超長重力流輸水系統水錘防護的頂部聯通溢流式調壓塔方案研究

薛 松，張石磊，李進平，李美玲，程永光

（1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072；2.內蒙古引綽濟遼供水有限責任公司，內蒙古 烏蘭浩特 137400）

0 引 言

興建調水工程是改善水資源時空分布不均問題的重要手段［1，2］。近年來我國調水工程建設明顯加快［3］，并朝著長距離、跨流域、大規模方向發展，這些工程的長期運行安全備受關注。重力流有壓輸水是一種經濟合理的輸水方式，其管道一般依地形敷設，中后部承壓較大，閥門關閉產生的水錘升壓容易超過管道承壓能力，破壞管道閥門和接口，甚至造成爆管事故［4］。

為控制輸水系統過渡過程中管道最大和最小壓強、保障供水安全，許多水錘防護措施被提出，如優化閥門動作規律、設置超壓泄壓閥、空氣罐、空氣閥、調壓室等。優化閥門動作規律［5-7］可以減小水錘壓強，但是很多情況下要求的關閉時間太長，不能滿足緊急切斷水流需求。超壓泄壓閥［4，8］可以有效限制管道壓強上升，但無法消除管道負壓，且存在動作滯后甚至拒動的可能?？諝夤蓿?，10］利用氣體可壓縮性緩解管道壓力波動，常用于削減停泵過程的出水管水錘，在重力流輸水工程中應用較少?？諝忾y［11-13］廣泛應用于輸配水系統，可防止負壓產生和水柱分離，但通常不能作為主要水錘防護方案，要與其他措施組合使用。雙向調壓塔兼具注水和泄水穩壓功能，簡單可靠、應用廣泛，但塔高過高，建設困難、造價昂貴。箱式調壓塔［14，15］采用上下不等面積活塞增壓原理明顯降低塔高，但結構復雜，不適合大管徑系統。單向調壓塔［16，17］僅能單向注水，防止負壓產生和水柱分離，多用于防護停泵水錘。

上述水錘防護措施各有針對的問題和適用條件，通常需要聯合使用才能取得良好效果。對于超長重力流輸水系統來說，需要考慮管道某處爆管不會影響全線，也需要考慮系統中后部工作壓強不要過高，因此要提出新防護方案，確保系統造價的經濟性、正常運行的穩定性、過渡過程的安全性。針對超長重力流輸水系統的特點，提出了一種采用頂部聯通溢流式調壓塔的多塔聯合水錘防護方案，并結合某輸水工程采用特征線法計算分析其水錘防護效果，以期為類似工程提供參考。

1 超長重力流輸水系統的特點

超長重力流輸水工程管道長度達上百公里，跨越地域廣，管線布置條件復雜多變，具有以下特點：

（1）輸水管線依照地形起伏布置，首尾高差大。

（2）管道首尾水頭差主要消耗于沿程水頭損失，靜壓水頭及最大水頭遠大于工作水頭，中后部的最大壓強通常較大。

（3）主線上通常連接多條支線，支線閥門動作產生的水錘會傳播到主線。

（4）管道某處發生爆管等事故時，影響會在全系統傳播并可能導致全系統停運。

基于以上特點，這種重力流輸水系統要考慮管道末端閥門關閉產生的關閥水錘，除了防止過大壓強外，還要防止局部負壓和斷流彌合水錘［18］，更要防止局部爆管對全系統的影響。為了削減管線最大壓強，也為了減小水錘影響范圍和控制事故蔓延范圍，保證系統長期安全運行，應在主線上設置多個調壓設施，將系統分隔為數段。

2 頂部聯通溢流式調壓塔方案及其設計原則

2.1 方案布置

當系統中部有合適的地形地勢時，用中間水池來分隔系統是最好的選擇，若無此條件，可采用調壓室來分隔系統。調壓室有常規阻抗式調壓室、溢流式調壓室、氣墊式調壓室等供選擇。本文提出了一種采用頂部聯通溢流式調壓塔的多塔聯合防護方案，布置示意見圖1。方案主線采用首端流量控制、末端水位控制方式，調壓塔通過底部不聯通而頂部聯通的過流方式將長系統分離成多個短系統，在物理上將管道分成數段，實現了系統的分隔，同時也改變了水力條件。系統正常運行時的水力坡降線呈階梯狀，各段管道的水頭由該段尾部調壓塔的下溢堰高程控制（即各段管道的水力坡降線由下游往上游推算），而流量由該段首端閥門或其前段來流控制（即流量不受下游水位影響）。

