原创论文长距离重力流输水管线末端关阀水锤分析及防护

来源：中国给水排水/李建宇，魏举旺摘要：长距离输水管线的一次性投资大，且管网重要程度高，做好水锤防护关系到用水的安全与稳定。以援非某重力流输水工程为例，管网全长57.6km，地势两边高、中间低，且起伏较大，水锤削减存在较大难度。在确定管道最大允许承受压力、关阀时间、关阀方式后，针对危害较大的末端关阀水锤，通过布置进气阀、排气阀、调压塔、超压泄压阀等系列组合防护措施进行软件模拟与分析。结果表明：进气阀、排气阀的传统快进慢排布置并不具备普适性，应根据工程实际情况合理选择布置方法；进气阀、排气阀搭配调压塔能有效消除负压及断流弥合水锤引起的正压，进一步搭配超压泄压阀，可将水锤带来的危害降至管道承受范围内，为输水管线的安全运行提供保障。

来源：中国给水排水/李建宇，魏举旺

摘要：长距离输水管线的一次性投资大，且管网重要程度高，做好水锤防护关系到用水的安全与稳定。以援非某重力流输水工程为例，管网全长57.6km，地势两边高、中间低，且起伏较大，水锤削减存在较大难度。在确定管道最大允许承受压力、关阀时间、关阀方式后，针对危害较大的末端关阀水锤，通过布置进气阀、排气阀、调压塔、超压泄压阀等系列组合防护措施进行软件模拟与分析。结果表明：进气阀、排气阀的传统快进慢排布置并不具备普适性，应根据工程实际情况合理选择布置方法；进气阀、排气阀搭配调压塔能有效消除负压及断流弥合水锤引起的正压，进一步搭配超压泄压阀，可将水锤带来的危害降至管道承受范围内，为输水管线的安全运行提供保障。

李建宇

工程师，从事铁路、市政给排水管网设计工作。

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工程概况

本工程源于非洲某城市供水项目，管网设计规模 Q =14×10 ⁴ m ³ /d，水源接自上游郊区高位水池，通过长达57.6km的输水管网引至下游该城市水厂蓄水池。起点标高为336m，末端标高为189m，全程重力流供水。地势两侧高、中间低，最低点标高为68m，距离起端落差高达268m。系统概况如图1、2所示。

图 1 工程输水管网概况

图 2 管线纵剖面

从图 2可以看出，20～35km区间地势相对较低，管道正常输水过程中，该区间管道工作压力最高可达204 m水柱（1 m水柱产生的压力约为10kPa，下同），一旦发生水锤，管道压力急剧上升，爆管风险异常严重；且该项目位于西非，经济欠发达，运营管理水平相对低下，增加了水锤发生概率。因此，设计出运行可靠、能够有效防护水锤危害的输水系统是研究重点。

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工程模型求解方法

该工程采用特征线法求解，差分方程如下：

式中： Q _T 、 H _T 分别为管道在求解位置的瞬态流量和瞬态水头； Q _L1 、Q _L2 分别为管道L1、L2两点的瞬态流量； H _L1 、H _L2 分别为管道L1、L2两点的瞬态水头； C _a 为管道的特征常数； C _f 为管道的摩阻性常数； C _T 、C _n 分别为水锤特征方程的特征参量； g 为重力加速度； a 为水锤波速； F 为管道的阻力系数；Δ t 为时间步长； D 为管道直径； A 为管道过流面积。

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工程模型分析

3.1 模拟边界条件

管道两侧均为水池，假定水锤发生过程中水池液位不变，供水管网全程采用单根 DN1200的K9球墨铸铁管，壁厚为15.3mm，海森威廉系数为130，管道流速为1.8m/s，水锤波速为1 041m/s。管道工作压力最大为204m水柱，根据《给水排水设计手册》（第3册）的规定，管道允许承压不应超过运行压力的30%～50%，该工程全部按照1.3倍工作压力为目标进行校核，即发生水锤时管道承压不超过265.2m水柱（204m×1.3）。

经模拟，该工程始端关阀不会引发灾难性水锤，主要研究末端关阀水锤。管道全长为57.6km，末端工作压力为31m，在无视管阻的前提下，计算得知关阀时间小于50.9s时发生直接水锤，直接水锤在工程中是要避免的，因此关阀时间不应该小于该值。水锤会随着关阀时间的延长而递减，为了模拟水锤危害较大的情况，该工程将关阀时间定为60s。通过计算 ρτ ₀ >1.5，因此容易发生极限水锤，可以采取先快后慢的关阀方式以降低极限水锤压力。通过多次模拟，最终确定前1/3关阀时间内关闭70%、后2/3关阀时间内关闭30%作为通用的关阀操作方式。

水锤模拟时长为 600s、步长为0.5s，20～35km里程作为水锤压力的控制区间。

3.2 无防护措施的水锤分析

经模拟，末端60s关阀会产生较为剧烈的水锤波动，10km之后的最高压力包络线维持在500m水柱左右，20～35km区间的管道承压高达444m水柱，远远超过265.2m水柱的目标压力值；在6～12km区间，管道最低压力包络线多处位于管中高程线之下，该负压区间引发了严重的断流弥合水锤，产生高达52.7m ³ 的气穴空腔。

水锤模拟效果见图 3。

图 3 60s关阀水锤模拟

3.3 添加进气阀、排气阀的水锤分析

针对图 3模拟结果，当务之急是消除6～12km区间的管道负压，在此区间每隔1km布置1个复合式排气阀，当水流断裂时需要快速补气，水流弥合时需要缓慢排气，防止断流空腔弥合水锤的二次产生。按照常规思路采用快进缓排的方式，首先将进气口口径设置为 100mm，排气口口径设置为20mm。模拟结果见图4（a）。可以看出，负压稍有减缓，管道压力振荡情况减轻，但是该工程地势起伏大，20km处地势陡降，断流在弥合过程中需要爬升，难度较大，排气相对困难，反而不利于消除正压。

