目前,，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城鎮(zhèn)建設(shè)的需求日益增加,，長距離管道調(diào)水工程已經(jīng)成為解決區(qū)域性缺水和水質(zhì)性缺水必不可少的一部分。長距離輸水管（渠）道工程,，是距離超過10 km的用管（渠）輸送原水,、清水的建設(shè)工程。在長距離重力輸水和長距離壓力輸水中,，因長距離重力輸水具有工程投資少,、維護(hù)管理方便、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),，在條件許可的情況下應(yīng)優(yōu)先選用,。

在重力壓力管流中因流速劇烈變化引起動量轉(zhuǎn)換，從而在管路中產(chǎn)生一系列急驟的壓力交替變化的水力撞擊現(xiàn)象,，稱為水錘現(xiàn)象,。重力輸水管道中無水泵加壓，不存在停泵過程中可能出現(xiàn)的水柱分離及其在彌合問題,，其運(yùn)行過程中需要重點(diǎn)解決管路中閘,、閥突然關(guān)閉和突然打開產(chǎn)生的水錘問題。即在重力輸水正常運(yùn)行過程中,，因流量調(diào)節(jié)或著水池檢修等因素,，需要將管線末端閥的開度減小甚至關(guān)閉時,，若關(guān)閉程序不當(dāng)，容易產(chǎn)生較大的水錘壓力,，可能引起管道中強(qiáng)烈的振動,，從而造成閥門的破壞，管件接頭斷開,，甚至導(dǎo)致管路爆管,。

為保障城鎮(zhèn)供水水質(zhì)和城鎮(zhèn)供水安全性，做好水錘防護(hù)是長距離重力管道工程安全性的關(guān)鍵,。本文以云南省某市水庫長距離重力輸水工程為例, 說明水錘防護(hù)設(shè)計需要從工程措施,、技術(shù)措施、運(yùn)行管理多方面綜合考慮, 并首先考慮工程措施的設(shè)計思路, 以供類似工程參考,。

云南省某市水庫長距離輸水工程為從水庫水源地向南至1#鎮(zhèn)，在1#鎮(zhèn)分為兩根供水管,，一根沿西邊鋪設(shè)，途徑1#水廠,、3#水廠、5#水廠,、7#水廠,、9#水廠和10#水廠，最終供至11#水廠配水井,；一根沿6#鋪設(shè),，途徑2#水廠、4#水廠和6#水廠,，最終供至8#水廠取水泵房,，輸水規(guī)模為15萬m³/d，直線距離總計約159 km,，水源區(qū)與受水區(qū)地面高程高達(dá)146.50 m,。

水庫取水位：水庫正常蓄水位為2 132.00 m，死水位為2 117.00 m,。為保證城市供水水源的取水量,，本設(shè)計取水位選2 119.00 m（比水庫死水位高2.00 m）作為原水輸水管線的最低設(shè)計工作水位,。

輸水管線沿途各水廠參數(shù)如表1所示。

表 1 輸水管線沿途各水廠參數(shù)表

本工程全線采用埋地管道輸水,，管材主要采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）,；KB22+050~KB28+105段地勢高差較大、地形較復(fù)雜、工程地質(zhì)條件較差,，KC47+532~KC49+677段地下水位較高,，以及局部地質(zhì)較差或穿越障礙等處采用鋼管（SP）。各個區(qū)間輸水管道參數(shù)如圖1和表2所示,。

圖 1  水庫原水供水工程示意圖

表2 各區(qū)間輸水管道參數(shù)表

本工程為有壓重力輸水管,，進(jìn)行關(guān)閥水錘數(shù)值模擬研究，以探討末端水廠關(guān)閥引起的管路壓力和水錘壓力變化規(guī)律,，以及合理的水錘防護(hù)措施,。

根據(jù)原水壓力管道平面方案布置圖及簡化的縱斷面圖，建立水錘計算模型,。

水庫供給各個水廠的全線管線穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時水力坡降線如圖2所示,。

圖2 水庫到各水廠管線的縱剖面及穩(wěn)態(tài)水力坡度線

由圖2可知，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下管線中出現(xiàn)的最大管線壓力為140 m,，設(shè)計中原水輸水管設(shè)計壓力為1.60 MPa,，根據(jù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行結(jié)果，該壓力是符合管線運(yùn)行壓力要求的,。危及管線系統(tǒng)安全的潛在因素是由于事故關(guān)閥而引起的關(guān)閥水錘,，這也是本設(shè)計關(guān)注的重點(diǎn)。

