打磨崗灌區(qū)壓力管道水擊壓強(qiáng)的計(jì)算與防護(hù)

□王 東（南陽市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院）

打磨崗灌區(qū)壓力管道水擊壓強(qiáng)的計(jì)算與防護(hù)

□王 東（南陽市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院）

水擊是壓力管道中經(jīng)常出現(xiàn)的一種現(xiàn)象，對于壓力管道的安全和穩(wěn)定具有極大的危害，壓力管道的破壞常常是由于水擊壓強(qiáng)而引起的。因此，如何進(jìn)行水擊壓強(qiáng)計(jì)算和采取什么樣的措施來減小水擊壓強(qiáng)，是一個值得仔細(xì)研究的課題。本文結(jié)合內(nèi)鄉(xiāng)縣打磨崗灌區(qū)骨干工程，對壓力管道水擊壓力防護(hù)措施進(jìn)行了初步的探討。

壓力管道；水擊；計(jì)算；防護(hù)

1.水擊及其危害

水擊是壓力管道中一種重要的非恒定流。當(dāng)壓力管道中的流速因外界原因而發(fā)生急劇變化時，引起液體內(nèi)部壓強(qiáng)迅速交替升降的現(xiàn)象，這種交替升降的壓強(qiáng)作用在管壁、閥門或其他管路元件上好像錘擊一樣，稱為水擊。

水擊引發(fā)的壓強(qiáng)的升高或降低，有時會達(dá)到很大的數(shù)值，處理不當(dāng)將導(dǎo)致管道系統(tǒng)發(fā)生強(qiáng)烈的震動，引起管道嚴(yán)重變形甚至爆裂。因此，在壓力管道引水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，必須進(jìn)行水擊壓力計(jì)算，并研究防止和削弱水擊作用的措施。

2.工程簡介

打磨崗灌區(qū)位于內(nèi)鄉(xiāng)縣城東北部，灌區(qū)效益馬山、余關(guān)、王店3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的22個行政村，總?cè)丝?.8萬人，控制土地面積0.489萬hm2，設(shè)計(jì)灌溉面積0.341萬hm2。

灌區(qū)從打磨崗水庫取水，采用壓力管道輸水。灌區(qū)設(shè)計(jì)干管1條，輸水管線長10.15km，管徑1.4～0.6m；支管4條，管線總長21.45km，其中一支管設(shè)計(jì)流量0.26m3/s，長3.45km，管徑0.5m；二支管設(shè)計(jì)流量0.72～0.13m3/s，長10.9km，管徑1.0～0.4m，；三支管設(shè)計(jì)流量0.36m3/s，長6.0km，管徑0.6m；四支管設(shè)計(jì)流量0.25m3/s，長1.1km，管徑0.6m。輸水管道采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管道或螺旋自動埋弧焊接鋼管（穿河倒虹和穿公路）。根據(jù)管道水力計(jì)算，壓力管道中最大水頭可達(dá)33.2m。因此在進(jìn)行管道水力計(jì)算時，必須考慮水擊壓力的影響，并采取相應(yīng)的防護(hù)措施，對管道的安全運(yùn)行有著非常重要的意義。

3.管道水擊計(jì)算

管道水擊計(jì)算時，管道的計(jì)算長度就是從閥門開始到上游離它最近的安全閥（調(diào)壓井）之間的距離，閥門的關(guān)閉時間按照操作規(guī)程確定。

3.1 水擊波傳播速度

式中：C—均質(zhì)圓形管水擊傳播速度，單位為m/s;K—水的體積彈性模數(shù)，單位為kN/m2;D—管道管徑，單位為m;E—管材縱向彈性模數(shù)，單位為kN/m2;e—管壁壁厚，單位為m;α—K與E的比值，鋼筋混凝土管道α=0.10。

3.2 水擊類型判別

由計(jì)算管段長度和水擊波速可計(jì)算出水擊波在管路中往返一次所需的時間，即水擊相時；然后根據(jù)閥門關(guān)閉歷時與水擊相時確定水擊類型，即直接水擊或間接水擊。當(dāng)閥門關(guān)閉歷時等于或小于一個水擊相時，瞬時關(guān)閉閥門所產(chǎn)生的水擊為直接水擊，否則為間接水擊。水擊相時公式如下：

式中：Tt—水擊相時，單位為s;L—計(jì)算管段長，單位為m;C—水擊波速，單位為m/s。3.3水擊水頭

式中：Hd—直接水擊水頭，單位為m;Hi—間接水擊水頭，單位為m;C—水擊波速，單位為m/s；L—計(jì)算管段管長，單位為m;V0—閥門前水的流速，單位為m/s;Tt—水擊相時，單位為s;Tg—關(guān)閉閥門時間，單位為s，取30s;g—重力加速度，單位為m/s2。

以干管計(jì)算為例，干管上在接二支口和管道末端各布置一蝶閥。計(jì)算成果如表1所示。

表1 干管水擊計(jì)算表

將管道中正常計(jì)算的壓力水頭加上水擊產(chǎn)生的壓力水頭，就是管道中壓力水頭的最大值，是用來控制管道級別的重要數(shù)據(jù)。

4.水擊壓力防護(hù)措施

為確保管道安全運(yùn)行，除在設(shè)計(jì)中慎重考慮外，更應(yīng)加強(qiáng)管理，制定和遵守嚴(yán)格操作規(guī)程。水擊壓力計(jì)算公式表明：影響水擊壓力的主要因素有閥門起閉時間、管道長度和管內(nèi)流速，因此，可針對以上因素在管道工程設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中采取以下措施來避免和減小水擊危害。

