王保慶 李青坤 鄒建偉

(濟南市水利建筑勘測設(shè)計研究院， 山東 濟南 250013)

淺析長距離輸水管道停泵水錘的簡易算法及防護

王保慶 李青坤 鄒建偉

(濟南市水利建筑勘測設(shè)計研究院， 山東 濟南 250013)

南水北調(diào)配套續(xù)建工程賈莊至臥虎山水庫輸水工程采用水錘壓力簡易算法對工程設(shè)計方案進行合理比選，并計算了泵站停泵水錘的最大特征值及特征樁號，為管道水錘防護措施提供依據(jù)，在實踐中取得了良好的效果，具有一定的理論與實踐意義。

長距離供水管道； 停泵水錘； 簡易算法； 防護措施

在長距離輸水管道工程運行過程中，水錘對輸水管道的危害很大，往往會產(chǎn)生爆管問題，尤其是管線起伏大、地形復(fù)雜的管道。近年來我國長距離輸水工程逐年增多, 在設(shè)計過程中，針對長距離輸水管道停泵水錘的計算以及防護是設(shè)計人員亟需解決的問題[1-2]。本文結(jié)合南水北調(diào)配套續(xù)建工程賈莊至臥虎山水庫輸水工程，闡述了對停泵水錘的計算及防護。

1 工程概況

濟平干渠賈莊分水閘至臥虎山水庫輸水線路，全長29.62km，其中賈莊提水泵站至羅而莊加壓泵站輸水線路長14.40km，羅而莊加壓泵站至寨而頭加壓泵站輸水線路長9.80km，寨而頭加壓泵站至放水洞輸水線路長5.40km。所經(jīng)線路地貌類型為黃泛沖積平原(0+000～4+000段)、山前傾斜平原(4+000～12+020段)及低山丘陵(12+020～29+618段)，管道沿程敷設(shè)方式均為直接地埋式，輸水流量3.47m3/s，管材選用鋼套筒管和螺旋鋼管，其中鋼管管徑為DN1600，壁厚14mm，部分管段壁厚為20mm。設(shè)計管道的最小管頂覆土深度為1.50m，管道穿越河溝、公路等地段時，管頂覆土厚度不小于2m。工程主要任務(wù)是調(diào)引長江水、黃河水進入臥虎山水庫及直接向用水戶供水，解決濟南市區(qū)水資源嚴(yán)重緊缺狀況，優(yōu)化供水體系，有效利用水庫調(diào)節(jié)庫容，提高供水保證率，適應(yīng)和滿足濟南社會經(jīng)濟發(fā)展，提高人民生活水平及改善投資環(huán)境的需要，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

2 水錘簡易計算法

關(guān)于事故停泵過程中最不利參數(shù)的計算,通常有電算法和圖解法，電算法利用電子計算機解析泵站水錘問題,雖然具有較高精度,但是,計算方法煩冗、費時；圖解法方法非常不便，為此不少學(xué)者和工程技術(shù)人員利用大量計算成果，繪制出各種計算圖表，大大簡化了水錘計算，這就是所謂的水錘簡易計算法[3]。

2.1 帕馬金簡易計算法

美國工程師J.帕馬金最早提出了一組基于圖解曲線的簡易計算法，使計算工作大為簡化[4]，如圖1所示。

圖1 帕馬金水錘圖解曲線

圖解方法是先求出管道特性參數(shù)2ρ、水泵機組轉(zhuǎn)子的慣性系數(shù)K和水錘波在管道中往返一次需要的時間2L/a，然后求出乘積K×2L/a，即可在曲線的縱坐標(biāo)上查出水泵出口處的最大降壓和最大升壓、管道中點的最大降壓和最大升壓等一系列數(shù)據(jù)。其中：

a.水錘波波速。

式中a——水錘波的傳播速度，m/s；

k——水的彈性模量，k=2.06×109Pa，鑄鐵管k=9.80×1010Pa，鋼管k=20.60×1010Pa；

E——管材彈性模量，Pa；

D——水管的公稱直徑，mm；

δ——管壁厚度，mm。

b.管道常數(shù)。

2ρ=av0/gh0

式中v0——水泵額定工況下管中流速，m/s；

h0——水泵額定工況下的揚程，m。

c.機組慣性系數(shù)。

K=182.5N0/

式中K——水泵慣性系數(shù)；

N0——水泵額定工況下的軸功率；

n0——水泵額定轉(zhuǎn)速；

GD2——機組轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量矩。

估算水泵出口裝有逆止閥的停泵水錘值時，可用圖1求出水泵出口處和管道中點處的最大降壓值，然后將其絕對值分別加于水泵處和管道中點處的靜水頭，從而得出逆止閥關(guān)閉時，水泵處和管道中點處的最大升壓值。

2.2 福澤清治簡易計算法

日本工程師福澤清治根據(jù)電子計算機數(shù)百種水錘解析資料歸納出計算曲線圖。該計算方法是考慮了管道的阻力損失及長管道系統(tǒng)可能產(chǎn)生水柱分離的事故停泵水錘的簡易計算法，采用Kμ為橫坐標(biāo)(K為水泵的慣性系數(shù)，μ為水錘相)，采用水錘過程中最低降壓水頭(即實際產(chǎn)生的最低壓力水頭與水泵額定揚程之比)和開始倒流的相對時間γ(實際時間與水錘相時間μ之比)為縱坐標(biāo)繪制而成，并以管路水頭損失占水泵工作揚程的0%、20%、40%、60%、80%這五種情況分別考慮[4]。計算曲線圖如圖2～圖6所示。