图 4 设置进气阀、排气阀的水锤模拟

本研究再次将排气口口径由 20mm调整为100mm，模拟结果见图4（b）。可知，当将排气口调大后，排气速度得到提升，管道始端的正压得到一定程度的缓解，但是受限于该工程地形情况，后续负压及正压均无明显改善，仅靠安装进气阀、排气阀无法将水锤的影响降至可控范围内。

3.4 安装单向调压塔的水锤分析

在安装进气阀、排气阀的基础上，在气穴体积最大的节点安装调压塔。因为该工程负压点发生在管线上游，水头较高，且主要危害是负压，双向调压塔高度必须高于正常水头才能达到 “正压进水，负压补水”的效果，因此从经济方面考虑选择单向调压塔。单向调压塔的3个参数分别为补水管直径、调压塔直径和水位高度，其中补水管直径关系着断流弥合水锤发生时的补水速度，而调压塔直径和水位高度一方面关系着补水体积，另一方面直接关系着工程造价。为确定最合适的调压塔参数，进行了正交试验，见表 1。

表 1 调压塔参数正交试验

该工程补水管直径对弥合水锤的削减至关重要，管径如果选取过小则补水不及时，依旧会发生很严重的气穴，但是当补水速度达到一定值时，即使再加大补水管直径，也无法进一步削减弥合水锤；而调压塔的直径对水锤的削减效果呈现出一定程度的波动，随着池体尺寸的加大，弥合水锤迅速削减， 2m后趋于稳定，但当池体尺寸增大到5m时，始端的气穴量反而加大，到7m时又回归到稳定值，到10m时又升高，之后又回归到正常值；对于池体水位高度而言，其关乎着管道的抗冲击能力，越高则弥合水锤的危害越低，当水位高度达到100m时，管道几乎不会发生任何负压，水锤危害大大降低，管内压力波动十分平缓，但是池体高度关系着工程造价，综合考虑经济性及功能性，选择在12km处安装1个直径为3m、高为6m、补水管管径为0.50m的单向调压塔。

安装调压塔后的水锤模拟结果见图 5。

图 5 设置调压塔的水锤模拟

从图 5可以看出，增加单向调压塔后，与排气阀结合，对负压和空气产生量有很大的影响。除始端外，位于12km附近的中间气穴几乎被全部消除，整个管道的最低压力包络线基本抬升至管道埋深线上方。此外，由于削减了负压产生的断流弥合水锤，最高压力包络线较未安装调压塔之前有了很大改善。单向调压塔配合进气阀、排气阀，对管道水锤的消除具有很显著的效果。

3.5 安装超压泄压阀的水锤分析

在安装单向调压塔之后，发现负压的问题已经解决，但在管道中部仍存在正压超压的情况，引入 1条最大允许压力线（最大允许压力线=管中高程+265.2）与最高压力包络线进行比照（见图6），此时可采用超压泄压阀解决。超压泄压阀的工作主要依赖于对泄压阀滑塞内腔的压力控制，正常输送时，滑塞在内腔设定压力作用下紧紧地与主阀座贴合，使泄压阀处于正常关闭状态，当管线发生水击而异常升压，超过其滑塞内腔所设定的安全控制压力时，在压差的作用下滑塞打开，通过滑塞外腔开始泄压，当管线压力恢复正常工作压力时，滑塞与阀座紧紧贴合，恢复关闭状态，停止泄放，管线恢复正常输送。

图 6 压力比对

超压泄压阀在开启释放压力的同时，管道中的水会随之排出，因此阀门压力不宜设置过低，也不宜设置在多处，应作为最后的调压手段选取，该工程在压力最高的 28km处安装超压泄压阀，设定当工作压力超过265.2m水柱时阀门自动开启进行泄压，模拟结果如图7所示。

图 7 设置超压泄压阀的水锤模拟

至此，该工程 57.6km的水锤削减完成，除影响不大的起端外，水锤产生的负压基本消除，全局的正压也稳定在管道最大允许压力线之下。

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结论及建议

以援非某城市供水项目重力流输水管线为例，进行水锤削减模拟。该工程因两端高、中间低，地势起伏剧烈，关阀时存在较为严重的水锤风险，需采取一系列递进的水锤防护措施，才能实现削减目标，具有一定的参考意义。

① 两端高、中间低的 U形输水管道进气阀、排气阀设置模式采用“快进快排”较传统的“快进慢排”效果更好，在其他工程的水锤削减过程中，应结合具体的地形条件进行分析，得到最适合的进气阀和排气阀尺寸。

② 调压塔的参数选取应兼顾经济性与功能性，可通过正交试验分析来确定 “性价比”最优的区间。

③ 超压泄压阀需搭配其他的水锤削减措施一同设计，作为水锤防护的最后保障进行使用。

本文的完整版刊登在《中国给水排水》2022年第7期，作者及单位如下：

长距离重力流输水管线末端关阀水锤分析及防护

李建宇，魏举旺

（中国铁路设计集团有限公司机械动力与环境工程设计研究院，天津 300308）

该文标准著录格式：

李建宇,魏举旺.长距离重力流输水管线末端关阀水锤分析及防护[J].中国给水排水,2022,38(7):51-55.

LI Jianyu,WEI Juwang.Analysis of v alve c losing w ater h ammer at the e nd of l ong-distance g ravity f low w ater t ransmission p ipeline and i ts p rotection[J].China Water & Wastewater,2022,38(7):51-55 (in Chinese) .

编辑：任莹莹

制作：文凯

审核：李德强