超长重力流输水系统水锤防护的顶部联通溢流式调压塔方案研究

薛 松，张石磊，李进平，李美玲，程永光

（1.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072；2.内蒙古引绰济辽供水有限责任公司，内蒙古 乌兰浩特 137400）

0 引 言

兴建调水工程是改善水资源时空分布不均问题的重要手段［1，2］。近年来我国调水工程建设明显加快［3］，并朝着长距离、跨流域、大规模方向发展，这些工程的长期运行安全备受关注。重力流有压输水是一种经济合理的输水方式，其管道一般依地形敷设，中后部承压较大，阀门关闭产生的水锤升压容易超过管道承压能力，破坏管道阀门和接口，甚至造成爆管事故［4］。

为控制输水系统过渡过程中管道最大和最小压强、保障供水安全，许多水锤防护措施被提出，如优化阀门动作规律、设置超压泄压阀、空气罐、空气阀、调压室等。优化阀门动作规律［5-7］可以减小水锤压强，但是很多情况下要求的关闭时间太长，不能满足紧急切断水流需求。超压泄压阀［4，8］可以有效限制管道压强上升，但无法消除管道负压，且存在动作滞后甚至拒动的可能。空气罐［9，10］利用气体可压缩性缓解管道压力波动，常用于削减停泵过程的出水管水锤，在重力流输水工程中应用较少。空气阀［11-13］广泛应用于输配水系统，可防止负压产生和水柱分离，但通常不能作为主要水锤防护方案，要与其他措施组合使用。双向调压塔兼具注水和泄水稳压功能，简单可靠、应用广泛，但塔高过高，建设困难、造价昂贵。箱式调压塔［14，15］采用上下不等面积活塞增压原理明显降低塔高，但结构复杂，不适合大管径系统。单向调压塔［16，17］仅能单向注水，防止负压产生和水柱分离，多用于防护停泵水锤。

上述水锤防护措施各有针对的问题和适用条件，通常需要联合使用才能取得良好效果。对于超长重力流输水系统来说，需要考虑管道某处爆管不会影响全线，也需要考虑系统中后部工作压强不要过高，因此要提出新防护方案，确保系统造价的经济性、正常运行的稳定性、过渡过程的安全性。针对超长重力流输水系统的特点，提出了一种采用顶部联通溢流式调压塔的多塔联合水锤防护方案，并结合某输水工程采用特征线法计算分析其水锤防护效果，以期为类似工程提供参考。

1 超长重力流输水系统的特点

超长重力流输水工程管道长度达上百公里，跨越地域广，管线布置条件复杂多变，具有以下特点：

（1）输水管线依照地形起伏布置，首尾高差大。

（2）管道首尾水头差主要消耗于沿程水头损失，静压水头及最大水头远大于工作水头，中后部的最大压强通常较大。

（3）主线上通常连接多条支线，支线阀门动作产生的水锤会传播到主线。

（4）管道某处发生爆管等事故时，影响会在全系统传播并可能导致全系统停运。

基于以上特点，这种重力流输水系统要考虑管道末端阀门关闭产生的关阀水锤，除了防止过大压强外，还要防止局部负压和断流弥合水锤［18］，更要防止局部爆管对全系统的影响。为了削减管线最大压强，也为了减小水锤影响范围和控制事故蔓延范围，保证系统长期安全运行，应在主线上设置多个调压设施，将系统分隔为数段。

2 顶部联通溢流式调压塔方案及其设计原则

2.1 方案布置

当系统中部有合适的地形地势时，用中间水池来分隔系统是最好的选择，若无此条件，可采用调压室来分隔系统。调压室有常规阻抗式调压室、溢流式调压室、气垫式调压室等供选择。本文提出了一种采用顶部联通溢流式调压塔的多塔联合防护方案，布置示意见图1。方案主线采用首端流量控制、末端水位控制方式，调压塔通过底部不联通而顶部联通的过流方式将长系统分离成多个短系统，在物理上将管道分成数段，实现了系统的分隔，同时也改变了水力条件。系统正常运行时的水力坡降线呈阶梯状，各段管道的水头由该段尾部调压塔的下溢堰高程控制（即各段管道的水力坡降线由下游往上游推算），而流量由该段首端阀门或其前段来流控制（即流量不受下游水位影响）。