4.1 操作運(yùn)行中應(yīng)緩慢啟閉閘門以延長閘門啟閉時間，從而避免產(chǎn)生直接水擊并可降低間接水擊壓力。打磨崗灌區(qū)骨干工程在設(shè)計(jì)中要求閥門啟閉時間應(yīng)≥30秒。

4.2 由于水擊壓力與管內(nèi)流速成正比，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)控制管內(nèi)流速不超過最大流速限制范圍。但有時管道中的流量是一定的，管徑一般由動能經(jīng)濟(jì)計(jì)算確定，減小流速意味著加大管徑。用減小流速的辦法降低水擊壓強(qiáng)，往往是不經(jīng)濟(jì)的，一般并不采用。但在一定的條件下，例如適當(dāng)?shù)募哟蠊軓娇梢悦庠O(shè)減壓設(shè)施時，采用這一措施可能是合理的。

4.3 由于水擊壓力與管道長度成正比，因此在設(shè)計(jì)中可隔一定距離設(shè)置安全閥和進(jìn)排氣閥，以縮短管道計(jì)算長度并削減水擊壓力。減壓閥適用于引水管道較長的工程是比較經(jīng)濟(jì)的。

5.管道水壓試驗(yàn)

試壓的目的是實(shí)驗(yàn)檢查管道的強(qiáng)度、接口或接頭的質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求、滿足灌區(qū)的用水要求。實(shí)驗(yàn)壓力一般為管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力，其保壓時間要求≥1h；滲漏損失量不得超過總輸水量的5%。

試水驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)格控制，并應(yīng)沿線檢查滲漏情況并做好記錄和標(biāo)志，以便于返工維修。實(shí)驗(yàn)過程中，如未發(fā)生管道破壞，且滲漏量符合要求，即認(rèn)為試水合格，方可回填。

6.閥門選型和設(shè)置原則

在打磨崗灌區(qū)骨干工程設(shè)計(jì)中，安全閥采用A3T-G彈簧式安全閥，安裝在管路較低處，起超壓保護(hù)作用，在某一壓力范圍內(nèi)，可通過調(diào)節(jié)調(diào)壓螺栓來調(diào)節(jié)整定壓力，或通過更換彈簧來改變工作壓力級，當(dāng)管道系統(tǒng)壓力升高并超過整定壓力時，閥門則立即自動開啟排水，使壓力下降；當(dāng)管道系統(tǒng)壓力降低到整定壓力時，閥門及時關(guān)閉并密封如初。安全閥鉛垂安裝在管道系統(tǒng)的首部及管道壓力較大處，以便于操作者觀察并便于檢查、維修；也可以安裝在管道系統(tǒng)中任何需要保護(hù)的位置。干管共安裝安全閥6個。

進(jìn)排氣閥采用LJKP-1.0進(jìn)（排）氣閥。當(dāng)管道充水時，管內(nèi)氣體從進(jìn)（排）氣口排出；管道停止供水時，空氣進(jìn)入管道，破壞了管道真空或使管道回流中斷。進(jìn)（排）氣閥通氣孔徑按公式計(jì)算選擇或按排氣閥口徑與管道管徑之比為1：8或1：12選用。進(jìn)（排）氣閥一般安裝在順坡布置的管道系統(tǒng)首部、逆坡布置在管道系統(tǒng)尾部、管道系統(tǒng)的凸起處、管道朝水流方向下折及超過10°的變坡處，管道水平距離超過800m，增設(shè)一進(jìn)（排）氣閥。干管共安裝進(jìn)排氣閥14個。

為了便于檢修，排除管內(nèi)淤泥等雜物，在各管道軸線起伏處的低處和管道的最低處設(shè)多種LJZ45T-10手動泄水閘閥，泄水閥的管徑為主管道管徑的三分之一左右，以便在冰凍或檢修前和清淤時排空管內(nèi)所存積水和淤泥等雜物。

7.結(jié)語

打磨崗灌區(qū)骨干工程通過上述的水擊壓強(qiáng)計(jì)算及各種防護(hù)措施，對管道的輸水安全性起到了很大的保障作用。通過灌區(qū)五年的運(yùn)行，各種安全保護(hù)裝置和操作規(guī)程對管道安全保護(hù)起到了明顯的保護(hù)作用，未出現(xiàn)管道由于水擊壓力過大而爆裂現(xiàn)象。因此，該工程的成功實(shí)施對以后壓力管道輸水中管道水擊壓強(qiáng)的防護(hù)創(chuàng)造了有益的實(shí)踐，提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)資料。

[1]李煒，徐孝平.水力學(xué)[M].武漢.武漢水利電力大學(xué)出版社，2000.

[2]李煒.水利計(jì)算手冊[M].第二版.北京：中國水利水電出版社，2006，20-29.

王 東（1975-），男，工程師，從事水利水電工程設(shè)計(jì)工作。

2012-08-23