考察從設(shè)計起點(diǎn)（某市水庫出水總管）到設(shè)計終點(diǎn)（云南省某市各個水廠進(jìn)水配水井）之間的管段在水錘模擬時間內(nèi)產(chǎn)生的最高水錘壓力值和最低水錘壓力值所形成的水錘包絡(luò)線,。根據(jù)水錘包絡(luò)線判斷是否有超過管道承壓能力的現(xiàn)象,。

（1）水錘波波速：由于水錘波速與管材、壁厚和管徑等相關(guān),，在控制其他條件不變的情況下,，根據(jù)不同管徑和壁厚得到以下水錘波速，DN1600預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道,，v=1 027.80 m/s,；DN1400預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道，v=1 063.80 m/s,；DN1200預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道,，v=1 031.32 m/s；DN1000預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道,，v=1 050.04 m/s,；DN600預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道，v=1 111.21 m/s,；DN500預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道,，v=1 135.59 m/s,。

（2）計算總歷時：5 000 s。

（3）時間步長：△t=0.1 s,。

（4）蒸汽壓力：-97.9 kPa,。

（5）波數(shù)折減系數(shù)：1.000 。

（6）模擬液體：水（20 ℃）,，運(yùn)動黏度（1.004 e-0.006）,，體積彈性模量（2188 128 kPa）。

（7）材料：PCCP,，曼寧系數(shù)（0.013）,，海森-威廉系數(shù)（110），楊氏模量（20 000 000 kPa）,泊松比（0.15）

本計算只對11個水廠同時關(guān)閉閥門產(chǎn)生的關(guān)閥水錘進(jìn)行計算,，這種情況下產(chǎn)生的關(guān)閥水錘破壞最嚴(yán)重,。采用美國BENTLEY公司的水錘計算軟件Hammer V8，通過建立管線水錘計算模型,，輸入相關(guān)參數(shù)（包括初始條件和邊界條件）,，經(jīng)過一系列的試算和調(diào)試，找到經(jīng)濟(jì)合理的水錘解決方案,。

（1）未采取水錘防護(hù)措施時工況

從某水庫到沿線11各水廠的管道沿線共設(shè)置147個普通排氣閥,，平均間距為1 km。在每個水廠的進(jìn)水管道上安裝上快關(guān)閥門,，事故時11個水廠同時快速關(guān)閉閥門,。

將上述邊界條件輸入計算模型，得出水錘包絡(luò)線如圖3所示,。

圖 3 未采取水錘防護(hù)措施時水庫到各水廠水錘壓力包絡(luò)線圖

由圖3可知,，在未采取有效防護(hù)措施時，一旦發(fā)生停泵水錘,，全線局部發(fā)生負(fù)壓,，各個水廠的管線最高自由水頭均超過最高值（詳見表3所示），超過了CECS193：2005城鎮(zhèn)供水長距離輸水管（渠）道工程技術(shù)規(guī)程中6.1.4 水錘防護(hù)措施設(shè)計應(yīng)保證輸水管道最大水錘壓力不超過1.3~1.5倍最大工作壓力,，存在爆管的風(fēng)險,，顯然不符合安全要求。

表3  各水廠最高自由水頭表（無防護(hù)）

（2）采取水錘防護(hù)措施后的工況

將管線沿線設(shè)置的147個普通排氣閥改成168個防水錘復(fù)合式排氣閥（真空破壞與其中排氣閥選擇DN200的普通止回閥改為可多階段關(guān)閉的液控緩雙動式排氣閥,，空氣入流孔為200 mm,，空微量排氣復(fù)合閥），氣流出孔口為20 mm,。另外將每條管道末端閉止回閥,，分兩階段關(guān)閉，先快關(guān),，后慢關(guān),，共歷時300 s，其關(guān)閉規(guī)律描述如表4所示,。

表4  關(guān)閥時間表

同時控制各個水廠的關(guān)閥時間,，盡量避開同一時間關(guān)閥，各個水廠的關(guān)閥時間如表5所示,。

表5 各水廠間隔關(guān)閥時間表

將上述邊界條件輸入計算模型,，得出各個水廠的水錘包絡(luò)線如圖4所示。

圖4 采取水錘防護(hù)措施后水庫到水廠的水錘壓力包絡(luò)線

由圖4可知,，當(dāng)采取適當(dāng)?shù)乃N防護(hù)措施后,，如果發(fā)生11個水廠同時關(guān)閥，管線最高自由水頭壓力值（表6）,，滿足規(guī)范要求,。而且全管無負(fù)壓，方案基本可行,，滿足規(guī)范要求,。

