞍山加压站泵前压力变化情况

图5 鞍山加压站泵后压力变化情况

可知：最大动水压力出现在鞍山加压站泵前300m、600m处，压力值分别为52.0m和49.5m，最小动水压力出现在泵后200m、100m前后，压力值分别为22.8m和35.5m，管网内水压力均满足设计要求，安全余量较富余，无明显水锤效应产生。同时为提高阀门联动可靠性，需延长关阀时间，采用600s关阀。

因此，本工程中单向塔的应用是符合工程实际和设计要求的。不仅能预防管道内液柱分离、控制负压,还可以充分发挥其结构简单、高度低、成本小的优势。

2.3 空气阀辅助防护

抑制和消除管道负压的另外一种较为有效的方法是在管网适当位置设置空气阀。此外，在管道运行及检修时，空气阀还有充、排气作用，可辅助调节管内压力。该工程输水系统主管线每隔800m设置一套空气阀装置，共有1000多个不同类型、尺寸的常压排气阀、真空吸气阀和复合式空气阀协同作用来解决管道中出现的进、排气问题。

3 工程应用建议

结合工程实际特点和经济技术性能进行分析，总结了以下几点建议：

a.当切换双向稳压塔隔断阀时，在确保隔断阀操作正确的前提下，适当加大关阀时间，管网内水压波动均不超过设计范围，正、负水锤现象可基本消除。

b.鉴于工程线路长、流量大，实测中发现，沈阳(2)净水厂以600s关阀时，阀门处最大动水压力数值达78.5m，超过了设计上限，比较危险。可将关阀时间延长到900s或1200s，也可通过更换管路相应部位管材的方式提高抗压标准。

c.根据以往爆管事故经验，出于安全余量和确保系统安全运行的考虑，在输水线路上几大净水厂、配水站和加压泵站关阀时，均应适当减缓关阀时间，以此减轻水力波动在管网内造成的水压。

4 结 语

长距离输水系统的水锤防护关系到整个供水系统的安全运行，本文中大伙房水库二期工程担负着向辽宁中部几大城市供应市民日常生活用水的重任，必须采取措施努力消除输水管网中水锤产生的苗头。根据现场数据实测资料分析，全线设置的2座单向调压塔和6座双向稳压塔完全可以防止管网中水锤效应的发生，为类似水利输水工程在防水锤系统设计方面提供了一定的技术参考。

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Analysis on water hammer resistance design of long-distance pressure water conveyance system

YANG Yu

(InvestigationandDesignInstituteofWaterResourcesandHydropowerLiaoningProvince,Shenyang

110000,China)

Dahuofang Reservoir Stage II Project in Liaoning Province is adopted as research background for analyzing causes of water hammer phenomena in long-distance pressure water conveyance project.On the basis,two one-way pressure regulating towers and six two-way pressure regulating towers are set for preventing water hammer effect.The idea and method are proposed.

long distance;pressure water conveyance;water hammer prevention;system design

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2015.09.011

TV672

A

1005-4774(2015)09-0035-03