目前，随着我国国民经济的快速发展和城镇建设的需求日益增加，长距离管道调水工程已经成为解决区域性缺水和水质性缺水必不可少的一部分。长距离输水管(渠)道工程，是距离超过10 km的用管(渠)输送原水、清水的建设工程[1]。在长距离重力输水和长距离压力输水中，长距离重力输水具有工程投资少、维护管理方便、运行费用低等优点，在条件许可的情况下应优先选用。

在重力压力管流中因流速剧烈变化引起动量转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象，称为水锤现象[2]。重力输水管道中无水泵加压，不存在停泵过程中可能出现的水柱分离及其再弥合问题，其运行过程中需要重点解决管路中闸、阀突然关闭和突然打开产生的水锤问题。即在重力输水正常运行过程中，因流量调节或者水池检修等因素，需要将管线末端阀的开度减小甚至关闭时，若关闭程序不当，容易产生较大的水锤压力，可能引起管道中强烈的振动，从而造成阀门的破坏，管件接头断开，甚至导致管路爆管。

为保障城镇供水水质和城镇供水安全性，做好水锤防护是长距离重力管道工程安全性的关键。本文以云南省某市水库长距离重力输水工程为例,说明水锤防护设计需要从工程措施、技术措施、运行管理多方面综合考虑,并首先考虑工程措施的设计思路,以供类似工程参考。

1　工程概况

云南省某市水库长距离输水工程为从水库水源地向南至1#镇，在1#镇分为两根供水管，一根沿西边铺设，途径1#水厂、3#水厂、5#水厂、7#水厂、9#水厂和10#水厂，最终供至11#水厂配水井；一根沿6#铺设，途径2#水厂、4#水厂和6#水厂，最终供至8#水厂取水泵房，输水规模为15万m3/d，直线距离总计约159 km，水源区与受水区地面高程高达146.50 m。

水库取水位：水库正常蓄水位为2 132.00 m，死水位为2 117.00 m。为保证城市供水水源的取水量，本设计取水位选2 119.00 m(比水库死水位高2.00 m)作为原水输水管线的最低设计工作水位。

本计算只对11个水厂同时关闭阀门产生的关阀水锤进行计算，这种情况下产生的关阀水锤破坏最严重。采用美国BENTLEY公司的水锤计算软件Hammer V8，通过建立管线水锤计算模型，输入相关参数(包括初始条件和边界条件)，经过一系列的试算和调试，找到经济合理的水锤解决方案。

 

表1　输水管线沿途各水厂参数表

 

Tab.1　Parameters of Each Waterworks along Pipelines System

  

序号水厂规模/(m3·d-1)危机供水规模/(m3·d-1)进厂水位标高/m自由水头/m设计水位/m备注11#水厂2005202500200202700规划23#水厂2010201800200202000在建35#水厂3015203830200204030在建47#水厂7015197340200197540在建59#水厂6020197250200197450已建610#水厂2005201720200201920已建711#水厂6040203250200203450已建82#水厂2005201000200201200规划94#水厂1505205500200205700规划106#水厂3005199000200199200规划118#水厂22025196600200196800在建/已建合计4650150

本工程全线采用埋地管道输水，管材主要采用预应力钢筒混凝土管(PCCP)；KB22+050～KB28+105段地势高差较大、地形较复杂、工程地质条件较差，KC47+532～KC49+677段地下水位较高，以及局部地质较差或穿越障碍等处采用钢管(SP)。各个区间输水管道参数如图1和表2所示。

  

图1　水库原水供水工程示意图

 

Fig.1　Sketch Map of Reservoir Raw Water Supply Project

 

表2　各区间输水管道参数表

 

Tab.2　Parameters of Each Section of Water Pipelines

  

