長距離多起伏壓力輸水管道水錘防護(hù)方案

吳冬冬 李文峰

1. 山東致一質(zhì)量檢測有限責(zé)任公司 山東濟(jì)南 250000

2. 中建安裝集團(tuán)有限公司 山東濟(jì)南 250000

社會的快速發(fā)展提高了人們對水資源的需求，現(xiàn)階段的輸水工程項(xiàng)目建設(shè)中，長距離多起伏壓力輸水管道中的水錘保護(hù)問題通常被施工方放在首位[1]。大型輸水工程的建設(shè)對于設(shè)備的要求較高，在工程的實(shí)際運(yùn)行中，容易發(fā)生管道破裂的問題，為工人帶來了安全隱患問題。在使用輸水管道時，長距離多起伏壓力輸水管道中比較容易產(chǎn)生水柱分離與斷流彌合水錘現(xiàn)象，對輸水管道的安全性造成了極大的危害。因此，對于水錘現(xiàn)象防護(hù)方案的探討非常重要。

1 重視水錘現(xiàn)象防護(hù)的原因

1.1 水錘的基本概念及分類

水錘現(xiàn)象主要是指在輸水管道中因水流速的變化而產(chǎn)生的對輸水管道的壓強(qiáng)差，在壓力突然上升和下降的輸水管道中會產(chǎn)生一系列的強(qiáng)動力的水流沖擊輸水管道的現(xiàn)象。水錘是一種受流體動力學(xué)影響的瞬態(tài)過程，受流速，加速度和動壓力等因素的影響。水錘具有不穩(wěn)定性，出現(xiàn)時間及位置始終處于變化狀態(tài)。目前我國輸水工程項(xiàng)目團(tuán)隊通常將水錘現(xiàn)象稱為“泵站管道系統(tǒng)的液壓過渡過程”。

1.2 水錘的危害

水錘現(xiàn)象的出現(xiàn)對配水工程影響很大。盡管水錘的持續(xù)時間相對較短，但可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故，給工程造成巨大損失并降低工程安全性。另外，在水力過渡過程中，輸水管道與斷流水腔之間水柱的分離現(xiàn)象使橋接水錘現(xiàn)象變得容易，這不僅嚴(yán)重?fù)p害了輸水管道，而且嚴(yán)重的拖緩了工程推進(jìn)的速度。在輸水過程中，出現(xiàn)水錘現(xiàn)象的原因有很多，嚴(yán)重的水錘現(xiàn)象對于整個輸水項(xiàng)目來說是災(zāi)難性的。由于我國水利工程建設(shè)的特殊地形，特別是在海拔高度波動較大的西北和西南地區(qū)，洪水事故產(chǎn)生的較為頻繁。水錘現(xiàn)象對于工程的影響可輕可重，較小的事故將導(dǎo)致水管爆裂，影響供水工作的正常進(jìn)行，而嚴(yán)重的水事故將使泵站被泛濫的水淹沒。另外，洪水事故不僅影響輸水工程，也會對鐵路的軌道床和設(shè)備造成一定的損害，對人類的生命構(gòu)成極大的威脅。

2 水錘現(xiàn)象防護(hù)的意義

水資源一直是人們生活和生產(chǎn)不可或缺的一部分，是人類的生命之源。隨著水資源的需求量變大，良好的輸水系統(tǒng)給水資源的分配及應(yīng)用帶來了極大的便利。

當(dāng)前階段我國水資源的供求關(guān)系由于人口的膨脹式增長和社會的飛速發(fā)展出現(xiàn)了新的發(fā)展問題。由于水資源是不可再生能源，我國現(xiàn)有水資源的儲量越來越少，需求量越來越高，而且部分地區(qū)的水資源分配問題始終得不到很好的解決，導(dǎo)致發(fā)展的不平衡，限制了整個社會的發(fā)展速度。而且，環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展這一理念在越來越快的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中被拋棄，環(huán)境的污染對于水資源來說也是致命的打擊。盡管國家意識到水資源的重要性并著力發(fā)展長距離多起伏輸水項(xiàng)目工程的建設(shè)，但是，由于現(xiàn)有的建設(shè)技術(shù)不夠成熟，水錘現(xiàn)象的頻繁發(fā)生給施工帶來了巨大的安全隱患。

