打磨崗灌區(qū)壓力管道水擊壓強的計算與防護(hù)

□王 東（南陽市水利建筑勘測設(shè)計院）

打磨崗灌區(qū)壓力管道水擊壓強的計算與防護(hù)

□王 東（南陽市水利建筑勘測設(shè)計院）

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而引起的。因此，如何進(jìn)行水擊壓強計算和采取什么樣的措施來減小水擊壓強，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)部壓強迅速交替升降的現(xiàn)象，這種交替升降的壓強作用在管壁、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)計中，必須進(jìn)行水擊壓力計算，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)計流量0.26m3/s，長3.45km，管徑0.5m；二支管設(shè)計流量0.72～0.13m3/s，長10.9km，管徑1.0～0.4m，；三支管設(shè)計流量0.36m3/s，長6.0km，管徑0.6m；四支管設(shè)計流量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，對管道的安全運行有著非常重要的意義。

3.管道水擊計算

管道水擊計算時，管道的計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

由計算管段長度和水擊波速可計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。

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

表1 干管水擊計算表

將管道中正常計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

為確保管道安全運行，除在設(shè)計中慎重考慮外，更應(yīng)加強管理，制定和遵守嚴(yán)格操作規(guī)程。水擊壓力計算公式表明：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)計和運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)濟計算確定，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，往往是不經(jīng)濟的，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)濟的。

5.管道水壓試驗

試壓的目的是實驗檢查管道的強度、接口或接頭的質(zhì)量是否符合設(shè)計要求、滿足灌區(qū)的用水要求。實驗壓力一般為管道系統(tǒng)的設(shè)計壓力，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。實驗過程中，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計算及各種防護(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，該工程的成功實施對以后壓力管道輸水中管道水擊壓強的防護(hù)創(chuàng)造了有益的實踐，提供了寶貴的經(jīng)驗資料。

[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)計工作。

2012-08-23