大型灌区自压输水管道水锤防护措施研究进展

马习贺,王振华,3*,何新林,李文昊

1.石河子大学水利建筑工程学院,新疆 石河子 832000

2.现代节水灌溉兵团重点实验室,新疆 石河子 832000

3.宾夕法尼亚州立大学生态系统科学与管理系,美国 宾夕法尼亚 16082

2016年8月，国务院发布的《“十三五”国家科技创新规划》国发〔2016〕43号提出，提升国家水资源安全保障科技支撑能力，开展水资源系统智能调度与精细化管理研究，大力发展水资源的高效开发和节约利用技术[1]。新疆地区地处我国西北内陆，由于降水量少，蒸发量大等自然因素导致干旱缺水。随着经济发展和区域人口的增多，农业用水剧增，用水矛盾日益突出。大型自压管道输水是充分利用地表水资源通过两地高差势能进行重力长距离输水的方式，结合新疆绿洲灌区已经大规模实施的膜下滴灌系统，形成大型自流灌区现代化管道化输配水的自压滴灌系统模式，该灌溉模式具有提高水利用系数、节约水资源，减少能源损耗、绿色环保，适应性强、运行管理方便等诸多优势。当前新疆生产建设兵团已经在南北疆不同灌区进行了试点示范并取得了理想效果。但在输水过程中，最易发生且难控制的水锤问题。自压输水管道因无水泵加压，故无停泵水锤危害[2]，在正常运行过程中，阀门的突然关闭，会使管道始末端的高差远低于管道中最大静水压，流速的急剧变化会瞬间产生升压很大的关阀水锤[3]。关阀水锤一旦发生，会诱发产生断流弥合水锤。水锤波的传递周而复始，水柱中断、弥合不断进行，对管道造成连续冲击，若水锤压力超过管道承压阈值时，会造成管道爆裂等事故，输水的安全性很难控制。因此对于大管径大高差自压输水管道，必须提前进行水锤防护措施的安置，对长距离输水过程中的关阀水锤以及断流弥合水锤防患于未然。本文通过重力流输水管道水锤的防护措施展开分析研究，为自压管道输水过程中水锤防护提供理论基础。

1 管网管径铺设选择中水锤防护

复杂地形条件下重力流输水系统管道供水方式受地形约束较大[4]，管线高度和长度决定了阀门前端的最大水锤压力[5]。采用多级重力流管道分段输水，将长距离管道分成几个较短的管道，能够有效降低管道静水压力、降低管材耐压等级和工程造价、简化输配水条件、减少管理人工、在技术上易于实现。根据水锤发生机理，利用减压水池对管线进行压力分级，可以使管道进水口反射回来的水锤波较早地回到管道末端，从而避免过高的水锤升压[6]。在管道布置中通过加大局部管道埋深，降低管道高程等措施改变平、纵布置，可以避免产生负压并防止因地形高点引发的断流弥合水锤[7]。输水管道通过孔口排气引起的瞬变压力与孔口的大小有关[8]，当孔口直径占管道直径比例约为0.2时，会产生最大瞬变压力，并且随着孔口直径的增大会逐渐减小随后消失[9]，因此在管网优化布置中选择合适的孔口直径尤为重要。同时在管道与阀门的结合处应采用弹性较好的大小头，提高管束之间的焊接质量可有效减少管网漏水量[10]。

2 充放水过程中水锤防护

长距离重力流输水管路在充放水过程中，充水流量越大，管道内特征点的气体压强最大值越大，排气就会不畅，容易引发气爆等水锤破坏事故；充水流量越小、越缓慢则越不会使管道内气体产生较大的压力变化，从而有效防止水锤的发生。放水流量越大，管道内气体压力达到最小值所用时间越短，能达到的最小压力值也越小，会导致管道局部出现真空，继而发生管道凹陷等破坏[11]。孙巍等[12]认为管道初次充水启动应控制充水流速不超过0.3 m/s。在工程实际中，应该采取分段处理，依次充、放水的策略，严格执行末端阀门的控制规律，科学地确定充放水流量，保证管道安全运行[13]。通常情况下充水历时较长，保水是保证管路适时运行和防止水体脱空的重要技术。衔接池长输水管道溢流堰是管路中用于保水的输水结构，它能够避免管道尾部阀门、闸门等保水形式突然关闭导致的水锤压力，并且能够保持管路始终处于有压满管状态。在实际工程中为防止压力输水管路进气和脱空，可以增加衔接池的面积和尾部溢流堰的静水淹没度[14]。该技术在自压管道水流控制中具有广阔的应用前景。

