北疆某长距离重力式输水管道工程关阀水锤防护措施研究

陆云才

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

北疆某输水工程是满足WS、KT和DSZ区工业、城镇及部分生态用水的长距离管道输水工程。输水管线起始于XTJ引水隧洞进口(底高程655 m)，止于KT市供水点(高程532 m)，输水线路总长182.596 km，其中管道长177.644 km，隧洞长4.952 km。分期建设，一期输水流量16.7～10.8 m3/s，二期输水流量13.3～10.8 m3/s，采用双管有压重力流输水。工程由XTJ水库取水口、引水隧洞、出口稳压水池、输水管道及附属设施、调压水池以及尾部的两座事故备用水库(WS调节水库、KT调节水库)组成，见图1。

图1 管线拓扑示意图

2 长距离重力流输水管道常用水锤防护方法

2.1 水锤防护常用方法

新疆多山区，地形落差大，输水过程中水容易出现水柱分离和断流弥合水锤现象。根据重力流长距离输水水锤防护工程实际，常用的防护措施有气压罐、超压泄压阀、单双向调压塔和箱式调压塔。以上几种水锤防护方法工作原理如下：

1) 气压罐。空气罐是一种内部充有一定量要压缩空气的金属水罐装置。当发生水锤管内压力升高时，原压缩的空气被再度压缩，起到气垫消能作用；而当管内由于突然停泵压力陡降，甚至可能发生水柱分离时，又可利用压缩空气膨胀向管中注水，因而有效地消减了停泵水锤的危害。

2) 超压泄压阀。超压泄压阀是由主阀和先导阀组成的先导式动作阀门，当水锤升压过高时，先导阀首先动作泄压，随后主阀动作泄压，通过泄压进行压力管道水锤防护。

3) 安装单向调压塔。单向调压塔由水箱、浮球阀、单向阀等组成，当管道出现负压时，可向管中注水，防止水柱中断。但不能直接消减正压。

4) 普通双向调压塔。普通双向调压塔构造简单，为一开口的水池—大水柱，装设于输水干管上易于发生水柱分离的高点或折点处，当发生突然事故停泵时，它能向管路中补充水，以防止水柱分离，可有效消减断流弥合水锤升压。当管路中水锤压力升高时，高压水流进入调压塔中，从而起到缓冲水锤升压的作用。

5) 箱式双向调压塔。箱式双向调压塔的调压方式是在其活塞上部承受箱内水深的压力，活塞下部承受管道压力，活塞上部面积大，下部面积小，且其面积的比值根据箱式调压塔的水深即高度要求和管道内压的大小决定。在正常运行时，管道内压等于或小于其最大设计水压，活塞上部总压力大于或等于管道对活塞下部的总压力，活塞静止不动，被压在阀座上，并保持活塞与阀座间的密封。

2.2 水锤防护位置及关阀时间控制

根据北疆某长距离输水工程的实地状况，较适宜设置管道水锤防护装置的位置为33+348、66+298、72+796.79、97+000、158+150和175+000等处。本工程在末端阀门均匀关闭，总关闭时间300 s的情况下对以上各种预防水锤的方法进行验证，提出最优的水锤消除防护措施。

3 不同方法水锤防护计算验证

3.1 水锤计算分段

为方便计算，将北疆某长距离输水工程分成两段计算。第一段：XTJ隧洞出口的稳压水池至调压池进口；第二段：调压池出口至管道末端。

3.2 第一段水锤防护计算验证

1) 气压罐验证：TT河分水阀正常工作，管道末端阀门匀速关闭，在桩号33+348、66+298、72+796.79处安装气压罐的验证计算工况，气压罐初始容积500 m3。见图2。

图2 第一段关阀水锤压力包络线(气压罐验证)

2) 泄压阀验证：TT河分水阀正常工作，管道末端阀门匀速关闭，桩号33+348、66+298、72+796.79处安装超压泄压阀的验证计算工况。见图3。

图3 第一段关阀水锤压力包络线(泄压阀验证)

3) 单向调压塔验证：TT河分水阀正常工作，管道末端阀门匀速关闭，在桩号33+348、66+298、72+796.79处安装单向调压塔的验证计算工况。见图4。

图4 第一段关阀水锤压力包络线(单向调压塔验证)

4) 普通双向调压塔验证： TT河分水阀正常工作，管道末端阀门匀速关闭，在桩号33+348、66+298、72+796.79处安装普通双向调压塔的验证计算工况。见图5。

图5 第一段关阀水锤压力包络线(普通双向调压塔验证)

5) 箱式双向调压塔：指定桩号处安装缓冲排气阀，管道末端阀门匀速关闭，在桩号33+348、66+298 、92+796.79 处安装箱式双向调压塔的非稳定流计算。见图6

图6 第一段关阀水锤压力包络线(箱式双向调压塔验证)

3.3 第二段水锤防护计算验证

1) 气压罐验证。WS分水阀正常工作，末端阀门匀速关闭，桩号158+150、175+000、97+000处安装气压罐的验证计算工况，气压罐初始容积500 m3。见图7。