圖1 多調壓塔防護方案布置示意圖Fig.1 Layout of multiple surge towers scheme for water hammer protection

方案的前提是主線末端有水庫，過渡過程中尾部調壓塔的外溢水流進入水庫而不浪費水量；要點是系統尾部調壓塔的溢流堰高程控制全線水力坡降線；中部調壓塔下溢堰高程按系統穩定運行時有足夠輸水能力確定，外溢堰高程按過渡過程中不外溢或少量外溢確定。

2.2 頂部聯通溢流式調壓塔

頂部聯通溢流式調壓塔主要由進流豎管、出流豎管、連接橫管（或下溢堰）、頂部溢流堰（外溢堰）等組成，上游管道連接進流豎管，下游管道連接出流豎管，二者由連接橫管聯通，頂部溢流堰連接溢流設施，整體結構和過流狀態見圖2。

圖2 頂部聯通溢流式調壓塔結構和過流示意圖Fig.2 Structure and waterflow schematic of top-connected overflow surge tower

系統停水時進流豎管和出流豎管均可以保證一定水位，使調壓塔上下游管道呈有壓狀態，便于系統快速轉向輸水工況。正常輸水運行時，上游管道來水在進流豎管上升后經連接橫管下溢至出流豎管，跌水削減富余水頭后進入下游管道，實現對管道分段減壓。在系統關閉等過渡過程中，支線閥門關閉產生的升壓水錘傳入主線并在主線傳播，被調壓塔分隔反射；由于流量改變導致調壓塔過流豎管水位上升；當水位上升至外溢堰高程時發生外溢，從而控制系統的最大壓強。

當輸水系統某處發生爆管時，爆管處壓強迅速減小，降壓水錘波向系統其他部位傳播并引起沿線壓強降低；當降壓水錘到達調壓塔后，出流豎管水位下降，從而隔斷水錘波的傳播路徑，限制爆管處流量的增大；在爆管段上游的管段不受影響，可繼續運行；在爆管段下游的管段，則緩慢退水并關停。

2.3 方案設計原則

實現上述功能的關鍵在于合理確定輸水系統各調壓塔的位置和參數，方案設計原則如下：

（1）主線末端須有能夠接納大量外溢水的水庫（或調蓄池），尾部調壓塔緊鄰水庫設計，將系統外溢水量注入其中；中部調壓塔設置若干，將輸水系統分隔成數段，各塔位置根據地形地勢和管線水力坡降，綜合考慮水錘防護效果、排泄溢水方便性、工程經濟性等因素確定。

（2）調壓塔下溢堰高程應滿足塔前支線引流水頭要求，且保證足夠過流能力以滿足塔后引水流量；外溢堰高程應確保在任何穩態運行工況下不溢流。

（3）進出流豎管和溢流設施應分別保證調壓塔具備足夠過流能力和溢流能力。

調壓塔主要高程確定很關鍵，可根據如下過程進行：

（1）首先給定主線尾部調壓塔的下溢堰高程和外溢堰高程。

（2）從下游往上游推算系統可能最小糙率下通過設計流量、主線尾部調壓塔下溢時的水力坡降線，中部各塔所在位置的測壓管水頭即為其下溢水面高程；若某支線不能正常引用流量，則提高該支線分水口下游調壓塔的下溢水面高程直至滿足支線水頭要求；最后檢驗各塔過流能力。