3 不同类型的水锤防护设备及其组合方式

3.1 不同类型的水锤防护设备

在长距离、高扬程、大流量、多起伏的复杂有压输水系统中，管道驼峰等部位较容易聚集气体，如果排气不畅，管道内将会形成气堵现象，严重时会造成气爆事故。在水力过渡过程中，当管路中压强下降至当时水温的汽化压力以下时，水流会发生汽化现象，造成水柱分离，甚至诱发形成断流弥合水锤。因此，应注重管道排气和负压控制等问题。选择具备在水气相间条件下自动大量排气且缓冲关闭功能的排气装置，可有效消减管道中断流弥合水锤升压和气囊运动所带来的危害，保证输水管道的安全运行[15]。目前实际工程中常用的有空气阀、超压泄压阀、止回阀、调压塔以及抗水锤气压罐等多种水锤防护设备，众多专家学者对不同的水锤防护设备在实际应用上的防护效果进行了研究，并且得出了安全合理的水锤防护经验[16-20]。下面就常用水锤防护设备在实际工程的应用做了简单介绍。

3.1.1 空气阀 空气阀又叫排气阀、通气阀，是一种性能优良的进排气设备，其利用气囊的压缩与膨胀对管道进行注水和排气，分离空气与水，具有恒速缓冲功能且构造简单、不受安装条件限制等特点，多用于设备流量较小、扬程较高、控制压力变化范围较广的情况，可作为消减断流弥合水锤的最基本防护措施[19]。在合理位置安装合适进排气孔径的空气阀，可在管路中出现负压时快速补充空气，降低管线负压，也可排出管道运行过程中产生的滞留气团，使水充满管道，有效防止水柱分离再弥合产生的巨大瞬变压力[21,22]。张健等[23]提出了空气阀在不同工况管路中设置的通用准则和公式。郑源等[24]研究表明安装空气阀较没有安装空气阀的管路中水锤最高压力降幅达84%左右、最大真空度降低60%。胡建永等[25]认为空气阀的进排气特性和水锤防护效果与进排气系数具有较大关系，当空气阀具有较高的进气流量系数Cin时，应尽量降低排气流量系数Cout。刘梅清等[26]认为当空气阀进排气流量系数Cin/Cout＞0时水锤防护作用才较为明显。空气阀孔径对水锤防护也具有较大影响，杨开林等[27]研究认为存在一个可以抑止液柱弥合冲击压力或高度真空的最优空气阀孔径。但是管道允许吸入的气体量有限，空气阀进、排气的阻力不相同会使管道中残留的自由空气重新生成气液两相流，不能保证负压持续时间较长的管道系统安全运行。如果管道中的空气排出过快，会使分离水柱弥合时产生撞击，水流速度瞬降，形成附加水锤压力，可达到管道正常工作压力的2.5倍[28]。在工程实际应用中，减小空气阀的排气面积，缓冲闭合流速控制在0.2～0.5 m/s范围内，最高排气速度不超过管道流速，可在一定程度上将水锤升压控制在规范要求的管道承压值范围内并减少空气阀的破坏现象[29]。但是过低的排气速度会导致断流空腔发生不排气压缩工况，产生管道的“气堵”问题，压力反而升高[30]。赵莉等[31]认为在任何流态情况下都能高速进气和恒速缓冲排气的新型的缸式恒速缓冲排气阀可作为长距离输水工程中的理想防护设备。