图7 第二段关阀水锤压力包络线(气压罐验证)

2) 超压泄压阀验证：WS分水阀正常工作，末端阀门匀速关闭，在桩号158+150、175+000、97+000处安装超压泄压阀的验证计算工况。见图8。

图8 第二段关阀水锤压力包络线(泄压阀验证)

3) 单向调压塔验证：WS分水阀正常工作，末端阀门匀速关闭，桩号158+150、175+000、97+000处安装单向调压塔的验证计算工况。见图9。

图9 第二段关阀水锤压力包络线(单向调压塔验证)

4) 普通双向调压塔验证：WS分水阀正常工作，末端阀门匀速关闭，桩号158+150、175+000、97+000处安装普通双向调压塔的验证计算工况。见图10。

图10 第二段关阀水锤压力包络线(普通双向调压塔验证)

5) 箱式双向调压塔：原桩号处安装普通排气阀，在桩号158+150、175+000、97+000处安装箱式双向调压塔。见图11。

图11 第二段关阀水锤压力包络线(箱式双向调压塔验证)

4 结 论

考虑到管道气囊震荡以及排气阀突然起球对管道安全造成的危害，通过以上对水锤非稳定流工况进行计算分析可以得出以下结论：

第一段：XTJ隧洞出口的稳压水池至调压池进口

1) 气压罐：指定桩号处安装缓冲排气阀，在桩号33+348、66+298、72+796.79处分别安装气压罐，末端阀门匀速关闭，总关时间为300 s，大部分管道水锤升压超出管道承压范围，对安全运行存在隐患。

2) 超压泄压阀：在指定桩号处安装缓冲排气阀，桩号33+348、66+298、72+796.79处安装超压泄压阀，末端阀门匀速关闭，总关时间为300 s，大部分管道水锤升压超出管道承压范围，对安全运行存在隐患。

3) 单向调压塔：在指定桩号处安装缓冲排气阀，桩号33+348、66+298、72+796.79处分别安装单向调压塔，末端阀门匀速关闭，总关时间为300 s，大部分管道水锤升压超出管道承压范围，对安全运行存在隐患。

4) 普通双向调压塔：在指定桩号处安装缓冲排气阀，桩号33+348、66+298、72+796.79处分别安装普通双向调压塔，末端阀门匀速关闭，总关时间为300 s，所有管段的水锤升压均降低至安全承压范围之内，降压效果十分明显，满足管道运行安全需求。

5) 箱式双向调压塔：在指定桩号处安装缓冲排气阀，桩号33+348、66+298、72+796.79处分别安装调压塔，末端阀门匀速关闭，所有管段的水锤升压均降低至安全承压范围之内，降压效果十分明显。

第二段：调压池出口至管道末端

1) 气压罐：在原桩号处安装普通排气阀，在指定桩号处安装气压罐，末端阀门匀速关闭，总关时间为300 s，大部分管道水锤升压超出管道承压范围，对安全运行存在隐患。

2) 超压泄压阀：在原桩号处安普通排气阀，在指定桩号处安装超压泄压阀，末端阀门匀速关闭，总关时间为300 s，管道水锤升压超出管道承压范围，对安全运行存在隐患。

3) 单向调压塔：在原桩号处安装普通排气阀、在指定桩号处加装单向调压塔，末端阀门匀速关闭，总关时间为300 s时，管道水锤升压超出管道承压范围，对安全运行存在隐患。

4) 普通双向调压塔：在原桩号处安装普通排气阀、在指定桩号处加装普通双向调压塔，末端阀门匀速关闭，总关时间为300 s时，所有管段的水锤升压均降低至安全承压范围之内，降压效果十分明显。

5) 箱式双向调压塔：在原桩号处安装普通排气阀，在指定桩号处安装箱式双向调压塔，WS分水阀匀速关闭，总关时间为300 s时，所有管段的水锤升压均降低至安全承压范围之内。

5 建 议

超压泄压阀、气压罐及单向调压塔不能满足本工程水锤防护需要，故不推荐使用。只有双向调压塔即普通双向调压塔和箱式双向调压塔可满足本工程水锤防护要求，推荐纳入使用范围，并分析如下：

普通双向调压塔造价昂贵，冬季还需要加热防冻，根据辽宁沈阳大伙房水库输水工程稳压塔概算单估算，本工程6座普通双向调压塔造价约为1.5亿元。而箱式双向调压塔含阀井、排水管等不超过3千万元，仅为普通双向调压塔的五分之一。此外，普通双向调压塔还可能因地震等自然灾害倒塌，造成工程事故；高塔在地面竖立，目标显著，还可能成为恐怖爆炸、投毒等的袭击目标。

而箱式双向调压塔隐蔽性好，可直接设于阀门井内，完全不锈钢阀芯制造，加上每年必须人为动作一次及安全要求，具有基本等同于普通调压塔的安全可靠性，故建议在本工程水锤防护中优先使用箱式双向调压塔。