分析與總結(jié)：長距離有壓輸水系統(tǒng)防水錘設(shè)計探析
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作者: 張倩
水錘現(xiàn)象經(jīng)常見于水利工程中，是指由于水泵突然的啟�；蛘唛l門的開關(guān)而在管道內(nèi)產(chǎn)生的嚴(yán)重水力作用。由于管道內(nèi)壁具有較高的光滑度，當(dāng)特殊工況（水泵由開轉(zhuǎn)停，閥門由開轉(zhuǎn)關(guān)）發(fā)生時，管道內(nèi)水流在慣性作用下連續(xù)沖擊閥門和泵，在極短時間內(nèi)水力驟增，管道局部壓強可達(dá)平時數(shù)值的幾十倍，被稱為“正水錘”，其破壞力極大。而當(dāng)與之相反的工況（水泵由閉轉(zhuǎn)開，閥門由關(guān)轉(zhuǎn)開）發(fā)生時，管網(wǎng)壓力迅速減小，造成負(fù)壓環(huán)境，稱為“負(fù)水錘”。同樣會對管道的結(jié)構(gòu)安全和正常運行造成不利影響，工程實際中要引起足夠重視。
1工程概況
大伙房水庫二期工程起于撫順大伙房水庫，止于盤錦，橫跨撫順、沈陽、鞍山、遼陽、營口五座城市，并沿途向這些城市供水，保障區(qū)域內(nèi)正常生產(chǎn)生活的進行。整個二期工程全程長度達(dá)253km，屬長距離、大流量全程密閉有壓輸水工程。隧洞采用大直徑一次成型工藝，直徑達(dá)6m。內(nèi)部管道分兩段，上游段PCCP材質(zhì)管道長154km，下游段玻璃鋼材質(zhì)管道長7lkm。工程配備有5座配水站和l座加壓泵站、2座單向調(diào)壓塔和6座雙向穩(wěn)壓塔。值得注意的是，工程全段無中間蓄水池，如不采取有效措施防止水錘效應(yīng)的發(fā)生，很可能在管道轉(zhuǎn)彎處、泵及閥門部位產(chǎn)生較大水力作用，導(dǎo)致閥門和連接件的損壞、水泵的回轉(zhuǎn)及管體的內(nèi)陷甚至爆管等嚴(yán)重事故的發(fā)生，從而影響整個輸水系統(tǒng)的安全性。
2水錘防護系統(tǒng)設(shè)計
該工程正水錘易出現(xiàn)于因事故關(guān)閥、停泵的分水泵站處，而取水泵站處由于關(guān)閥、停泵會產(chǎn)生負(fù)水錘。在兩個泵站之間的管段往往在不同部位有同時產(chǎn)生正負(fù)水錘的可能性。本文水錘防護系統(tǒng)主要從以下幾個方面來闡述：
2.1 雙向穩(wěn)壓塔防護方案
工程共設(shè)置6座雙向穩(wěn)壓塔。一號穩(wěn)壓塔（溢流高度為120. 0m）位于撫順配水站樁號6+300處；二、三號穩(wěn)壓塔（溢流高度各為102. 0m、98. 0m）分別位于沈陽配水站樁號45 +550和55 +600處；四號穩(wěn)壓塔（溢流高度為80．0m）位于遼陽配水站樁號77 +960處；五、六號穩(wěn)壓塔（溢流高度各為68. 0m、66. 0m）分別位于營盤配水站樁號100 +496和樁號140 +000處。特別的，為保證輸水的可靠性和連續(xù)性，在上游干線（劉山隧洞出口至鞍山加壓泵站段），完全采用重力流雙向并行供水。
由于工程主管線上游水流量和梯度差較大，是防止水錘現(xiàn)象發(fā)生的重點段位，如圖l所示，在此以沈陽(2)凈水廠至3號穩(wěn)壓塔隔斷閥動作設(shè)計為例，進行雙向穩(wěn)壓塔防水錘方案的重點闡述。
圖中沈陽(2)凈水廠至3號穩(wěn)壓塔之間建設(shè)有兩條并行管路，1號管路由閥1和閥2控制，全程17. 0km，2號管路由閥3和閥4控制。需要對l號管路進行檢修時，可通過隔斷閥2切斷l(xiāng)號管路水流。鑒于管道的對稱性，需要對2號管路進行檢修時，可通過閥4切斷2號管路水流，因兩者水力過渡過程相同，隔斷閥前后壓力變化過程如圖2所示。
可知：當(dāng)操作管路末端閥2或閥4時，在確保隔斷閥操作正確無誤情況下，將操作時間定為900s，最大壓力出現(xiàn)在閥前850m處，數(shù)值為61. 5m水柱高度，最低壓力出現(xiàn)在閥后相應(yīng)距離，數(shù)值為13. 4m水柱高度�？梢姼叩蛪簲�(shù)值均在管路可接受壓力范圍內(nèi)，水錘現(xiàn)
象不明顯，符合管道校核內(nèi)水壓標(biāo)準(zhǔn)。
設(shè)置雙向穩(wěn)壓塔是供水系統(tǒng)防水錘的可靠方法，能有效消除或減輕水錘的不利影響，保證供水管路的安全運行。但是，雙向穩(wěn)壓塔的出水口高度必須達(dá)到相當(dāng)數(shù)值（一般在40 - 50m）才能發(fā)揮較好調(diào)壓效果，造成工程投資多、技術(shù)難度大，一般大型輸水系統(tǒng)會采用，而小型供水系統(tǒng)多傾向于單向塔防護。
2.2單向調(diào)壓塔防護
