李 倩 習(xí)興梅

1 引言

給水工程是城市建設(shè)中的重要組成部分，而供水管線的布設(shè)是市政給水工程中耗資最大的一部分，管線投資往往占總投資的60%左右，必須保證供水管線安全穩(wěn)定運(yùn)行，才能確保人民群眾的正常生產(chǎn)生活不受影響。而水錘就是最常見的會危害輸配管網(wǎng)安全運(yùn)行的現(xiàn)象，特別是當(dāng)輸配管網(wǎng)鋪設(shè)距離長、落差大、水流快、結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，水錘現(xiàn)象會更加明顯地給整個給水系統(tǒng)帶來危害。在現(xiàn)實生活中，已發(fā)生過多起因水錘現(xiàn)象導(dǎo)致的事故，這些事故往往會損壞輸配管網(wǎng)中的設(shè)備，甚至導(dǎo)致連鎖反應(yīng)或危害人身安全。因此了解水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，掌握水錘的發(fā)展規(guī)律，預(yù)測水錘的產(chǎn)生并采取科學(xué)合理的防護(hù)措施防止水錘的出現(xiàn)，對于保障市政輸配管網(wǎng)的安全運(yùn)行及人民群眾的正常生活有著極為重要的意義。

2 水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

水錘現(xiàn)象是一種形象的稱呼，當(dāng)輸水管道中的水的流速突然改變時，管道內(nèi)會的水壓也會隨之升高或降低，這種壓力的變化會以振蕩波的形式在管道內(nèi)傳播，其能量依靠水流與管壁的碰撞來消納，由于這一過程產(chǎn)生的能量極大，因此水流就會與輸水管道產(chǎn)生劇烈碰撞，嚴(yán)重威脅輸配網(wǎng)管的安全運(yùn)行。

既然水錘現(xiàn)象是因為水流與管道的相互作用形成的，那么根據(jù)市政輸配管網(wǎng)的特性及經(jīng)驗分析，可以得出市政輸配管網(wǎng)中水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生主要有以下兩個方面的原因：

（1）水流的變化：當(dāng)安全閥由關(guān)閉突然變?yōu)殚_啟狀態(tài)時，管道內(nèi)水流的壓力降低；振動波在水流中的傳播；汽蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生導(dǎo)致水流不穩(wěn)定；管道內(nèi)部混入氣體或有氣體排出。

（2）輸水管道的變化：管道閥門突然關(guān)閉或開啟；輸水管道因其他原因出現(xiàn)破損、凹陷、堵塞；水泵的突然開啟或關(guān)閉；與管道相連接的消防栓突然開啟或關(guān)閉。

3 水錘現(xiàn)象對市政輸配管網(wǎng)的影響

上文提到，水錘的產(chǎn)生會嚴(yán)重危害管道的安全，具體影響有以下幾點(diǎn)：

（1）管道內(nèi)壓力的突然增大或減小極大地考驗了管道的承受能力，當(dāng)壓差過大時，可能會在管道內(nèi)產(chǎn)生氣泡，水流會高速沖向氣泡，形成汽蝕，嚴(yán)重的還會導(dǎo)致管道崩塌或爆開。當(dāng)管道原本存在較小的破損情況時，壓力的瞬間變小可能會使地下管道附近的污染物通過管道的破損處進(jìn)入管道內(nèi)部，污染管道內(nèi)的水源。

（2）水錘現(xiàn)象往往伴隨著局部水流的高速沖擊，這些高速流動的水流會沖擊管道內(nèi)壁，使得管道內(nèi)附著的各種物質(zhì)在此作用下從內(nèi)壁脫落進(jìn)入水中，污染市政用水，影響人民的正常生產(chǎn)生活。

（3）水錘現(xiàn)象發(fā)生時必定伴隨著振動波的傳播，振動波在管道內(nèi)傳播時會在其不平整處產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，造成管道間接口處發(fā)生移動，在應(yīng)力的反復(fù)作用下，可能會導(dǎo)致輸配水管道及其附屬設(shè)備嚴(yán)重破損、泄漏和損壞，無法繼續(xù)使用。

（4）管道內(nèi)流體的壓力變化可能會使管道內(nèi)（尤其是凸起部位）的水流汽化，形成蒸汽腔，產(chǎn)生水柱分離現(xiàn)象。此時若蒸汽腔被附近的水流迅速填充，則會產(chǎn)生巨大的瞬時壓力，可能會導(dǎo)致管道變形甚至出現(xiàn)爆管。

4 水錘的防護(hù)措施

4.1 水錘的理論分析

為了采取措施對水錘進(jìn)行防護(hù)，首先應(yīng)對水錘理論進(jìn)行分析，管道內(nèi)壓力變化量的計算遵循以下公式：

其中a為振動波波速，g為重力加速度，H為測壓管水頭，V為管道內(nèi)流體速度。

當(dāng)流體在管道內(nèi)流動時，遵循以下方程：

表1

未作說明的參數(shù)含義與上述參數(shù)含義相同。

4.2 水錘防護(hù)措施

水錘對管道有極大的危害，其防護(hù)措施需要從輸配管網(wǎng)的設(shè)計和運(yùn)行兩方面入手，下面介紹了某地區(qū)市政輸配管網(wǎng)設(shè)計、運(yùn)行階段的水錘防護(hù)措施。