（3）從下游往上游推算系統可能最大糙率下各支線關閉、流量全部由主線尾部調壓塔外溢時的水力坡降線，根據中部各塔所在位置的測壓管水頭確定各塔外溢堰高程。

重復上述3個步驟多次，最終確定合理的調壓塔參數。

2.4 方案的優缺點

頂部聯通溢流式調壓塔方案具有以下優點：

（1）大幅降低管線中后部最大壓強，降低管道承壓標準，節約管道投資。

（2）削減主線和支線閥門動作的水錘壓強波動。

（3）隔斷系統，既可隔斷水錘傳播也可隔斷流量，控制爆管事故影響范圍。

同時也存在缺點：

（1）系統運行操作變復雜，要求主線和支線所有閥門統一調度。

（2）過渡過程中中部各塔有一定水量外溢，要求設計外溢水排蓄設施。若要求不外溢，則要增加塔高。

（3）小流量工況下調壓塔內有跌水，跌水擾動有使水流摻氣風險，要求出流豎管內有足夠淹沒深度。

（4）在工況轉換過程中，上游來流與支線引流不平衡時尾部調壓塔有水量溢向下游水庫，要求下游水庫有承接這部分水的許可。

3 實例分析

3.1 工程概況及原方案

某超長重力流有壓輸水系統總長206.81 km，前100.52 km為DN2800 雙管，后106.29 km 為DN3200 單管。進口水池設計水位283.91 m，設計輸水流量14.62 m3/s，沿線設8 個分水口，分水流量共14.62 m3/s。主線末端有一水庫但不分水。原方案在樁號141+903 地勢較高處（雙管段）設置2 個底部聯通雙向調壓塔（稱為1號調壓塔），過渡過程中不溢流。

在此超長重力流輸水系統中，各支線末端閥門同時關閉是最不利工況，主線及支線最大/最小水錘壓強都應符合相應壓強控制標準，即管道承壓上限小于1.5倍靜壓［19］，管道頂部有大于2.0 m的壓力水頭［20］。

針對進口水池水位最高、管道糙率最小、各支線引用設計流量、所有支線閥門同時開始線性關閉的工況，基于水錘基本方程［6］，采用特征線法計算得到原方案的最大/最小水頭包絡線（圖3）和最大壓強值（表2第5 行）。原方案是全封閉的末端流量控制的重力流輸水系統，在停運時管道承受較大靜壓（表2第1行），在輸送設計流量時穩態運行水頭線比停運時的靜水頭線低很多，尤其是主線的中后部和相連支線。支線末端閥門同時線性關閉會在全系統產生明顯水錘，主線最大壓強出現在中部地勢低點，達121.72 m；主線末端最大壓強達105.30 m，是系統停運時該處靜水壓強76.64 m 的1.37倍；1號調壓塔水位波動明顯，最高水位達288.80 m。

圖3 原方案各支線閥門同時關閉工況的最大/最小水頭包絡線Fig.3 Maximum/minimum head envelope curves of all branch valves close simultaneously in the original scheme

原方案主線的中后部和相連支線在關閥工況的最大壓強大，要求的管道承壓等級高、投資大。而且該系統是封閉的，若發生爆管等事故，將在全系統中蔓延，并導致全線停運。因此，必須采取新的水錘防護方案，既保證系統正常運行，又控制極端事故影響范圍。

3.2 現方案確定過程

如果在管線中后部增加底部聯通的溢流式調壓塔以防護關閥水錘，則塔高達80 m，工程造價高且不能減小爆管事故蔓延范圍。而帶中間隔墻（保水堰）的水池多用于低壓輸水系統，與之相比，頂部聯通溢流式調壓塔構造相對簡單，適用于較高壓力下的輸水系統。因此，現方案水錘防護采用頂部聯通溢流式調壓塔方案。

根據前述方案設計原則，明確主線末端臨近水庫，滿足設塔條件。綜合考慮后在中部兩個位置設塔。1號調壓塔位置不變；2 號調壓塔位于系統中后部；3 號調壓塔位于分水口8，即主線末端，出流豎管接支線8，溢流接主線末端水庫?，F方案在首端進行流量控制，各調壓塔下溢堰、主線分水口3 處調流調壓閥、各支線閥門聯合控制系統水力坡降線。

各塔高程的確定按照前述分析步驟，首先給定尾部調壓塔下溢堰和外溢堰高程。然后推算系統可能最小糙率下通過設計流量、主線尾部調壓塔下溢時的水力坡降線（圖4粉色線），以此確定中部各塔下溢堰高程；發現支線1 不能引流且主線部分管段為明流或負壓狀態，因此提高中部調壓塔下溢堰高程直至滿足支線水頭和管道最小壓強要求（即圖4中粉色線上升為藍色線）。最后推算系統可能最大糙率下各支線關閉、流量全部由主線尾部調壓塔外溢時的水力坡降線（圖4綠色線），以此確定中部各塔外溢堰高程。經重復上述步驟后確定在主線上設置3 個頂部聯通溢流式調壓塔的現方案，調壓塔基本參數見表1。