3.1.2 调压塔 调压塔的工作原理是通过储存一定体积的水，利用压差向管道内注水，升压时压缩空气消能缓冲，降压时补水防负压[32]。单向调压塔是有压供水系统常用的平压措施，相比补气措施更加经济可靠[33]。在管道沿线根据具体情况增加箱内水位或增设多个单向调压塔可以有效消除管道中出现的负压及水柱分离现象，避免断流空腔再弥合水锤的过高升压[34]。单向调压塔通常是修建在工程布置的指定位置，然后根据水锤计算结果确定其高度与面积，但是该方法缺乏理论指导，对节点布置多且复杂的长距离管道很可能漏掉危险的节点。张健等[35]通过理论分析及优化，在考虑多种因素的情况下给出了在适用范围内多个串联单向调压塔的位置设置及高度计算的基本公式，从理论上明确了单向调压塔布置的基本原理。双向调压塔相比单项调压塔管可以在管内压力较高时通过排水来缓冲泄压，能够更好地进行主干管道、支干管道水锤防护[36]，但单向调压塔安装高度低、水箱体积小，更为经济实用[22]。

3.1.3 止回阀 止回阀调节可以有效进行水锤防护，具有广阔的水锤防护理论研究和技术应用的发展前景[16]。止回阀有缓闭止回阀、梭式止回阀等多种类型，也有较多学者对止回阀的水锤特性以及其他特性进行了研究，并根据系统的技术要求进行结构优化[37-39]。可控缓闭止回阀在正常关阀时，可以保证管路系统中不会产生过高的水锤升压并且能够很好地抑制管路中水的倒流[40]。

3.1.4 超压泄压阀 通常布置在管道高程较低位置，在突发事件发生过程中，可以及时将传递增压的水流排泄出去，提高管路对水锤正压的防护能力[41]。超压泄压阀的类型较多，可根据实际工程的具体防护要求来选用。

3.1.5 消能箱 具有水力摩阻和调蓄水池的双重性质，可消减过高的水流余能。可以简化为虚拟阀门和普通水池相串联的调压室形式进行数学建模。

3.2 不同的防护措施组合方式

在管路中设置调压塔、空气阀等其他工程措施进行联合水锤防护，可以在事故发生时及时向管线中补水或补气，以减小输水系统压力的剧烈下降，避免因负压破坏造成爆管事故[42,43]。蒋琳琳等[44]认为通过在管路中设置空气阀以及超压泄压阀，可以有效控制主干线末端的水锤升压并降低管路沿线最大压力。董玉娥等[3]、荣禹等[45]认为采用减压池或减压阀对长距离管道进行压力分级，结合减压恒压阀，在管线重要部位安装箱式双向调压塔或超压泄压阀进行突发高压保护，末端采用两阶段关闭缓闭蝶阀，控制末端阀门开度以预防关阀水锤，管道沿线每隔800～1000 m安装恒速缓冲排气阀，保证管道在任何水流状态下高速大量的及时排气，对于水资源的安全输送以及避免断流弥合水锤的形成都有显著的作用，同时利用输水中的重力势能，采取分段水力发电消能，有效的实现输水的安全及能源的转化。杨玉思等[2,19]在管线中恰当位置设置减压池，并配合空气阀、调压塔、超压泄压阀和缓闭止回阀等防护措施可以对多处断流弥合水锤进行防护。孙巍等[12]认为采用活塞式调节阀调节原水管道输送系统的水量、水压，缓闭气缸式进排气阀控制管道排气与进气，末端阀门采用液控蝶阀，在突发情况下能按程序启闭，可消除破坏性水锤。薛长青等[46]认为采用空气阀、调压室和调压塔的联合水锤防护措施，能避免管道中产生汽化压力，防止发生液柱分离及再弥合现象，有效减小管线最大水锤压力。邢海仙等[47]认为液控止回阀、水锤预作用阀与防水锤型空气阀的组合方案，可以有效解决远端的弥合水锤，并且易于控制、便于调节。韩建军等[48]采用分阶段关阀的方式结合超压泄压阀，既能解决关阀过快引起的水锤升压和降压问题，又能节省关阀时间。张杰[49]认为液力自动阀、注气微排阀、水击泻放阀与水击预防阀的水锤防护方案能有效消除管道系统负压水锤，且能把管道系统水锤压力控制在安全范围。张玲[50]通过在管线上布置空气阀、三级缓排空气阀、集气罐、超压泄压阀(安全阀)及管道末端调流消能阀关闭时间的控制，可有效地保证管道运行安全。