图1 多调压塔防护方案布置示意图Fig.1 Layout of multiple surge towers scheme for water hammer protection

方案的前提是主线末端有水库，过渡过程中尾部调压塔的外溢水流进入水库而不浪费水量；要点是系统尾部调压塔的溢流堰高程控制全线水力坡降线；中部调压塔下溢堰高程按系统稳定运行时有足够输水能力确定，外溢堰高程按过渡过程中不外溢或少量外溢确定。

2.2 顶部联通溢流式调压塔

顶部联通溢流式调压塔主要由进流竖管、出流竖管、连接横管（或下溢堰）、顶部溢流堰（外溢堰）等组成，上游管道连接进流竖管，下游管道连接出流竖管，二者由连接横管联通，顶部溢流堰连接溢流设施，整体结构和过流状态见图2。

图2 顶部联通溢流式调压塔结构和过流示意图Fig.2 Structure and waterflow schematic of top-connected overflow surge tower

系统停水时进流竖管和出流竖管均可以保证一定水位，使调压塔上下游管道呈有压状态，便于系统快速转向输水工况。正常输水运行时，上游管道来水在进流竖管上升后经连接横管下溢至出流竖管，跌水削减富余水头后进入下游管道，实现对管道分段减压。在系统关闭等过渡过程中，支线阀门关闭产生的升压水锤传入主线并在主线传播，被调压塔分隔反射；由于流量改变导致调压塔过流竖管水位上升；当水位上升至外溢堰高程时发生外溢，从而控制系统的最大压强。

当输水系统某处发生爆管时，爆管处压强迅速减小，降压水锤波向系统其他部位传播并引起沿线压强降低；当降压水锤到达调压塔后，出流竖管水位下降，从而隔断水锤波的传播路径，限制爆管处流量的增大；在爆管段上游的管段不受影响，可继续运行；在爆管段下游的管段，则缓慢退水并关停。

2.3 方案设计原则

实现上述功能的关键在于合理确定输水系统各调压塔的位置和参数，方案设计原则如下：

（1）主线末端须有能够接纳大量外溢水的水库（或调蓄池），尾部调压塔紧邻水库设计，将系统外溢水量注入其中；中部调压塔设置若干，将输水系统分隔成数段，各塔位置根据地形地势和管线水力坡降，综合考虑水锤防护效果、排泄溢水方便性、工程经济性等因素确定。

（2）调压塔下溢堰高程应满足塔前支线引流水头要求，且保证足够过流能力以满足塔后引水流量；外溢堰高程应确保在任何稳态运行工况下不溢流。

（3）进出流竖管和溢流设施应分别保证调压塔具备足够过流能力和溢流能力。

调压塔主要高程确定很关键，可根据如下过程进行：

（1）首先给定主线尾部调压塔的下溢堰高程和外溢堰高程。

（2）从下游往上游推算系统可能最小糙率下通过设计流量、主线尾部调压塔下溢时的水力坡降线，中部各塔所在位置的测压管水头即为其下溢水面高程；若某支线不能正常引用流量，则提高该支线分水口下游调压塔的下溢水面高程直至满足支线水头要求；最后检验各塔过流能力。

