北疆某長(zhǎng)距離重力式輸水管道工程關(guān)閥水錘防護(hù)措施研究

陸云才

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

北疆某輸水工程是滿足WS、KT和DSZ區(qū)工業(yè)、城鎮(zhèn)及部分生態(tài)用水的長(zhǎng)距離管道輸水工程。輸水管線起始于XTJ引水隧洞進(jìn)口(底高程655 m)，止于KT市供水點(diǎn)(高程532 m)，輸水線路總長(zhǎng)182.596 km，其中管道長(zhǎng)177.644 km，隧洞長(zhǎng)4.952 km。分期建設(shè)，一期輸水流量16.7～10.8 m3/s，二期輸水流量13.3～10.8 m3/s，采用雙管有壓重力流輸水。工程由XTJ水庫(kù)取水口、引水隧洞、出口穩(wěn)壓水池、輸水管道及附屬設(shè)施、調(diào)壓水池以及尾部的兩座事故備用水庫(kù)(WS調(diào)節(jié)水庫(kù)、KT調(diào)節(jié)水庫(kù))組成，見(jiàn)圖1。

圖1 管線拓?fù)涫疽鈭D

2 長(zhǎng)距離重力流輸水管道常用水錘防護(hù)方法

2.1 水錘防護(hù)常用方法

新疆多山區(qū)，地形落差大，輸水過(guò)程中水容易出現(xiàn)水柱分離和斷流彌合水錘現(xiàn)象。根據(jù)重力流長(zhǎng)距離輸水水錘防護(hù)工程實(shí)際，常用的防護(hù)措施有氣壓罐、超壓泄壓閥、單雙向調(diào)壓塔和箱式調(diào)壓塔。以上幾種水錘防護(hù)方法工作原理如下：

1) 氣壓罐。空氣罐是一種內(nèi)部充有一定量要壓縮空氣的金屬水罐裝置。當(dāng)發(fā)生水錘管內(nèi)壓力升高時(shí)，原壓縮的空氣被再度壓縮，起到氣墊消能作用；而當(dāng)管內(nèi)由于突然停泵壓力陡降，甚至可能發(fā)生水柱分離時(shí)，又可利用壓縮空氣膨脹向管中注水，因而有效地消減了停泵水錘的危害。

2) 超壓泄壓閥。超壓泄壓閥是由主閥和先導(dǎo)閥組成的先導(dǎo)式動(dòng)作閥門(mén)，當(dāng)水錘升壓過(guò)高時(shí)，先導(dǎo)閥首先動(dòng)作泄壓，隨后主閥動(dòng)作泄壓，通過(guò)泄壓進(jìn)行壓力管道水錘防護(hù)。

3) 安裝單向調(diào)壓塔。單向調(diào)壓塔由水箱、浮球閥、單向閥等組成，當(dāng)管道出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，可向管中注水，防止水柱中斷。但不能直接消減正壓。

4) 普通雙向調(diào)壓塔。普通雙向調(diào)壓塔構(gòu)造簡(jiǎn)單，為一開(kāi)口的水池—大水柱，裝設(shè)于輸水干管上易于發(fā)生水柱分離的高點(diǎn)或折點(diǎn)處，當(dāng)發(fā)生突然事故停泵時(shí)，它能向管路中補(bǔ)充水，以防止水柱分離，可有效消減斷流彌合水錘升壓。當(dāng)管路中水錘壓力升高時(shí)，高壓水流進(jìn)入調(diào)壓塔中，從而起到緩沖水錘升壓的作用。

5) 箱式雙向調(diào)壓塔。箱式雙向調(diào)壓塔的調(diào)壓方式是在其活塞上部承受箱內(nèi)水深的壓力，活塞下部承受管道壓力，活塞上部面積大，下部面積小，且其面積的比值根據(jù)箱式調(diào)壓塔的水深即高度要求和管道內(nèi)壓的大小決定。在正常運(yùn)行時(shí)，管道內(nèi)壓等于或小于其最大設(shè)計(jì)水壓，活塞上部總壓力大于或等于管道對(duì)活塞下部的總壓力，活塞靜止不動(dòng)，被壓在閥座上，并保持活塞與閥座間的密封。

2.2 水錘防護(hù)位置及關(guān)閥時(shí)間控制

根據(jù)北疆某長(zhǎng)距離輸水工程的實(shí)地狀況，較適宜設(shè)置管道水錘防護(hù)裝置的位置為33+348、66+298、72+796.79、97+000、158+150和175+000等處。本工程在末端閥門(mén)均勻關(guān)閉，總關(guān)閉時(shí)間300 s的情況下對(duì)以上各種預(yù)防水錘的方法進(jìn)行驗(yàn)證，提出最優(yōu)的水錘消除防護(hù)措施。

