单向稳压塔在长距离输水工程水锤防护中的应用研究

马世波

(辽宁省水利水电勘测设计研究院 沈阳 110006)

徐华新 朱 伟

(大连市供水有限公司 116021)

1 引言

在长距离输水工程中，管线一般沿地形铺设，当地形起伏较大时，输水管线常出现局部凸起或凹下的管段，在事故停泵过程中，往往会在局部凸起的地方产生水柱分离及其弥合，诱发较大水锤压力，对管道安全构成严重威胁，为保护管道，往往采用补气(空气阀)与补水(调压塔、单向塔)等工程措施;而空气阀由于受制造水平的影响，水锤防护效果还存在一定程度的不可靠性;稳压塔由于受制于水压线，往往高度较高，增加工程投资;单向塔由于在与主管道相连的短管上装设有逆止阀，故不受水压线的限制，因此单向塔的高度等较调压塔有较大降低。本文结合大伙房水库输水应急入连工程，对该输水系统中单向塔在水锤防护方面的问题进行阐述。

2 单向稳压塔模型及数值计算

图1 所示的单向塔节点模型，设其进水管、出水管的边界节点编号为1、2，则该水力节点的控制方程如下:

流量连续性方程

水头平衡方程

图1 单向塔水力计算模型示意图

流量与水位关系

压力管道相容性方程

以上式中 Zst、Ast——单向塔水位和截面积;

Qst——流出单向塔阻抗孔的流量，流入时为正;

HP、QP1、QP2——管道边界的瞬态水头和瞬态流量。

考虑到水锤计算时Δt 很小，故可将式(2)、式(3)简化为:

上二式中 Hst0、Qst0——前一计算时步求出的Hst、Qst值。

由式(1)及式(4)至(6)，可得

式中 C1=Hst0+0.5ΔtQst0/Ast;

利用上式求出HP，即可求出其他瞬态参数。

3 影响单向稳压塔水锤防护效果的因素

3.1 单向阀的影响

单向阀作为一种机械自动装置，只有当单向阀上下达到一定压差后才能快速打开，不可避免地会存在一定反应滞后时间，从而对单向塔割断水锤波效果产生影响，即使压差0.5m，滞后时间只有0.1s，相当于降低了单向塔0.5m的高度，同时由于水锤波速近1000m/s，还至少会对100m 长的管道长度安全造成影响。

3.2 连通管面积的影响

由于单向塔是通过一段辅助补水管与主管道相连接的，当发生抽水断电事故后，当主管道内压力降到单向塔正常水位以下时，单向塔底部逆止阀迅速打开，通过连通管立即向主管道内补水，以消除主管道内的水锤负压，而单向塔能否在短时间内向主管道补充足够的水量，除与单向塔的容积有关外，连通管的断面积也起到重要作用。对于容积一定的单向塔，如果连通管的断面积过小，必然会导致单位时间内注入主管道内的水不足以消除主管道内发生水柱分离事故，而若面积过大，必然有导致单向塔底部单向阀的直径随之增大，相应的成本将会增加。因此，连通管的断面积对单向塔的水锤防护效果亦有较大的影响。

3.3 单向塔容积的影响

若单向塔的容积足够大，可以认为水锤波传递过程中单向塔的水位保持不变;若单向塔的容积不满足足够大的条件，则该过程中单向塔的水位已经迅速下降，可能导致后续单向塔前有一段管道将出现负压，因此单向塔的容积不应该太小，否则单向塔内水位的迅速下降将缩短单向塔的保护长度，为工程带来安全隐患;此外为防止管路系统外的气体进入管道内，单向塔的容积亦不能太小，还须保证过渡过程中单向塔内不发生漏空现象。

3.4 水锤波衰减的影响

实际上水锤波沿管线是衰减的。且衰减的数值与管材、波速、流速、糙率、管段长度、管道是否漏水等多个因素相关，由于这些因素中某些因素的不确定性，因此很难得到一个客观的定量的数据，通常，在进行单向塔的初步设计计算时一般将其忽略，这也使得计算得出的位置是偏安全的。

4 案例分析

4.1 工程简介

大伙房水库输水应急入连工程，输水系统采用单线有压管道和无压隧洞相结合的方案设计，工程以碧流河水库为界，分为北段工程和南段工程两部分，北段工程主要由输水管道、2 级加压泵站、隧洞等组成，本文主要是结合北段工程1号、2号两级泵站的管路系统进行阐述，具体见图2。工程线路总长165100m，主管材为预应力钢套筒混凝土管(PCCP)，管径2.8m，设计供水规模为3亿m3/年;1号泵站由6台(4用2备)同型号的水泵组成，水泵额定扬程为72.0m，额定流量为11250m3/h.;2号泵站亦由6台(4用2备)同型号的水泵组成，水泵额定扬程为106.2m，额定流量为9375m3/h。

图2 输水工程平面布置示意图

4.2 无平压措施计算

由于管道距离较长，当1号泵站抽水断电时，泵后压力骤降近61m，使得泵后沿线出现了较低的负压，远远超过相关规范要求，可能对系统造成较大的安全隐患，具体压力计算结果见表1、图3～图4。

表1 未设置稳压措施下1号泵站抽水断电1号泵站与2号泵站间主要控制参数变化情况

图3 泵后压力变化

图4 沿线压力变化

4.3 设计平压措施

为消除管路沿线产生的负压，在与相关单位的合作下，经过大量详实计算并结合具体地形地貌，最终于1号加压泵站与2号加压泵站之间设置了两座单向稳压塔，两座稳压塔的设计参数如下:

a.1号稳压塔位于桩号42+ 170 处，容积为550m3，最高水位为35.0m，最低水位为20.0m，联通管为2 根DN1000 管道，距管中心线距离为15m。

b.2号稳压塔位于桩号107+ 085 处，容积为125m3，最高水位为32.0m，最低水位为20.0m，联通管为2 根DN1000 管道，距管中心线距离为20m。

设置两座单向稳压塔后，当1号泵站水泵发生抽水断电事故时，管路沿线计算结果见表2、图5～图7。

表2 设置稳压措施后1号泵站抽水断电1号泵站与2号泵站间主要控制参数变化情况

从以上的结果可看出:设置单向稳压塔后，即便1号泵站全部水泵均发生抽水断电，1号、2号泵站间管道沿线均未产生负压，较好地解决了停泵负压的安全隐患问题，且具有一定的安全裕量，完全能满足规范得要求。

图5 沿线压力变化

图6 1号单向塔水位变化

图7 2号单向塔水位变化

5 结 语

本文结合大伙房水库输水应急入连工程，对单向稳压塔在长距离输水工程中停泵水锤防护效果以及对影响单向稳压塔的防护效果的因素进行了浅析，为单向调压塔在长距离供水工程中的应用提供了一定的技术依据和参考。

1 大伙房输水工程(二期)安全调度决策支持系统研制报告［R］.河海大学，2011.3.

2 辽宁省大伙房水库输水应急入连工程输水管线水锤防护计算分析研究［D］.哈尔滨工业大学，2010.10.

3 刘竹溪，刘光临.泵站水锤及其防护［M］.北京:水利电力出版社，1988:224－225.

4 姚青云.泵出口附近设单向调压塔水锤的防护计算［J］.宁夏工程技术，2005(12):318－320.

5 刘光临，刘志勇，王听权，等.单向调压塔水锤防护特性的研究［J］.给水排水.2002(2).