圖4 頂部聯通溢流式調壓塔關鍵高程的確定過程Fig.4 Determination process of key elevation of top-connected overflow surge tower

表1 現方案調壓塔基本參數Tab.1 Basic parameters of surge tower in the current scheme

3.3 現方案水錘防護效果

各支線引用設計流量下，支線閥門同時開始線性關閉工況的最大/最小壓強見表2第6 行，主線最大水頭包絡線見圖5。在此工程實例中，該控制性工況下最大水頭包絡線僅比穩態運行水頭線略高，最大水錘壓強為84.49 m 且出現在管道中部，僅為該處穩態運行壓強68.07 m 的1.24 倍；而主線末端的最大壓強被3 號調壓塔溢流所限制，僅有10.04 m，比原方案大幅減小90.4%。現方案關閥工況各管段最大壓強均比原方案低，尤其在主線中后部支線6，降幅可達77.1%，顯著降低管道承壓標準。

圖5 現方案各支線閥門同時開始關閉工況最大水頭包絡線Fig.5 Maximum head envelope curves of all branch valves close simultaneously in the current scheme

表2 原方案和現方案的管段最大壓強水頭 mTab.2 Maximum pressure head of pipe in the original and the current scheme

支線閥門快速關閉而主線水頭沒有明顯壓力波動的原因是主線的流動狀態沒有發生大的改變，只是在支線引用流量和3號調壓塔溢流之間轉換。支線全部快速關閉時主線流量改道3 號調壓塔順暢溢流至下游水庫，而在支線開啟時經3 號調壓塔溢流的流量變道流向各支線。在各支線流量調節的過渡過程中3 號調壓塔有水量外溢至下水庫，但在正常運行時不溢流。

3.4 方案對比分析

原方案輸水系統是封閉的，而現方案利用頂部聯通溢流式調壓塔的下溢和外溢功能，將系統變為有自由水面的開放系統。與原方案相比，現方案是可行且優越的：

（1）現方案輸水系統中后部靜水壓強大幅降低，支線4～8降幅均在40%以上，可有效節省管道投資；同時穩態運行壓強也比原方案低。

（2）現方案的沿線最大水錘壓強比原方案明顯降低。調壓塔的頂部聯通方式起分隔系統作用，阻斷了水錘波的傳播。

（3）現方案能將爆管事故影響范圍控制在小范圍內。頂部聯通溢流式調壓塔將系統分隔為數段，在發生爆管等事故時可保證爆點上游非事故段的正常運行，減小事故的影響范圍。

現方案系統的關閉要依靠首端的閥門（或閘門）來控制，系統中部分水口3 處的主線閥門主要起調節上游水力坡降線作用。2 號調壓塔至3 號調壓塔之間不允許有閥門切斷水流，否則會導致2 號調壓塔大量溢流。為了保證系統安全穩定運行，要求主線和支線閥門統一調度；為了減小過渡過程外溢流量，要求閥門調度的及時性和準確性較高。另外，在小流量運行時調壓塔內有跌水，有使下游管道摻氣風險，須保證下游管道進口有足夠淹沒深度。

4 結 論

為減小超長距離重力流輸水系統在水力過渡過程中的水力波動并控制爆管等事故的影響范圍，本文提出一種采用頂部聯通溢流式調壓塔的水錘防護方案，給出了布置原則和設計步驟，通過實例分析論證了方案可行性及水錘防護特性。主要結論如下：

（1）頂部聯通溢流式調壓塔將封閉系統變為開放系統，系統中后部的靜水壓強和穩態運行壓強明顯降低。

（2）方案通過調壓塔分割系統，引入自由水面，明顯限制水錘壓強上升，在發生爆管事故時可隔斷系統，在系統停運時可保持管道滿管狀態。

（3）調壓塔的頂部聯通方式，改變了全系統的水力條件，即系統水力坡降線由下游溢流高程控制，流量由首端閥門或其前來流控制。

（4）本方案適用于管線末端有水庫（或調蓄池）來承接溢流量的情況，以適應輸水系統流量調節。

頂部聯通溢流式調壓塔水錘防護方案針對超長距離重力流輸水系統，適應線路長且起伏多、穩態水力坡降線與系統首尾連線大體平行的特性，可為類似工程設計提供參考。但由于輸水系統水力特性的改變，運行調度更加復雜，有不少問題需要深入研究，以便為工程實施提供堅實理論依據。