3 不同方法水錘防護(hù)計(jì)算驗(yàn)證

3.1 水錘計(jì)算分段

為方便計(jì)算，將北疆某長(zhǎng)距離輸水工程分成兩段計(jì)算。第一段：XTJ隧洞出口的穩(wěn)壓水池至調(diào)壓池進(jìn)口；第二段：調(diào)壓池出口至管道末端。

3.2 第一段水錘防護(hù)計(jì)算驗(yàn)證

1) 氣壓罐驗(yàn)證：TT河分水閥正常工作，管道末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，在樁號(hào)33+348、66+298、72+796.79處安裝氣壓罐的驗(yàn)證計(jì)算工況，氣壓罐初始容積500 m3。見(jiàn)圖2。

圖2 第一段關(guān)閥水錘壓力包絡(luò)線(氣壓罐驗(yàn)證)

2) 泄壓閥驗(yàn)證：TT河分水閥正常工作，管道末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，樁號(hào)33+348、66+298、72+796.79處安裝超壓泄壓閥的驗(yàn)證計(jì)算工況。見(jiàn)圖3。

圖3 第一段關(guān)閥水錘壓力包絡(luò)線(泄壓閥驗(yàn)證)

3) 單向調(diào)壓塔驗(yàn)證：TT河分水閥正常工作，管道末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，在樁號(hào)33+348、66+298、72+796.79處安裝單向調(diào)壓塔的驗(yàn)證計(jì)算工況。見(jiàn)圖4。

圖4 第一段關(guān)閥水錘壓力包絡(luò)線(單向調(diào)壓塔驗(yàn)證)

4) 普通雙向調(diào)壓塔驗(yàn)證： TT河分水閥正常工作，管道末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，在樁號(hào)33+348、66+298、72+796.79處安裝普通雙向調(diào)壓塔的驗(yàn)證計(jì)算工況。見(jiàn)圖5。

圖5 第一段關(guān)閥水錘壓力包絡(luò)線(普通雙向調(diào)壓塔驗(yàn)證)

5) 箱式雙向調(diào)壓塔：指定樁號(hào)處安裝緩沖排氣閥，管道末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，在樁號(hào)33+348、66+298 、92+796.79 處安裝箱式雙向調(diào)壓塔的非穩(wěn)定流計(jì)算。見(jiàn)圖6

圖6 第一段關(guān)閥水錘壓力包絡(luò)線(箱式雙向調(diào)壓塔驗(yàn)證)

3.3 第二段水錘防護(hù)計(jì)算驗(yàn)證

1) 氣壓罐驗(yàn)證。WS分水閥正常工作，末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，樁號(hào)158+150、175+000、97+000處安裝氣壓罐的驗(yàn)證計(jì)算工況，氣壓罐初始容積500 m3。見(jiàn)圖7。

圖7 第二段關(guān)閥水錘壓力包絡(luò)線(氣壓罐驗(yàn)證)

2) 超壓泄壓閥驗(yàn)證：WS分水閥正常工作，末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，在樁號(hào)158+150、175+000、97+000處安裝超壓泄壓閥的驗(yàn)證計(jì)算工況。見(jiàn)圖8。

圖8 第二段關(guān)閥水錘壓力包絡(luò)線(泄壓閥驗(yàn)證)

3) 單向調(diào)壓塔驗(yàn)證：WS分水閥正常工作，末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，樁號(hào)158+150、175+000、97+000處安裝單向調(diào)壓塔的驗(yàn)證計(jì)算工況。見(jiàn)圖9。

圖9 第二段關(guān)閥水錘壓力包絡(luò)線(單向調(diào)壓塔驗(yàn)證)

4) 普通雙向調(diào)壓塔驗(yàn)證：WS分水閥正常工作，末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，樁號(hào)158+150、175+000、97+000處安裝普通雙向調(diào)壓塔的驗(yàn)證計(jì)算工況。見(jiàn)圖10。

圖10 第二段關(guān)閥水錘壓力包絡(luò)線(普通雙向調(diào)壓塔驗(yàn)證)

5) 箱式雙向調(diào)壓塔：原樁號(hào)處安裝普通排氣閥，在樁號(hào)158+150、175+000、97+000處安裝箱式雙向調(diào)壓塔。見(jiàn)圖11。

圖11 第二段關(guān)閥水錘壓力包絡(luò)線(箱式雙向調(diào)壓塔驗(yàn)證)

4 結(jié) 論

考慮到管道氣囊震蕩以及排氣閥突然起球?qū)艿腊踩斐傻奈：Γㄟ^(guò)以上對(duì)水錘非穩(wěn)定流工況進(jìn)行計(jì)算分析可以得出以下結(jié)論：