（3）从下游往上游推算系统可能最大糙率下各支线关闭、流量全部由主线尾部调压塔外溢时的水力坡降线，根据中部各塔所在位置的测压管水头确定各塔外溢堰高程。

重复上述3个步骤多次，最终确定合理的调压塔参数。

2.4 方案的优缺点

顶部联通溢流式调压塔方案具有以下优点：

（1）大幅降低管线中后部最大压强，降低管道承压标准，节约管道投资。

（2）削减主线和支线阀门动作的水锤压强波动。

（3）隔断系统，既可隔断水锤传播也可隔断流量，控制爆管事故影响范围。

同时也存在缺点：

（1）系统运行操作变复杂，要求主线和支线所有阀门统一调度。

（2）过渡过程中中部各塔有一定水量外溢，要求设计外溢水排蓄设施。若要求不外溢，则要增加塔高。

（3）小流量工况下调压塔内有跌水，跌水扰动有使水流掺气风险，要求出流竖管内有足够淹没深度。

（4）在工况转换过程中，上游来流与支线引流不平衡时尾部调压塔有水量溢向下游水库，要求下游水库有承接这部分水的许可。

3 实例分析

3.1 工程概况及原方案

某超长重力流有压输水系统总长206.81 km，前100.52 km为DN2800 双管，后106.29 km 为DN3200 单管。进口水池设计水位283.91 m，设计输水流量14.62 m3/s，沿线设8 个分水口，分水流量共14.62 m3/s。主线末端有一水库但不分水。原方案在桩号141+903 地势较高处（双管段）设置2 个底部联通双向调压塔（称为1号调压塔），过渡过程中不溢流。

在此超长重力流输水系统中，各支线末端阀门同时关闭是最不利工况，主线及支线最大/最小水锤压强都应符合相应压强控制标准，即管道承压上限小于1.5倍静压［19］，管道顶部有大于2.0 m的压力水头［20］。

针对进口水池水位最高、管道糙率最小、各支线引用设计流量、所有支线阀门同时开始线性关闭的工况，基于水锤基本方程［6］，采用特征线法计算得到原方案的最大/最小水头包络线（图3）和最大压强值（表2第5 行）。原方案是全封闭的末端流量控制的重力流输水系统，在停运时管道承受较大静压（表2第1行），在输送设计流量时稳态运行水头线比停运时的静水头线低很多，尤其是主线的中后部和相连支线。支线末端阀门同时线性关闭会在全系统产生明显水锤，主线最大压强出现在中部地势低点，达121.72 m；主线末端最大压强达105.30 m，是系统停运时该处静水压强76.64 m 的1.37倍；1号调压塔水位波动明显，最高水位达288.80 m。

图3 原方案各支线阀门同时关闭工况的最大/最小水头包络线Fig.3 Maximum/minimum head envelope curves of all branch valves close simultaneously in the original scheme

原方案主线的中后部和相连支线在关阀工况的最大压强大，要求的管道承压等级高、投资大。而且该系统是封闭的，若发生爆管等事故，将在全系统中蔓延，并导致全线停运。因此，必须采取新的水锤防护方案，既保证系统正常运行，又控制极端事故影响范围。

3.2 现方案确定过程

如果在管线中后部增加底部联通的溢流式调压塔以防护关阀水锤，则塔高达80 m，工程造价高且不能减小爆管事故蔓延范围。而带中间隔墙（保水堰）的水池多用于低压输水系统，与之相比，顶部联通溢流式调压塔构造相对简单，适用于较高压力下的输水系统。因此，现方案水锤防护采用顶部联通溢流式调压塔方案。

根据前述方案设计原则，明确主线末端临近水库，满足设塔条件。综合考虑后在中部两个位置设塔。1号调压塔位置不变；2 号调压塔位于系统中后部；3 号调压塔位于分水口8，即主线末端，出流竖管接支线8，溢流接主线末端水库。现方案在首端进行流量控制，各调压塔下溢堰、主线分水口3 处调流调压阀、各支线阀门联合控制系统水力坡降线。

各塔高程的确定按照前述分析步骤，首先给定尾部调压塔下溢堰和外溢堰高程。然后推算系统可能最小糙率下通过设计流量、主线尾部调压塔下溢时的水力坡降线（图4粉色线），以此确定中部各塔下溢堰高程；发现支线1 不能引流且主线部分管段为明流或负压状态，因此提高中部调压塔下溢堰高程直至满足支线水头和管道最小压强要求（即图4中粉色线上升为蓝色线）。最后推算系统可能最大糙率下各支线关闭、流量全部由主线尾部调压塔外溢时的水力坡降线（图4绿色线），以此确定中部各塔外溢堰高程。经重复上述步骤后确定在主线上设置3 个顶部联通溢流式调压塔的现方案，调压塔基本参数见表1。

图4 顶部联通溢流式调压塔关键高程的确定过程Fig.4 Determination process of key elevation of top-connected overflow surge tower

