單向穩壓塔在長距離輸水工程水錘防護中的應用研究

馬世波

(遼寧省水利水電勘測設計研究院 沈陽 110006)

徐華新 朱 偉

(大連市供水有限公司 116021)

1 引言

在長距離輸水工程中，管線一般沿地形鋪設，當地形起伏較大時，輸水管線常出現局部凸起或凹下的管段，在事故停泵過程中，往往會在局部凸起的地方產生水柱分離及其彌合，誘發較大水錘壓力，對管道安全構成嚴重威脅，為保護管道，往往采用補氣(空氣閥)與補水(調壓塔、單向塔)等工程措施;而空氣閥由于受制造水平的影響，水錘防護效果還存在一定程度的不可靠性;穩壓塔由于受制于水壓線，往往高度較高，增加工程投資;單向塔由于在與主管道相連的短管上裝設有逆止閥，故不受水壓線的限制，因此單向塔的高度等較調壓塔有較大降低。本文結合大伙房水庫輸水應急入連工程，對該輸水系統中單向塔在水錘防護方面的問題進行闡述。

2 單向穩壓塔模型及數值計算

圖1 所示的單向塔節點模型，設其進水管、出水管的邊界節點編號為1、2，則該水力節點的控制方程如下:

流量連續性方程

水頭平衡方程

圖1 單向塔水力計算模型示意圖

流量與水位關系

壓力管道相容性方程

以上式中 Zst、Ast——單向塔水位和截面積;

Qst——流出單向塔阻抗孔的流量，流入時為正;

HP、QP1、QP2——管道邊界的瞬態水頭和瞬態流量。

考慮到水錘計算時Δt 很小，故可將式(2)、式(3)簡化為:

上二式中 Hst0、Qst0——前一計算時步求出的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，即可求出其他瞬態參數。

3 影響單向穩壓塔水錘防護效果的因素

3.1 單向閥的影響

單向閥作為一種機械自動裝置，只有當單向閥上下達到一定壓差后才能快速打開，不可避免地會存在一定反應滯后時間，從而對單向塔割斷水錘波效果產生影響，即使壓差0.5m，滯后時間只有0.1s，相當于降低了單向塔0.5m的高度，同時由于水錘波速近1000m/s，還至少會對100m 長的管道長度安全造成影響。

3.2 連通管面積的影響

由于單向塔是通過一段輔助補水管與主管道相連接的，當發生抽水斷電事故后，當主管道內壓力降到單向塔正常水位以下時，單向塔底部逆止閥迅速打開，通過連通管立即向主管道內補水，以消除主管道內的水錘負壓，而單向塔能否在短時間內向主管道補充足夠的水量，除與單向塔的容積有關外，連通管的斷面積也起到重要作用。對于容積一定的單向塔，如果連通管的斷面積過小，必然會導致單位時間內注入主管道內的水不足以消除主管道內發生水柱分離事故，而若面積過大，必然有導致單向塔底部單向閥的直徑隨之增大，相應的成本將會增加。因此，連通管的斷面積對單向塔的水錘防護效果亦有較大的影響。

3.3 單向塔容積的影響

若單向塔的容積足夠大，可以認為水錘波傳遞過程中單向塔的水位保持不變;若單向塔的容積不滿足足夠大的條件，則該過程中單向塔的水位已經迅速下降，可能導致后續單向塔前有一段管道將出現負壓，因此單向塔的容積不應該太小，否則單向塔內水位的迅速下降將縮短單向塔的保護長度，為工程帶來安全隱患;此外為防止管路系統外的氣體進入管道內，單向塔的容積亦不能太小，還須保證過渡過程中單向塔內不發生漏空現象。

3.4 水錘波衰減的影響

實際上水錘波沿管線是衰減的。且衰減的數值與管材、波速、流速、糙率、管段長度、管道是否漏水等多個因素相關，由于這些因素中某些因素的不確定性，因此很難得到一個客觀的定量的數據，通常，在進行單向塔的初步設計計算時一般將其忽略，這也使得計算得出的位置是偏安全的。

4 案例分析

4.1 工程簡介

大伙房水庫輸水應急入連工程，輸水系統采用單線有壓管道和無壓隧洞相結合的方案設計，工程以碧流河水庫為界，分為北段工程和南段工程兩部分，北段工程主要由輸水管道、2 級加壓泵站、隧洞等組成，本文主要是結合北段工程1號、2號兩級泵站的管路系統進行闡述，具體見圖2。工程線路總長165100m，主管材為預應力鋼套筒混凝土管(PCCP)，管徑2.8m，設計供水規模為3億m3/年;1號泵站由6臺(4用2備)同型號的水泵組成，水泵額定揚程為72.0m，額定流量為11250m3/h.;2號泵站亦由6臺(4用2備)同型號的水泵組成，水泵額定揚程為106.2m，額定流量為9375m3/h。

圖2 輸水工程平面布置示意圖

4.2 無平壓措施計算

由于管道距離較長，當1號泵站抽水斷電時，泵后壓力驟降近61m，使得泵后沿線出現了較低的負壓，遠遠超過相關規范要求，可能對系統造成較大的安全隱患，具體壓力計算結果見表1、圖3～圖4。

表1 未設置穩壓措施下1號泵站抽水斷電1號泵站與2號泵站間主要控制參數變化情況

圖3 泵后壓力變化

圖4 沿線壓力變化

4.3 設計平壓措施

為消除管路沿線產生的負壓，在與相關單位的合作下，經過大量詳實計算并結合具體地形地貌，最終于1號加壓泵站與2號加壓泵站之間設置了兩座單向穩壓塔，兩座穩壓塔的設計參數如下:

a.1號穩壓塔位于樁號42+ 170 處，容積為550m3，最高水位為35.0m，最低水位為20.0m，聯通管為2 根DN1000 管道，距管中心線距離為15m。

b.2號穩壓塔位于樁號107+ 085 處，容積為125m3，最高水位為32.0m，最低水位為20.0m，聯通管為2 根DN1000 管道，距管中心線距離為20m。

設置兩座單向穩壓塔后，當1號泵站水泵發生抽水斷電事故時，管路沿線計算結果見表2、圖5～圖7。

表2 設置穩壓措施后1號泵站抽水斷電1號泵站與2號泵站間主要控制參數變化情況

從以上的結果可看出:設置單向穩壓塔后，即便1號泵站全部水泵均發生抽水斷電，1號、2號泵站間管道沿線均未產生負壓，較好地解決了停泵負壓的安全隱患問題，且具有一定的安全裕量，完全能滿足規范得要求。

圖5 沿線壓力變化

圖6 1號單向塔水位變化

圖7 2號單向塔水位變化

5 結 語

本文結合大伙房水庫輸水應急入連工程，對單向穩壓塔在長距離輸水工程中停泵水錘防護效果以及對影響單向穩壓塔的防護效果的因素進行了淺析，為單向調壓塔在長距離供水工程中的應用提供了一定的技術依據和參考。

1 大伙房輸水工程(二期)安全調度決策支持系統研制報告［R］.河海大學，2011.3.

2 遼寧省大伙房水庫輸水應急入連工程輸水管線水錘防護計算分析研究［D］.哈爾濱工業大學，2010.10.

3 劉竹溪，劉光臨.泵站水錘及其防護［M］.北京:水利電力出版社，1988:224－225.

4 姚青云.泵出口附近設單向調壓塔水錘的防護計算［J］.寧夏工程技術，2005(12):318－320.

5 劉光臨，劉志勇，王聽權，等.單向調壓塔水錘防護特性的研究［J］.給水排水.2002(2).