4.2.1 設(shè)計階段

在市政輸配管網(wǎng)的設(shè)計階段，水錘的防護(hù)措施應(yīng)從減小管道內(nèi)水流速度、水壓入手，該工程采取的防護(hù)措施有以下幾種：

（1）設(shè)置調(diào)壓塔：調(diào)壓塔由水箱、注水管、滿水管組成，單向調(diào)壓塔可以防止負(fù)壓的產(chǎn)生，雙向調(diào)壓塔既可以防止負(fù)壓的產(chǎn)生，也可以防止正壓的產(chǎn)生。該地區(qū)在設(shè)計階段選用了雙向調(diào)壓塔，可以避免輸水管道內(nèi)壓力的大幅度升高或降低，從而消除斷流彌合水錘。

（2）設(shè)置空氣閥：空氣閥可以水柱分離現(xiàn)象出現(xiàn)時從外界吸收空氣，防止真空環(huán)境的形成，弱化水柱分離現(xiàn)象；當(dāng)水柱復(fù)合時關(guān)閉主氣孔，打開小氣孔，防止氣體快速大量排出，減緩水柱復(fù)合速度的同時使氣體從小氣孔緩慢排出，防止管內(nèi)長時間充斥氣體。

（3）設(shè)置空氣罐：空氣罐內(nèi)部充有壓縮空氣，當(dāng)管內(nèi)壓力發(fā)生突變時，空氣罐內(nèi)的壓縮氣體可以有效吸收并釋放水錘產(chǎn)生的能量，該地區(qū)在設(shè)計階段選擇了氣囊式空氣罐，該類型的空氣罐可以有效防止壓縮空氣進(jìn)入管道內(nèi)部，可以延長充氣周期，減少維護(hù)工作。

（4）安裝止回閥：止回閥只允許流體沿一個方向流動，防止流體向反方向流動，為了減弱某些操作造成的高壓水錘，該工程采用緩閉止回閥，允許流體在管道內(nèi)局部反方向流動。

（5）設(shè)置進(jìn)排氣閥：該地區(qū)輸配管網(wǎng)中的輸水管道坡度為0.08%，根據(jù)管路情況，通過計算確定實際施工時每個進(jìn)排氣閥間距為0.6km。

4.2.2 運(yùn)行階段

除了設(shè)計階段，在市政輸配管網(wǎng)建成后，運(yùn)檢部門也必須遵循相關(guān)規(guī)定進(jìn)行各種操作，最大程度降低水錘發(fā)生的幾率，保護(hù)輸配管網(wǎng)的安全運(yùn)行，運(yùn)行階段主要從以下三個方面進(jìn)行水錘防護(hù)：

（1）開關(guān)閥：在運(yùn)行中需要對開關(guān)閥進(jìn)行操作時，應(yīng)注意操作速度，盡量緩慢地開啟或閉合閥門，防止管內(nèi)壓力發(fā)生突變，避免水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（2）啟泵時的防護(hù)：為了避免啟泵時的壓力突變，在啟泵前要確保管道內(nèi)的氣體已經(jīng)全部排出。在進(jìn)行啟泵操作時嚴(yán)格遵循以下原則：①啟泵前保證除水泵出口閥門處于開啟狀態(tài)；②啟泵時如果管道內(nèi)沒有流體，應(yīng)逐個啟泵，嚴(yán)禁短時間內(nèi)大量啟泵。

（3）停泵時防護(hù)：停泵應(yīng)確保水泵出口閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，該地區(qū)部分裝設(shè)了離心泵，對于離心泵，停泵時不必關(guān)緊閥門，但要保證關(guān)閉至70%以上再進(jìn)行停泵操作。

對該地區(qū)市政輸配管網(wǎng)進(jìn)行水錘防護(hù)試驗，在最不利工況下進(jìn)行測試，因管網(wǎng)瞬時狀態(tài)時某上游輸水管道承受壓力最大，因此選擇該地段進(jìn)行監(jiān)測。該地段裝設(shè)了空氣罐及進(jìn)排氣閥，測試結(jié)果如下圖，根據(jù)結(jié)果可以判斷，該地段管道不存在過壓情況，水錘引起的壓力升高最大值在30m水柱左右，對輸配管網(wǎng)整體安全運(yùn)行無威脅，可以有效保證市政給水系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

圖1 水錘防護(hù)試驗結(jié)果

5 結(jié)束語

水錘是市政輸配管網(wǎng)中經(jīng)常出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，并且具有很強(qiáng)的破壞性。為了確保城市給水系統(tǒng)的安全運(yùn)行，必須重視市政輸配管網(wǎng)的設(shè)計、施工和運(yùn)行等各個環(huán)節(jié)中對水錘的防護(hù)，其中不僅僅需要依靠大量的工程經(jīng)驗，還需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計算、建模及仿真，才能最大程度上保障管網(wǎng)的安全。