水锤计算在高层建筑给水设计中的应用

张雷

摘要：高层建筑给水系统因为建筑结构本身的特殊性，很容易在运行过程中因为各种原因产生水锤的危害，因此在给水设计的过程中应充分考虑到水锤产生的危害，并采取有效的防护措施。现有的设计方法没有进行水锤的计算，本文通过实际案例，给出了高层建筑给水设计中，水锤计算的应用方法。

关键词：高层建筑；给水设计；水锤计算

一、高层建筑给水中水锤产生的原因

在压力管道系统中，闸或阀的误操作、泵机组的意外断电、进出水池水位的大突变等意外事件以及水泵机组的非正常启停等，都会造成管道内流速剧烈变化，从而引起动量交换，致使水体冲量改变，对管壁、水泵以及阀门等附件产生巨大的冲击力，在水体惯性和可压缩性、管壁弹性以及系统阻力作用下，管道内水的压力和密度不断交替变化，直至稳定，工程上称这一水力过渡过程状态为水锤现象。从水锤的振荡消失过程看其实就是能量转换或消耗的过程。

二、高层建筑给水中水锤的危害

在安装有离心泵的水泵房中，因开、停水泵，事故断电或其他原因而突然（开阀）开、停水泵，则在给水管道内首先产生压力波动，随后视流速大小及管道系统情况产生不同程度的压力上升即水锤。水锤的延续时间虽然短暂，但它会造成严重的工程事故，轻则引起振动，产生巨大的水锤噪声；重则爆管漏水，造成供水中断事故，还有的因水锤事故造成淹没泵房、损坏设备、伤及操作人员等次生灾害。

三、高层建筑给水中水锤的防护措施

水锤防护有两层含义：第一层含义是防止水锤现象的发生；第二层含义是将水锤危害程度降到最低。前者实际上要求运行管理者使给水系统保持正常工况；后者则要求设计者事先制订水锤防护策略，运行管理者及时采取水锤防护措施。

3.1 常见的几种水锤防护措施

3.1.1 水锤消除器

水锤消除器是一种具有一定泄水能力的安全阀，一般安装在水泵出口阀的出水侧。水锤消除器有下开式、自动复位下开式、自闭式、储气式等多种形式，主要用于防护停泵所引起的水锤，工作原理是泄水降压，防止水锤升压过高。适合于水泵扬程较高、输水管路较长、流量不大的含泵装置的管道系统。

3.1.2 液控缓闭蝶阀

液控缓闭蝶阀，在断电时可按预定的时间和角度，分快关、慢关两阶段关闭，能有效地降低管网中压力的波动，消除液体在管网中的水锤危害，控制水泵反转，从而保护水泵和管网系统的安全可靠运行，同时还可将其作为水泵主阀使用，一阀代两阀（闸阀和逆止阀）。

3.1.3 缓闭止回阀

缓闭止回阀有重锤式和蓄能式两种。这种阀门对于降低停泵水锤有明显效果。使用时可以根据需要在一定范围内对阀门关闭时间进行调整。一般在停电后3 s～7 s内阀门关闭70%～80%，剩余20%～30%的关闭时间则根据水泵和管路的情况调节，一般在10 s～30 s范围。可以利用计算机模拟最佳时间，并现场调试确定。

四、高层建筑给水水锤计算实例

4.1 高层建筑实例

该建筑是一座二十一层综合培训楼，生活给水方式为分区、上行下给的形式，生活给水水箱有效容积为4m 3，生活给水水泵流量Q b= 32.58 m 3/h，扬程H b= 0.8M Pa，每小时开启4次。.

在水泵运行周期内， 泵出水法兰至屋顶水箱进水口之间， 流量和压力均为一常量。只有在水箱注满后， 水泵停止运行时， 易于产生较大的压力波动，也就是水锤。

4.2水锤计算过程

4.2.1 水锤计算在管道管径选择中的应用

对于通常情况下的水流状态而言，任一点的参数不随时间而变化，而在水泵停止运行，水锤产生的瞬间，任一点的参数随时间而变化，称为非恒定流。在关阀的一瞬间（非缓闭）紧挨阀门的流体由于阀芯表面上产生的高压冲量使其由原流速v0变为静止。紧挨阀门的第1层流体静止后，对第2层流体而言，第1层流体就起到了与阀芯一样的作用，高压冲量使第3层流体静止。以此类推， 这种作用将一直传递至上游。由此可见，阀门突然关闭，管道内的水不是在同一时刻全部停止流动，压强也不是在同一时刻同时升高，而是以波的形式由阀门迅速传递至管道上游，这就是水锤。在一个水锤周期，水锤波由阀门到水箱进口，再由水箱进口至阀门共往返2次。在这过程中，管道内流速和压强随时间而变化，而产生这种现象的主要原因是水流本身具有的惯性和压缩性。本工程给水系统停泵时，如阀门不缓闭，根据水锤压强计算公式，其水锤压强ΔP为：

式中：

v0——原管中流速m/s，可由连续流方程求出；

c——水锤波的传播速度m/s；

g——重力加速度m/s2。

水锤波的传播速度c可由下式求出：

式中：

c0——水中声波传播速度为1 425 m/ s；

c1——不同壁厚不同支承方式的参数。薄壁管道且在墙上固定时，

μ——管壁材料的泊松比。钢管取0.3；

E 0——水的弹性模量为2.04×103M Pa；

E——管壁材料的弹性模量为2.06×105M Pa；

D ——管道直径mm；

δ——管壁厚度mm。

根据阀门不缓闭的水锤压强计算公式可以求的在不同管径下的流速、水锤压强值如表4.1。

根据建筑给排水设计规范，给水管道中的流速不大于2m/s，结合经济流速考虑，选择管径为DN150和DN200的管道均符合规范要求，但选择DN80的管道，水锤压强过大，系统安全性不够，所以选择DN100的管道是比较合适的。

4.2.2水锤计算在阀门选择中的应用

根据水锤波的传递特性，如果在水锤波传递2个相长的时间内，阀门缓闭，则可避免产生直接水锤，降低水锤压强。本计算实例采取阀门缓闭时，水锤压强ΔP计算公式为：

式中：

T——阀门关闭时间s；

L——水锤波的相长m ，本工程为140.7 m。

根据以上公式计算出，管径为DN100，阀门缓闭时，不同缓闭时间对应的水锤升压如图4.2.

由这张图可以看出，如果采用缓闭止回阀，缓闭时间越长，水锤压力上升的越少，在管径为DN100的情况下，由于水锤压强为1.51MPa，由公式可知得到T=1.48s，所以缓闭止回阀的关闭时间至少应该为1.48s，否则会产生直接水锤，对管道系统产生危害。

五、结论

在现行的高层建筑给水设计中，水锤计算在高层建筑给水设计中的是很必要的。在设计过程中，可以先利用经济流速初步确定管段的管径，然后通过水锤升压计算来验证管径的选择是否适合，最后通过水锤升压对管道上的阀门等附件进行合理的选择。

参考文献

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