编号供水区间供水规模输水能力/(万m3·d-1)/万m3·d-1)/(L·s-1)距离/km管径/mm壁厚/mm流速/(m·s-1)水力坡降水头损失/mm1水库～1#镇150170119687561001600160980394‰2641501701196875364531600160980431‰172721#镇～1#水厂150170119687553151400161280878‰5133主干管～1#水厂支管20227262500240600120931432‰03841#水厂～3#水厂1501701196875102281400161280878‰9885主干管～3#水厂支管20227262500831600120931432‰13163#水厂～5#水厂150170119687597761400161280878‰9447主干管～5#水厂支管30340393751355600121393221‰48085#水厂～7#水厂1501701196875109941400161280878‰10629主干管～7#水厂支管707949187532741000141171150‰414107#水厂～9#水厂140158818375088231200141631740‰168911主干管～9#水厂支管606807875009891000141000845‰092129#水厂～10#水厂8090710500010101000141341502‰16713主干管～10#水厂支管20227262500899600120931432‰1421410#水厂～11#水厂606807875035311000141000773‰300151#镇～2#水厂1501701196875177901400161280878‰171816主干管～2#水厂支管20227262501080600120931432‰170172#水厂～4#水厂150170119687581921400161280878‰79118主干管～4#水厂支管15170196882500500121002129‰586194#水厂～6#水厂1501701196875192841400161280878‰186220主干管～6#水厂支管30340393751050600121393221‰372216#水厂～8#水厂泵房120136115750088591200141391278‰1246合计158573

2　水锤模拟计算

2.1　管线稳态时运行工况(水锤计算初始条件)

由图3可知，在未采取有效防护措施时，一旦发生停泵水锤，全线局部发生负压，各个水厂的管线最高自由水头均超过最高值(表3)，超过了CECS193：2005城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程中6.1.4 水锤防护措施设计应保证输水管道最大水锤压力不超过1.3～1.5倍最大工作压力的要求，存在爆管的风险，显然不符合安全要求。

考察从设计起点(某市水库出水总管)到设计终点(云南省某市各个水厂进水配水井)之间的管段在水锤模拟时间内产生的最高水锤压力值和最低水锤压力值所形成的水锤包络线。根据水锤包络线判断是否有超过管道承压能力的现象。

由图2可知，在稳态运行情况下管线中出现的最大管线压力为140 m，设计中原水输水管设计压力为1.60 MPa，根据稳态运行结果，该压力是符合管线运行压力要求的。危及管线系统安全的潜在因素是事故关阀而引起的关阀水锤，这也是本设计关注的重点。

2.2　水锤计算

根据原水压力管道平面方案布置图及简化的纵断面图，建立水锤计算模型。水库供给各个水厂的全线管线稳态运行时水力坡降线如图2所示。

2.2.1　相关参数的选择与设置

(1)水锤波波速：由于水锤波速与管材、壁厚和管径等相关，在控制其他条件不变的情况下，根据不同管径和壁厚得到以下水锤波速，DN1600预应力钢筒混凝土管道，v=1 027.80 m/s；DN1400预应力钢筒混凝土管道，v=1 063.80 m/s；DN1200预应力钢筒混凝土管道，v=1 031.32 m/s；DN1000预应力钢筒混凝土管道，v=1 050.04 m/s；DN600预应力钢筒混凝土管道，v=1 111.21 m/s；DN500预应力钢筒混凝土管道，v=1 135.59 m/s。

(2)计算总历时：5 000 s。

(1)未采取水锤防护措施时工况

由于我的失误，4月22日我到北山后没有找到接头地点，请您原谅。现在我不知道怎样接头，请与我联系。您提供线索我会感谢，酬金3.5万元。

李庚，1950年生于北京，齐白石先生起名为“庚”。现任李可染画院院长，李可染艺术基金会学术委员，中国国家画院研究员，中国美术家协会会员，塔拉斯舍甫琴科北京美术馆名誉馆长。

另外，当有多个波前重叠发生时，如何模拟地震动会影响到多个地震事件的参数估计效果。在本文模型一节提出的算法（见图A1）中，并没有考虑这种模型。尽管在地震事件发生空间相距很远（大于100km）的例子研究中，这个省略只会带来很小的不同，但如果我们想用同一方法来区分发生时间非常接近的主震和余震，则应考虑这种模型。

(5)波数折减系数：1.000 。

(6)模拟液体：水(20 ℃)，运动黏度(1.004e-0.006)，体积弹性模量(2188 128 kPa)。

通过课堂观察发现，学生在课堂上表现出的特点为： 信息技术运用能力较强，包括表格的制作、在Excel软件中作图等，合作互助精神较强。有一个细节是当光源距离伊乐藻较近时，气泡产生太快而难以计数时，有位学生关注到这一点后，会在共享平台里给出了“当气泡产生太快难以计数时可以按暂停键”的小提示。