第一段：XTJ隧洞出口的穩(wěn)壓水池至調(diào)壓池進(jìn)口

1) 氣壓罐：指定樁號(hào)處安裝緩沖排氣閥，在樁號(hào)33+348、66+298、72+796.79處分別安裝氣壓罐，末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，總關(guān)時(shí)間為300 s，大部分管道水錘升壓超出管道承壓范圍，對(duì)安全運(yùn)行存在隱患。

2) 超壓泄壓閥：在指定樁號(hào)處安裝緩沖排氣閥，樁號(hào)33+348、66+298、72+796.79處安裝超壓泄壓閥，末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，總關(guān)時(shí)間為300 s，大部分管道水錘升壓超出管道承壓范圍，對(duì)安全運(yùn)行存在隱患。

3) 單向調(diào)壓塔：在指定樁號(hào)處安裝緩沖排氣閥，樁號(hào)33+348、66+298、72+796.79處分別安裝單向調(diào)壓塔，末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，總關(guān)時(shí)間為300 s，大部分管道水錘升壓超出管道承壓范圍，對(duì)安全運(yùn)行存在隱患。

4) 普通雙向調(diào)壓塔：在指定樁號(hào)處安裝緩沖排氣閥，樁號(hào)33+348、66+298、72+796.79處分別安裝普通雙向調(diào)壓塔，末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，總關(guān)時(shí)間為300 s，所有管段的水錘升壓均降低至安全承壓范圍之內(nèi)，降壓效果十分明顯，滿足管道運(yùn)行安全需求。

5) 箱式雙向調(diào)壓塔：在指定樁號(hào)處安裝緩沖排氣閥，樁號(hào)33+348、66+298、72+796.79處分別安裝調(diào)壓塔，末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，所有管段的水錘升壓均降低至安全承壓范圍之內(nèi)，降壓效果十分明顯。

第二段：調(diào)壓池出口至管道末端

1) 氣壓罐：在原樁號(hào)處安裝普通排氣閥，在指定樁號(hào)處安裝氣壓罐，末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，總關(guān)時(shí)間為300 s，大部分管道水錘升壓超出管道承壓范圍，對(duì)安全運(yùn)行存在隱患。

2) 超壓泄壓閥：在原樁號(hào)處安普通排氣閥，在指定樁號(hào)處安裝超壓泄壓閥，末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，總關(guān)時(shí)間為300 s，管道水錘升壓超出管道承壓范圍，對(duì)安全運(yùn)行存在隱患。

3) 單向調(diào)壓塔：在原樁號(hào)處安裝普通排氣閥、在指定樁號(hào)處加裝單向調(diào)壓塔，末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，總關(guān)時(shí)間為300 s時(shí)，管道水錘升壓超出管道承壓范圍，對(duì)安全運(yùn)行存在隱患。

4) 普通雙向調(diào)壓塔：在原樁號(hào)處安裝普通排氣閥、在指定樁號(hào)處加裝普通雙向調(diào)壓塔，末端閥門(mén)勻速關(guān)閉，總關(guān)時(shí)間為300 s時(shí)，所有管段的水錘升壓均降低至安全承壓范圍之內(nèi)，降壓效果十分明顯。

5) 箱式雙向調(diào)壓塔：在原樁號(hào)處安裝普通排氣閥，在指定樁號(hào)處安裝箱式雙向調(diào)壓塔，WS分水閥勻速關(guān)閉，總關(guān)時(shí)間為300 s時(shí)，所有管段的水錘升壓均降低至安全承壓范圍之內(nèi)。

5 建 議

超壓泄壓閥、氣壓罐及單向調(diào)壓塔不能滿足本工程水錘防護(hù)需要，故不推薦使用。只有雙向調(diào)壓塔即普通雙向調(diào)壓塔和箱式雙向調(diào)壓塔可滿足本工程水錘防護(hù)要求，推薦納入使用范圍，并分析如下：

普通雙向調(diào)壓塔造價(jià)昂貴，冬季還需要加熱防凍，根據(jù)遼寧沈陽(yáng)大伙房水庫(kù)輸水工程穩(wěn)壓塔概算單估算，本工程6座普通雙向調(diào)壓塔造價(jià)約為1.5億元。而箱式雙向調(diào)壓塔含閥井、排水管等不超過(guò)3千萬(wàn)元，僅為普通雙向調(diào)壓塔的五分之一。此外，普通雙向調(diào)壓塔還可能因地震等自然災(zāi)害倒塌，造成工程事故；高塔在地面豎立，目標(biāo)顯著，還可能成為恐怖爆炸、投毒等的襲擊目標(biāo)。

而箱式雙向調(diào)壓塔隱蔽性好，可直接設(shè)于閥門(mén)井內(nèi)，完全不銹鋼閥芯制造，加上每年必須人為動(dòng)作一次及安全要求，具有基本等同于普通調(diào)壓塔的安全可靠性，故建議在本工程水錘防護(hù)中優(yōu)先使用箱式雙向調(diào)壓塔。