表6  各水廠最高自由水頭表（有防護(hù)）

（3）水錘分析

當(dāng)重力輸水管道中各個水廠的閥門關(guān)閉時，在閥門處會產(chǎn)生較大的水錘壓力,。采用HAMMER V8模擬無優(yōu)化和優(yōu)化兩種情況下各個水廠處閥門壓力的變化情況,，如圖5所示。

圖5 閥門處各個水廠壓力變化圖

由圖5可知：①無論是管道末端同時快速關(guān)閥還是優(yōu)化關(guān)閥過程的關(guān)閥方式,，閥門處的壓力均有升有降,，基本是先升高后降低，壓力波動反復(fù)發(fā)生,，但升降幅度隨著時間的增加而越來越?。粌?yōu)化關(guān)閥后在閥門處產(chǎn)生的最大壓力均小于未優(yōu)化的情況,；②在未進(jìn)行優(yōu)化的情況下,，各個水廠的閥門處均產(chǎn)生了負(fù)壓，這與前文中壓力包絡(luò)線的結(jié)果一致,；③未優(yōu)化的關(guān)閥方式下產(chǎn)生的水錘壓力升降幅度大,，并且在整個6 000 s的計算歷時內(nèi)均產(chǎn)生波動。而在采用優(yōu)化方式關(guān)閥時候可以發(fā)現(xiàn),，在前3 000 s內(nèi)水錘壓力的升降波動情況并不大,，呈現(xiàn)一個整體上升的趨勢，這主要是因為,，在前3 000 s內(nèi)的整個管道系統(tǒng)中,，總有閥門未完全關(guān)閉，導(dǎo)致整個管道系統(tǒng)中未產(chǎn)生較大的水錘壓力升降,。但是按照各水廠錯開關(guān)閥的要求可以發(fā)現(xiàn),，在各個水廠各自閥門關(guān)閉時,，還是在閥門處產(chǎn)生了較小的水錘壓力波動。在3 000 s最后一個關(guān)閥的水廠完成關(guān)閥后,，形成了整個關(guān)閥過程中最大的一個水錘壓力的變化,。因此，可以得出結(jié)論：①采用緩閉關(guān)閥方式與各個水廠錯開時間關(guān)閥方式的結(jié)合可以較小水錘壓力變化,，減小對閥門以及管道的壓力,；②在所有閥門未完全關(guān)閉前不會產(chǎn)生較大的水錘壓力變化，但是水錘壓力會呈現(xiàn)不斷升高的趨勢,，只有在最后一個閥門關(guān)閉時候才會產(chǎn)生最大的水錘壓力變化,，水錘最大的壓力變化推遲到了最后一個閥門關(guān)閉時，因此,，也可以看出,，如果總有一個閥門不關(guān)閉，這在管路系統(tǒng)中,，均不會產(chǎn)生太大的水錘壓力,；③多支線多水廠關(guān)閥過程是中水錘壓力的變化是相互影響的，同時也是具有統(tǒng)一性,。

（1）對于長距離大落差的重力流管道,，管道末端控制閥不同的關(guān)閥時間和方式會對水錘防護(hù)有不一樣的效果，以往通常采用緩閉關(guān)閥方法,。

（2）對于多支線重力壓力輸水管路,，當(dāng)管路無任何水錘防護(hù)措施情況下，同時關(guān)閉主干線及各支線末端水廠調(diào)流閥的數(shù)量越多,，管路的最大壓力和水錘正壓越大,。所有水廠發(fā)生事故同時關(guān)閥，沿線管路產(chǎn)生的壓力最大,。因此,，當(dāng)所有水廠必須關(guān)閥時，建議錯開時間關(guān)閥,。

（3）對于線路長,、沿線起伏變化大的重力流輸水管路，每間隔0.5~1ｋｍ安裝一個具有進(jìn)/排氣功能的空氣閥,，可滿足管路產(chǎn)生負(fù)壓,、首次充水及放空的進(jìn)氣和排氣，在駝峰和向上凸起的拐點(diǎn)處適量增設(shè)空氣閥,，防止管路中產(chǎn)生水柱分離,。超壓泄壓閥通常安裝在管路末端高程較低點(diǎn)或者管路中部某些壓力較大處，其公稱直徑按管道直徑的1/5~1/4選取，界限壓力應(yīng)等于或大于最大正常使用壓力加0.15~0.2 MPa,。對于本文的輸水工程,，通過在管路中設(shè)置空氣閥，在水錘壓力較高處安裝超壓泄壓閥,，可以降低管路沿線最大壓力,，使主干線末端的水錘升壓得到大幅度控制，避免水錘壓力過高而發(fā)生異常事故,，保證管路的安全運(yùn)行,。