圖2 福澤清治水錘圖解曲線(管路損失htp=0%)

圖3 福澤清治水錘圖解曲線(管路損失htp=20%)

圖4 福澤清治水錘圖解曲線(管路損失htp=40%)

圖5 福澤清治水錘圖解曲線(管路損失htp=60%)

圖6 福澤清治水錘圖解曲線(管路損失htp=80%)

3 工程案例分析

南水北調(diào)配套續(xù)建工程賈莊至臥虎山水庫輸水工程，供水規(guī)模3×105m3/d，管材為PCCP和鋼管，管徑1600mm，管厚14mm，管道內(nèi)流速1.73m/s。

3.1 水錘計算

在可行性研究階段，該工程有兩個方案，現(xiàn)采用帕馬金簡易算法對這兩個方案的停泵水錘進行計算，結(jié)果見表1、表2。

表1 方案一：二級提水

表2 方案二：三級提水

表1和表2可以看出：方案一的停泵水錘過大，對管道的強度要求太高，且容易造成事故，為避免停泵水錘對工程造成嚴(yán)重的影響，該工程采用三級提水的方案二。

由于帕馬金圖解法沒有考慮到管道的阻力損失以及長管道系統(tǒng)可能產(chǎn)生水柱分離的事故停泵水錘，其計算結(jié)果可能無法滿足設(shè)計對于安全的需要，工程采用日本福澤清治簡易算法對管路的最大水錘壓力進行計算，并與帕馬金簡易算法的結(jié)果進行對比，結(jié)果見表3。

表3 計算結(jié)果對比

通過表3可以發(fā)現(xiàn)，由帕馬金簡易算法得出的最大水錘壓力值明顯大于福澤清治簡易算法，工程的水錘防護以帕馬金簡易算法的特征值為準(zhǔn)。經(jīng)計算，該工程的三段管線的水錘壓力線如圖7～圖9所示。

圖7 賈莊泵站至羅而莊泵站水錘壓力線

圖8 羅而莊泵站至寨而頭泵站水錘壓力線

圖9 寨而頭泵站至臥虎山水庫放水洞水錘壓力線

3.2 水錘防護措施

a.為避免停泵水錘對工程造成嚴(yán)重的影響，通過采用三級加壓供水有效降低最大水錘壓力。

b.在綜合考慮地形以及投資的情況下，根據(jù)水錘壓力分布線選用不同壓力等級的管材,見表4。

表4 管材選擇

c.選用兩階段關(guān)閉的液壓操作液控緩閉偏心半球閥，在泵站突然停電或事故停泵時，既防止大量水回流造成水泵快速反轉(zhuǎn)，又能防止水錘產(chǎn)生造成的破壞。

d.在管線最大水錘壓力出現(xiàn)的特征樁號布置水錘泄放閥門井，如圖10～圖12所示。

圖10 賈莊至羅而莊泵站段水錘泄放閥門井

圖11 羅而莊泵站至寨而頭泵站段水錘泄放閥門井

圖12 寨而頭泵站至臥虎山水庫放水洞段水錘泄放閥門井

e.在管道的隆起點上和主要交叉建筑物的進出口端，設(shè)置能自動進氣和排氣的彌合水錘預(yù)防閥，用以排除管內(nèi)積聚的空氣；在管道需要檢修、放空時進入空氣，保持排水通暢；產(chǎn)生水錘時可使空氣自動進入，避免產(chǎn)生負(fù)壓。

4 結(jié) 語

在水錘防護措施上，本文依據(jù)帕馬金簡易算法得出的管線沿程水錘壓力線選用不同壓力等級的管材，在保證工程安全運行的基礎(chǔ)上，有效減少了工程投資；在最大水錘壓力出現(xiàn)的特征樁號布置了水錘泄放閥，確保了工程的安全運行。為此類長距離、高揚程大型輸水工程中水錘問題的解決提供了有益參考。

[1] 楊玉思，徐艷艷，羨巨智.長距離高揚程多起伏輸水管道水錘防護的研究[J].給水排水，2009(4).

[2] 金錐,姜乃昌,王興華.停泵水錘及其防護[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[3] 劉竹溪，劉光臨.泵站水錘計算[M].北京:中國水利水電出版社,1988.

[4] 丘傳忻.泵站[M].北京:中國水利水電出版社,2004.

Analysis on the simple algorithm and protection of long-distance water conveyance pipeline pump-stopping water hammer

WANG Baoqing, LI Qingkun, ZOU Jianwei

(JinanWaterConservancyConstructionSurveyandDesignInstitute,Ji’nan250013,China)

In the paper, water hammer pressure simple algorithm is adopted in the Jiazhuang-to-Wohushan Reservoir Water Conveyance Project of South-to-North Water Diversion Project. The project design plans are rationally selected. The maximum characteristic value and characteristic pile number of pump-stopping water hammer in pumping station are calculated, thereby providing basis for pipeline water hammer protective measures. Good effect is achieved in practice with certain theoretical and practical significance.

long distance water supply pipeline; pump-stopping water hammer; simple algorithm; protective measures

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.03.009

TV672+.2

A

1005-4774(2017)03- 0031- 09