4 阀门启闭对水锤的影响

重力流输水流态是气液两相并存的，在长距离的输水管道进行设计时，要充分重视压力调节和水锤控制的问题。阀门作为流体输送系统中的控制部件，广泛应用于有压管道输水系统中，并且选择合理的阀门类型可以有效减小水锤的产生几率[51]，虞之日等[52]认为末端阀采用活塞阀可取得较好效果。但阀门在启闭过程中会引起流场结构的变化以及复杂涡系的产生，产生水力瞬变，如果阀门动作不当，管网中流量剧烈变化，从而引起压强急剧升高和降低的交替变化，加剧流动损失并对管道产生剧烈的冲击与振动，可能给整个输水系统的安全运行带来威胁[53,54]。合理的改变阀门开度，可以实现管道中流量调节以及压力改变的目的[55]。董茹等[56]认为单独关闭管线末端阀门时，阀门关闭过快会产生较大的水锤升压和降压；同时关闭末端阀门较单独关闭管线阀门时的水锤升压和降压均较大；当阀门同时关闭且较快时，阀下游会引发弥合水锤，其压力比阀门上游正水锤大得多，具有更强破坏力。因此，末端阀门的关闭方式和关闭时间对管道水锤升压变化的影响很明显。供水管道距离长，摩阻损失大，且管道存在多处局部凸起，最优关阀规律在瞬变过程中能够起到很好的削峰降压作用。进行水锤最优阀调节时，以米塞斯应力为优化控制对象，可以使管道最大应力控制在一定范围内，同时也有较好的抑振效果[57]。封金磊[58]对减小关阀水锤的蝶阀调节措施进行了优化，对两阶段关阀、三阶段关阀作了对比分析，并对双阀调节的中间阀门位置和关闭时间做了研究。

4.1 关阀方式

管道内水锤压力的大小不仅取决于管道内介质的流速，而且还与阀门的关闭特性有关[59]。国内外很多学者对重力流的关阀规律及其引起的压力变化进行了研究。Cabelka[60]提出不同的阀门关闭方式会对水锤作用产生不同的影响；Srinivasa[61]提出了分段关闭阀门的方式；Ruuse[62]于1966年在世界上首次确定阀门的最优关闭规律，它可将管道最大压力控制在规定范围内，之后Wylie[28]建立了简单和复杂管道系统的阀调节方法。于静洁等[63]通过不同方法研究确定了供水管网在事故时的阀门关闭方案。黄源等[53]通过粒子群算法优化多阶段线性关阀曲线，认为蝶阀可在前20%的时间内快速关阀至开合度80%左右，然后缓慢至完全关闭。叶青旺等[64]认为日常启闭阀门时关阀要遵循“前快后慢”的原则，开阀要遵循“前慢后快”原则。孙巍等[13]认为在管线停水检修时，针对检修阀门可采用250s内两阶段关阀方式，前100 s内相对快速的关闭80%；后150 s内缓慢至完全关闭。鄂加强等[65]通过对新型旋球阀建立了动力学模型，求解分析认为在水流为5 m/s的情况下，阀门在轴上的扭矩不得大于5500 N·m，关闭时应小于4650 N·m，否则易引起水锤现象。周晋军等[66]对山地灌溉管道在流量相等的情况下PVC球阀快速关闭时上下游凸起部位不同坡段的水锤压力值、水锤压力最大值的变化进行了研究。得出当球阀关闭时间相同时，凸起部位上游球阀关闭时的水锤压力最大值以及水锤压力递减速率均大于下游球阀关闭时的变化规律。实际工程中应避免阀门快关以及同时关闭的操作方式，应通过试验研究选择合理的关阀方式，避免产生过高的水锤压力。

