（遼寧潤中供水有限責任公司,遼寧沈陽110166）

高揚程大流量輸水工程的水錘防護研究

馬俊彬

（遼寧潤中供水有限責任公司,遼寧沈陽110166）

本文重點介紹了高揚程大流量條件下長距離輸水條件下產(chǎn)生的水錘的特點，研究了關(guān)于水錘的主要算法。文中從管材粗糙度的選擇及高揚程大流量輸水中的減壓問題研究了高揚程大流量輸水的水力學問題，介紹了高揚程大流量輸水容易產(chǎn)生的水錘，并以某工程項目為例，用計算機仿真模擬的方法研究了不同措施下水錘的防止效果，對此類工程的安全運行起到一定的指導作用。

高揚程；大流量；水錘；防護措施

我國南方地區(qū)屬于多水地帶，要想合理引送水資源，就要考慮當?shù)氐那鹆甑赜騿栴}，此地形高低差距大，綿延不絕。因此，在引送水的管道建設(shè)中出現(xiàn)的安全隱患較多，其中最為嚴峻的便是水錘問題。這類問題一直是引水工程建設(shè)中的一大難點，如果發(fā)生了這樣的問題，便會導致供水體系出現(xiàn)損毀，進而為周圍的居民帶來生活上的困擾。

1 關(guān)于水錘的主要算法

在管道建設(shè)的環(huán)節(jié)中，對水錘進行科學合理的計算是尤為必要的。而這在方面的研究中，全球統(tǒng)一采用了特征線法。筆者本著更為便捷地求出結(jié)果的想法，對簡化后的特征線方程組的相容性方程式沿特征線進行積分，進一步得到近似有限差分方程如下：

式中：HP，HB，HA分別為P，B，A點的管路水頭，m；QP，QB，QA分別為P，B，A點的管路斷面的流量，m3/s；a為水錘波傳播速度，m/s；D為管道直徑；t為時間；f為水流摩擦阻力系數(shù)；x為距離，其正方向與流速取為一致。

2 高揚程大流量輸水的水錘防護

2.1 水力學研究

流量范圍廣、起伏差度大、運送距離遠的引水工程可以納入重力運輸水的范疇中，由于該工程所覆蓋的范圍廣，并且流量較大，很可能會出現(xiàn)同普通的重力運輸水有所差異的情況。比如管道材質(zhì)的選擇關(guān)乎著該管道能否承受較大的水壓，并且在檢測管道出現(xiàn)的問題與修理當中，工作人員也要加倍注意，這些均在保障該地區(qū)人們生活上起到舉足輕重的作用。

2.1.1 管材粗糙度的選取

在運送跨距離較遠的水資源時，管道比較長，對于水的損耗大，不計部分的水頭損耗，而是將這段路程中的水輸送損耗納入計算的范圍內(nèi)。并且，由于在施工時水源經(jīng)過的地帶一般都為阻力平方區(qū)，因此在一般的工程計算當中以下列的公式作為參考：

式中：hf——管道沿程損失，m；V——管理水流的平均流速，m/s；R——水力半徑，m；n——管材粗糙度；L——管長，m。

根據(jù)以上的公式得知，運輸環(huán)節(jié)的水管在路途中的損耗同水流的速度以及水管表面的粗糙程度的平方呈正相關(guān)的關(guān)系，如果水流的流量和管道的橫截面積已經(jīng)知曉，那么水資源的損耗則只跟水管表面的粗糙程度有關(guān)聯(lián)。

2.1.2 減壓問題

大高差重力流輸水工程，其原理主要是通過自然形成的地貌特點，從而依靠重力對水進行輸送。一般情況下，測壓管的水壓會遠遠高于靜水壓，可一旦水管中的閥門被鎖定，水管內(nèi)的壓力便跟高低的起伏有著十分緊密的關(guān)聯(lián)。此間，地勢的起伏越大，管道中的壓力也會隨之攀升。這就對水管抵御強壓的品質(zhì)提出了較高的要求，而且資金的投入也是一大難點。所以，科學合理地設(shè)立減少壓力的蓄水池，同時對閥門的松緊程度作出適當調(diào)整都是解決該類問題的有效辦法。

2.2 容易產(chǎn)生的水錘

2.2.1 關(guān)閥水錘

在一般的運行狀態(tài)下，承載利用重力輸送水資源的管道所有地方的靜水壓都遠高于測壓管的水壓；如果水管中的閥門被鎖定，那么重力流管道從起始到終止的高度差距便會小于管道中的所能承受的靜水壓值，同時，地勢的起伏越大，管道中的壓力也會隨之攀升。一旦有操作上的失誤，便會導致瞬間管道內(nèi)的水壓激增，水管中的水錘波便會成為先從頭傳導到尾的負壓波，而負壓波也會讓水管中一些地方的壓力遠小于汽化壓，從而導致水流汽化，進而產(chǎn)生斷流水錘；當傳導至尾端時，還會重新以正壓波的形式進行傳導，這樣下來，不斷碰撞中，水管便會經(jīng)受一波又一波的沖擊，從而對管道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成了極大的損毀。