我國的土地面積較大，地形相對復(fù)雜，尤其是沿海地區(qū)的地形起伏較大，這使得建設(shè)長距離輸水項(xiàng)目變得困難。近些年來，水泵機(jī)組單元轉(zhuǎn)動慣性變小，無法滿足輸水工作的需要，在輸水過程中，當(dāng)水泵停止轉(zhuǎn)動發(fā)生水錘現(xiàn)象時，將會影響整個水泵系統(tǒng)，水壓將急劇下降，并可能導(dǎo)致輸水管道與斷流水腔之間水柱的分離，嚴(yán)重者使水管爆裂。在輸水工程建設(shè)中，對長距離多起伏壓力輸水管道建設(shè)的要求較高。通常，這種類型的管道系統(tǒng)更加復(fù)雜且壓力更大。因此，為長距離多起伏壓力輸水管道設(shè)置水錘保護(hù)裝置需要綜合各方面的因素來為輸水管道提供全面的保護(hù)。當(dāng)今的長距離，長距離多起伏壓力輸水管道建設(shè)在水錘保護(hù)方面存在一些缺陷，因?yàn)閷Φ匦尾町惖暮雎?，?dǎo)致在起伏較大的地區(qū)的建設(shè)過程中水錘現(xiàn)象頻發(fā)。長距離多起伏壓力輸水管道水錘防護(hù)方案對于施工方或整個輸水項(xiàng)目來說意義重大，不僅可以減少施工時出現(xiàn)問題的損失，同時也可以保證施工安全。

3 水錘防護(hù)設(shè)計方案

3.1 設(shè)置調(diào)壓塔

設(shè)計調(diào)壓塔以通過改變供水量的方式發(fā)揮穩(wěn)壓作用。根據(jù)使用的實(shí)際情況不同，調(diào)壓塔通常分為單向調(diào)壓塔和雙向調(diào)壓塔。

單向調(diào)壓塔由儲水系統(tǒng)、水壓閥、排水系統(tǒng)和單向調(diào)壓塔容器中的注水管組成，可以有效防止水壓變化過大導(dǎo)致水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，并且對輸水管道與斷流水腔之間水柱的分離也有著改善的效果。單向調(diào)壓塔是單向的僅允許調(diào)壓塔中的水流入主管中而不能返回的設(shè)計。這種單向調(diào)壓塔的安裝方式較為簡單，可以很好降低水壓，同時對于水箱體積的要求較低，可以極大的節(jié)省調(diào)壓塔的安裝成本。當(dāng)管道處于負(fù)壓狀態(tài)時，借助單向壓力控制塔的協(xié)助作用，可以防止注水的中斷，有效的防止水管破裂。

與單向調(diào)壓塔相比，雙向調(diào)壓塔配備了噴水和排水緩沖式水擊保護(hù)裝置，以提供針對水管道中的水擊的全面保護(hù)。當(dāng)管道中的壓力下降時，雙向調(diào)壓塔在此時起到注水的作用，向管道中添加水以增加管道中的壓力并防止水柱真空分離。

3.2 裝設(shè)注排氣閥

注排氣閥是一種特殊的閥門，通常連接到管道的突出部分，以防止在因水泵停止而產(chǎn)生水錘中產(chǎn)生負(fù)壓現(xiàn)象。注排氣閥具有進(jìn)氣與排氣的功能，如果管道中的壓力較低，則可以通過吸入空氣來增加管道中的壓力。同時，如果管道中的壓力較高，則可以使用噴射閥和排氣閥排出空氣以降低管道中的壓力，應(yīng)該注意的是，這種類型的注氣閥不允許水進(jìn)入大氣[2]。

3.3 裝設(shè)超壓泄壓閥

隨著管道中輸水速度的變化，管道中的壓力也隨之發(fā)生變化。如果管道中的壓力過高，則超壓泄壓閥裝置將打開并發(fā)揮泄壓能力，以使管道中的壓力降到安全閾值以下。泄壓閥會在管道內(nèi)壓力有效下降并恢復(fù)正常后自動關(guān)閉，有效的減少水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生。