如果在短時間內(nèi)快速開關(guān)閥門或開停泵，會造成水流速度急速上升、水位高度快速升降以及管網(wǎng)壓力的顯著變化，尤其當(dāng)突然停泵時較易引起水錘，一旦發(fā)生會引起水泵反轉(zhuǎn)、管網(wǎng)壓力降低等，對管道、水泵、閥門等裝置和部件造成損毀。
鑒于大伙房水庫二期工程長度長、落差大，為了解決沿線負(fù)壓問題，防止如水泵的抽水?dāng)嚯娛鹿驶蚺渌鹃y門關(guān)閉突發(fā)等事故產(chǎn)生的負(fù)壓破壞輸水管道，在考慮未來供水要求前提下，比較了多種沒塔方案的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)后，決定將兩座塔身直徑分別為4. 5m及5. 5m的單向調(diào)壓塔設(shè)置于營盤配水站出口與鞍山加壓站出口。
單向調(diào)壓塔在輸水管道上的裝設(shè)位置一般位于加壓泵后，如圖3所示。
管路正常運行時需關(guān)閉單向塔逆止閥，使其與主管道隔離，一旦管網(wǎng)壓力降低至單向塔正常水位以下，打開逆止閥向管網(wǎng)補水，抵消管網(wǎng)負(fù)壓。根據(jù)實測，操作單向塔逆止閥時，鞍山加壓站泵前后壓力變化情況如圖4、圖5所示。
可知：最大動水壓力出現(xiàn)在鞍山加壓站泵前300m、600m處，壓力值分別為52. 0m和49. 5m，最小動水壓力出現(xiàn)在泵后200m、l00m前后，壓力值分別為22. 8m和35. 5m，管網(wǎng)內(nèi)水壓力均滿足設(shè)計要求，安全余量較富余，無明顯水錘效應(yīng)產(chǎn)生。同時為提高閥門聯(lián)動可靠性，需延長關(guān)閥時間，采用600s關(guān)閥。
因此，本工程中單向塔的應(yīng)用是符合工程實際和設(shè)計要求的。不僅能預(yù)防管道內(nèi)液柱分離、控制負(fù)壓，還可以充分發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡單、高度低、成本小的優(yōu)勢。
2.3空氣閥輔助防護
抑制和消除管道負(fù)壓的另外一種較為有效的方法是在管網(wǎng)適當(dāng)位置設(shè)置空氣閥。此外，在管道運行及檢修時，空氣閥還有充、排氣作用，可輔助調(diào)節(jié)管內(nèi)壓力。該工程輸水系統(tǒng)主管線每隔800m設(shè)置一套空氣閥裝置，共有1000多個不同類型、尺寸的常壓排氣閥、真空吸氣閥和復(fù)合式空氣閥協(xié)同作用來解決管道中出現(xiàn)的進、排氣問題。
3工程應(yīng)用建議
結(jié)合工程實際特點和經(jīng)濟技術(shù)性能進行分析，總結(jié)了以下幾點建議：
a．當(dāng)切換雙向穩(wěn)壓塔隔斷閥時，在確保隔斷閥操作正確的前提下，適當(dāng)加大關(guān)閥時間，管網(wǎng)內(nèi)水壓波動均不超過設(shè)計范圍，正、負(fù)水錘現(xiàn)象可基本消除。
b．鑒于工程線路長、流量大，實測中發(fā)現(xiàn)，沈陽(2)凈水廠以600s關(guān)閥時，閥門處最大動水壓力數(shù)值達(dá)78. 5m，超過了設(shè)計上限，比較危險�？蓪㈥P(guān)閥時間延長到900s或1200s，也可通過更換管路相應(yīng)部位管材的方式提高抗壓標(biāo)準(zhǔn)。
c．根據(jù)以往爆管事故經(jīng)驗，出于安全余量和確保系統(tǒng)安全運行的考慮，在輸水線路上幾大凈水廠、配水站和加壓泵站關(guān)閥時，均應(yīng)適當(dāng)減緩關(guān)閥時間，以此減輕水力波動在管網(wǎng)內(nèi)造成的水壓。
4結(jié)語
長距離輸水系統(tǒng)的水錘防護關(guān)系到整個供水系統(tǒng)的安全運行，本文中大伙房水庫二期工程擔(dān)負(fù)著向遼寧中部幾大城市供應(yīng)市民日常生活用水的重任，必須采取措施努力消除輸水管網(wǎng)中水錘產(chǎn)生的苗頭。根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實測資料分析，全線設(shè)置的2座單向調(diào)壓塔和6座雙向穩(wěn)壓塔完全可以防止管網(wǎng)中水錘效應(yīng)的發(fā)生，為類似水利輸水工程在防水錘系統(tǒng)設(shè)計方面提供了一定的技術(shù)參考。
5摘要以遼寧省大伙房水庫二期工程為研究背景，在對長距離有壓輸水工程中水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進行分析的基礎(chǔ)上，提出了設(shè)置2座單向調(diào)壓塔和6座雙向穩(wěn)壓塔防止水錘效應(yīng)發(fā)生的思路和方法。