4.2 关阀时间

控制管道末端阀的关闭时间，可以稳定管路的升压值，使水锤压力与关阀后期压力波动的峰值相当，可以预防因关阀太快引起的直接水锤，进而消除水锤危害[67]。阀门的启闭动作越慢、时间越长，流速的变化梯度就越小，越不易产生水锤，阀门的启闭动作越快、时间越短，水的汽化稳定时间越长，流速变化梯度越大，弥合水锤压力就会越大[68]。张健平等[69]建立了完整的用于分析水力过渡过程的梭式止回阀水锤数学模型，通过模型验证了最大水锤压力发生在阀门进口处、随着关阀时间的延长呈现先快速降低而后缓慢减小的规律，并得出阀门的关闭时间在2～3 s之间最为合适，完全关阀后逆流量为零。石喜等[70]通过对阀门关闭方案产生的瞬变流动进行了数值计算，认为管网最大水锤压力随关阀时间的延长而减小，当阀门关闭时间一定时，最大水锤压力的大小在曲线关闭规律下小于直线关闭，两阶段直线关闭规律小于线性关闭。两阶段关阀能够在较短时间内关阀，通过延长第一阶段关闭时间可以降低最大水锤压力波动，同时能够保证第二阶段慢关过程的安全进行。对于不同工况，需要详细的计算并调试，以期得到最优的阀门启闭时间[71]。

5 模拟软件在水锤防护上的应用

对于在瞬态工况下运行的阀门，其模型建立以及水力性能预测都不能完全按照通常的稳态理论进行，动态仿真软件可以更加准确地模拟阀门开启过程中的瞬态特性[72]。汤跃等[55]采用动网格技术模拟阀门开启过程中水流的瞬态变化情况，证明在阀门快速调节的过程中，其开度在10%～20%范围时，水锤压力迅速降低，阀门后出现强烈的旋涡，开度小于50%时，动、静阻力系数值有较大的区别，且随着阀门开度的降低而增大。开度大于50%时，则两者差别较小。同时通过结合Flowmaster和Fluent两款分析软件，确定了阀门调节过程中复杂的边界条件。方成跃等[73]通过流体仿真软件Flowmaster，得出管道水锤波发生变化时，波速变化界面会出现压力波散射现象，且压力波的变化周期与波速大小成反比。当管道中出现局部波速变化时，对管道水锤的影响与其位置密切相关。在关阀引起的水锤现象中，阀门前波速下降可有效改善管路的动态特性，而在管路前端与中段则效果不明显，甚至引起管道内水锤恶化。薛永飞等[74]采用CFD模拟了阀门的关闭过程，得出管道压力波动在阀门关闭的动态过程中的变化规律，同时得出上游管道压力增加，流速减小，阀后涡系扩散，系统能量耗散等结论。李树勋等[75]依据实际工况的疏水阀-管道-凝结水回收装置模型，采用特征线法，用MATLAB软件编程进行数值求解，研究表明疏水阀在开启过程中，水锤压力会随着管道末端流量的增加而增大；等百分比流量特性下水锤压力约为快开流量特性下的50%；疏水阀流量系数减小，阀开启时刻水锤压力幅值则相应减小；并认为在管道结构上采用加装多级节流件的疏水阀可以很好的减缓水锤危害。刘晓初等[76]利用Bentley Hammer水锤模拟软件分析认为，水锤缓冲罐在太阳能智能节水灌溉系统中具有良好的缓解水锤压力的作用。借助计算机应用软件来解决实际工程中的问题是今后重要的研究趋势，研发设计切合实际的新软件、新程序显得尤为重要。

6 总结与展望

自压管道输水具有诸多优势，是自流灌区水资源高效利用的重要输水方式，在管道输水过程中尤其要预防关阀水锤的发生，国内外学者也对此做了大量的实践研究，得出了重要的水锤防护经验。水锤的产生与管道的管线布置方式、初始流速、水锤波速、管道水力特性、阀门特性以及其启闭时间与角度等有着密切的关系。根据管道输水工程的地形、地质条件等综合各项影响要素，利用相关优化方法结合MATLAB等数值模拟软件计算得出合理的管线布置以及最优管径，并选择合适糙率满足耐压阈值的管材。经过缜密的计算分析，选用经济安全、管理方便的水锤防护措施，并且利用ANSYS等仿真模拟软件进行水锤模拟计算，得出最优的关阀规律。由于大型管道输水工程庞大而且复杂，因此可以进行水锤模拟试验的小比例模型有待实现。在运用计算机进行水锤计算时，需要更加精确的推导出阀门以及防护设备边界条件的相关参数以及计算公式，以使编程计算的结果更符合实际工况。根据复杂的瞬间流态问题，具有更佳仿真效果的动态模拟软件仍需要进一步研究开发。

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