2.2.2 斷流彌合水錘

對于管道的直徑較大，起伏差值高，距離長遠的重力引水工程建設(shè)中，由于高度的干擾，水流也隨著受到很大的影響。根據(jù)上述文段的原理可得，改變水流的流速必然會引發(fā)水管內(nèi)部的壓力陡升，而當負壓波使得水管中的一些地方的壓力遠小于汽化壓時，便能夠?qū)е滤髌?，進而產(chǎn)生斷流水錘，對水流的連續(xù)性提出了重大挑戰(zhàn)，并且在后續(xù)的不斷沖擊中，會形成斷流彌合水錘，更會對管道的內(nèi)部結(jié)果造成極大的損害。斷流彌合水錘一般是出現(xiàn)于泡沫較少的地帶，而其所能導致的壓力陡升情況非常明顯，實際狀態(tài)下能夠提高到2~4倍。因此，施工人員在該地帶的管道材質(zhì)選取上務必要嚴格地把關(guān)質(zhì)量。從而科學推測出斷流彌合水錘發(fā)生的位置尤為必要，這樣能夠事前對其加以防范，進而規(guī)避不必要的事故的發(fā)生[8]。

3 工程實例

3.1 工程概況

某工業(yè)區(qū)的引水建設(shè)工程可劃分為前后兩期建成。此間，第1期工程主要是通過某河流出口上的6km地帶進行水流的引導，依靠長為46.675 km的管道路線到達工業(yè)區(qū)，總體的長度為51.482 km，而具體的高低差距達到682m。施工方將引導水源的流量設(shè)置為1.0m3/s。第2期工程主要是從該河出口上游河流處向該河調(diào)動水源，并且在目標河的上游設(shè)立蓄水的水庫，從而為工業(yè)區(qū)足夠的水資源提供保障。第1期只是將該河水引入，計算得出的引水總量可以達1175萬m3/a。對于管道的水量安排則是保證能夠在第1次引水中就能達到2期的效果，從而可以得到該河每月的具體引導水量圖，見圖1。

圖1 某河逐月調(diào)水過程（p=95%）

3.2 解決方案

對于樁號7個地方可以分別設(shè)置1臺箱式雙向調(diào)壓塔，而在樁號4個地方分別設(shè)置1臺超壓泄壓閥，同時根據(jù)情況1中相同的位置設(shè)置用于緩沖的排氣裝置，將其流速控制在0.8m/s，同時把關(guān)閉閥門的時長控制在300～420s。這樣的條件下，參照計算機的輔助計算可以得出如圖2所示圖像。

由圖2可以看出：緩沖排氣裝置的具體流速為0.8m/s，在較為合適的地方安裝一個超壓泄壓閥，同時再找一個合適的地方安置箱式雙向調(diào)壓塔，關(guān)閉閥門的時長控制在300～420s的前提下，我們可以知道：首先，可以保證水管的承壓能力可以抵御水錘的最大壓強：其次，在彼此差異較大的工作當中，關(guān)閉閥門的時長并沒有對水管內(nèi)的壓力變化造成任何影響：最后，相較于方案1，此次方案對水錘的壓力調(diào)控更為到位。值得工作人員注意的一點便是要將閥門的滯后效果納入考察的范圍內(nèi)，因為水管中很大程度上會在極短時間發(fā)生壓強暴增的情況，所以對于超壓泄壓閥的滯后效果務必要控制在1s內(nèi)。如果無法保證，將會出現(xiàn)極其嚴重的后果。

圖2 指定樁號處安裝緩沖排氣閥時壓力變化趨勢圖

4 結(jié)論

上文對流量范圍廣，起伏差度大，運送距離遠的重力引水工程進行了深入探究，從而得出了有關(guān)環(huán)境下解決水錘防治問題的有效辦法。對于運輸水資源的工程建設(shè)環(huán)節(jié)，施工方不單單需要將符合當?shù)鼐用袼啃枨蟮牧髁恐导{入考察的范圍，同時也要在生態(tài)的保護上作出努力，從而促使整個建設(shè)環(huán)節(jié)不斷完善。而距離較長、起伏較大的重力引水工程作為高壓輸水中的一類，由于其流量范圍廣的原因，人們很難對其具體情況進行調(diào)控，而科學合理地設(shè)立減少壓力的蓄水池，同時實現(xiàn)控制水流的效果，并且積極對各個分級的水利條件進行穩(wěn)固，設(shè)立流量水位雙控閥不失為控制水流的一個有效辦法。

［1］王樹人.水擊理論與水擊計算［M］.北京：清華大學出版社，1981.

［2］鄧華.管路中水柱分離［D］.武漢：原武漢水力學院，1988.

［3］周述明，等.生態(tài)設(shè)計在水電工程水土保持設(shè)計中的應用［J］.水電站設(shè)計，2011，27（3）：99-102.

［4］劉光臨，劉梅清，馮衛(wèi)民，等.采用單向調(diào)壓塔防止長輸水管道水柱分離的研究［J］．北京:水利學報，2002（09）：44—48.

［5］金錐，姜乃昌，汪興華，等.停泵水錘及防護［M］.第二版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［6］金錐，楊玉思.兩處水柱分離與斷流空腔彌合水錘的研究［A］.第三屆中日流體機械國際學術(shù)會議.大阪，1990.

［7］熊水應，關(guān)興旺，金錐.多處水柱分離與斷流彌合水錘綜合防護問題及設(shè)計實例(上)［J］.給水排水，2003，29（7）：1—5.

［8］鄭源，曲波，張建，等.有壓輸水管道系統(tǒng)含氣水錘防護研究［J］.水動力學研究與進展，2005，20（4）：436—441.

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