表1 现方案调压塔基本参数Tab.1 Basic parameters of surge tower in the current scheme

3.3 现方案水锤防护效果

各支线引用设计流量下，支线阀门同时开始线性关闭工况的最大/最小压强见表2第6 行，主线最大水头包络线见图5。在此工程实例中，该控制性工况下最大水头包络线仅比稳态运行水头线略高，最大水锤压强为84.49 m 且出现在管道中部，仅为该处稳态运行压强68.07 m 的1.24 倍；而主线末端的最大压强被3 号调压塔溢流所限制，仅有10.04 m，比原方案大幅减小90.4%。现方案关阀工况各管段最大压强均比原方案低，尤其在主线中后部支线6，降幅可达77.1%，显著降低管道承压标准。

图5 现方案各支线阀门同时开始关闭工况最大水头包络线Fig.5 Maximum head envelope curves of all branch valves close simultaneously in the current scheme

表2 原方案和现方案的管段最大压强水头 mTab.2 Maximum pressure head of pipe in the original and the current scheme

支线阀门快速关闭而主线水头没有明显压力波动的原因是主线的流动状态没有发生大的改变，只是在支线引用流量和3号调压塔溢流之间转换。支线全部快速关闭时主线流量改道3 号调压塔顺畅溢流至下游水库，而在支线开启时经3 号调压塔溢流的流量变道流向各支线。在各支线流量调节的过渡过程中3 号调压塔有水量外溢至下水库，但在正常运行时不溢流。

3.4 方案对比分析

原方案输水系统是封闭的，而现方案利用顶部联通溢流式调压塔的下溢和外溢功能，将系统变为有自由水面的开放系统。与原方案相比，现方案是可行且优越的：

（1）现方案输水系统中后部静水压强大幅降低，支线4～8降幅均在40%以上，可有效节省管道投资；同时稳态运行压强也比原方案低。

（2）现方案的沿线最大水锤压强比原方案明显降低。调压塔的顶部联通方式起分隔系统作用，阻断了水锤波的传播。

（3）现方案能将爆管事故影响范围控制在小范围内。顶部联通溢流式调压塔将系统分隔为数段，在发生爆管等事故时可保证爆点上游非事故段的正常运行，减小事故的影响范围。

现方案系统的关闭要依靠首端的阀门（或闸门）来控制，系统中部分水口3 处的主线阀门主要起调节上游水力坡降线作用。2 号调压塔至3 号调压塔之间不允许有阀门切断水流，否则会导致2 号调压塔大量溢流。为了保证系统安全稳定运行，要求主线和支线阀门统一调度；为了减小过渡过程外溢流量，要求阀门调度的及时性和准确性较高。另外，在小流量运行时调压塔内有跌水，有使下游管道掺气风险，须保证下游管道进口有足够淹没深度。

4 结 论

为减小超长距离重力流输水系统在水力过渡过程中的水力波动并控制爆管等事故的影响范围，本文提出一种采用顶部联通溢流式调压塔的水锤防护方案，给出了布置原则和设计步骤，通过实例分析论证了方案可行性及水锤防护特性。主要结论如下：

（1）顶部联通溢流式调压塔将封闭系统变为开放系统，系统中后部的静水压强和稳态运行压强明显降低。

（2）方案通过调压塔分割系统，引入自由水面，明显限制水锤压强上升，在发生爆管事故时可隔断系统，在系统停运时可保持管道满管状态。

（3）调压塔的顶部联通方式，改变了全系统的水力条件，即系统水力坡降线由下游溢流高程控制，流量由首端阀门或其前来流控制。

（4）本方案适用于管线末端有水库（或调蓄池）来承接溢流量的情况，以适应输水系统流量调节。

顶部联通溢流式调压塔水锤防护方案针对超长距离重力流输水系统，适应线路长且起伏多、稳态水力坡降线与系统首尾连线大体平行的特性，可为类似工程设计提供参考。但由于输水系统水力特性的改变，运行调度更加复杂，有不少问题需要深入研究，以便为工程实施提供坚实理论依据。