(7)材料：PCCP，曼宁系数(0.013)，海森-威廉系数(110)，杨氏模量(20 000 000 kPa),泊松比(0.15)

  

图2　水库到各水厂管线的纵剖面及稳态水力坡度线

 

Fig.2　Longitudinal Profile and Steady Hydraulic Gradient from Reservoir to Each Water Plant

2.2.2　水锤计算结果分析

区内外高校对“进一步优化完善部门决算表格设计，建立决算工作奖励和约束机制，并完善决算管理专题分析交流活动”等5个提高部门决算报表质量的改进措施主要因素认知统计数据如表5所示。

(4)蒸汽压力：-97.9 kPa。

输水管线沿途各水厂参数如表1所示。

(3)时间步长：△t=0.1 s。

从某水库到沿线11个水厂的管道沿线共设置147个普通排气阀，平均间距为1 km。在每个水厂的进水管道上安装快关阀门，事故时11个水厂同时快速关闭阀门。

2）1985－2016年巢湖流域土地利用综合指数从303.13变为313.75，说明30年来巢湖流域土地利用程度和土地利用率越来越高，土地可利用的潜力降低。

将上述边界条件输入计算模型，得出水锤包络线如图3所示。

[73] Jeffrey W. Legro, “Which Norms Matter? Revising the ‘Failure’ of Internationalism”, International Organization, Vol. 51 (1997), pp. 31-56, 转引自秦亚青、[美]亚历山大·温特：《建构主义的发展空间》，《世界经济与政治》2005年第1期，第9页。

本工程为有压重力输水管，进行关阀水锤数值模拟研究，以探讨末端水厂关阀引起的管路压力和水锤压力变化规律，以及合理的水锤防护措施。

术前检查出3例已有下肢血栓患者外院会诊后其中2例安装过滤网后再行手术，1例给予溶栓治疗缓解后再手术，其余患者均行手术。通过相应预防措施及护理，术后无1例患者发生DVT和肺栓死等严重并发症。

  

图3　未采取水锤防护措施时水库到各水厂水锤压力包络线图

 

Fig.3　Water Hammer Pressure Envelope Diagram from Reservoir to Each Water Plant without Water Hammer Prevention Measures

 

表3　各水厂最高自由水头表(无防护)

 

Tab.3　Maximum Free Waterhead without Water Hammer Prevention Measures

  

水厂水头/m水厂水头/m水厂水头/m1#2512#2383#2494#2425#2606#2417#2778#2529#23510#21011#240

(2)采取水锤防护措施后的工况

将管线沿线设置的147个普通排气阀改成168个防水锤复合式排气阀(真空破坏与排气阀选择DN200的普通止回阀改为可多阶段关闭的液控缓双动式排气阀，空气入流孔为200 mm，空微量排气复合阀)，气流出孔口为20 mm。另外将每条管道末端闭止回阀，分两阶段关闭，先快关，后慢关，共历时300 s，其关闭规律描述如表4所示。

 

表4　关阀时间表

 

Tab.4　Valve-Closure Schedule

  

时间/s相对关度006060%300100%

同时控制各个水厂的关阀时间，尽量避开同一时间关阀，各个水厂的关阀时间如表5所示。

 

表5　各水厂间隔关阀时间表

 

Tab.5　Interval of Valve-Closure Schedule with Each Water Plant

  

水厂关阀时间/s水厂关阀时间/s水厂关阀时间/s1#水厂02#水厂3003#水厂6004#水厂9005#水厂12006#水厂15007#水厂18008#水厂21009#水厂240010#水厂270011#水厂3000

将上述边界条件输入计算模型，得出各个水厂的水锤包络线如图4所示。

如何预防切口脂肪液化、渗出，作者认为：（1）对于皮下脂肪层较厚的患者要提高警惕，注意有可能出现脂肪液化、渗出较多；（2）对于挛缩带比较严重、复杂的患者，手术时间比普通挛缩患者手术时间略长，要做好可能会出现脂肪液化渗出比一般人要多的心理准备，手术时尽量注意保护脂肪，减少脂肪组织的损伤；（3）要和患者积极沟通，对易出现渗出多的患者要嘱其多侧躺、多压刀口处，提高依从性，以减少刀口渗出，促进早日康复；（4）对术后2周刀口仍不愈合、渗出较多的患者，可再次入院，予以减少锻炼、加强换药、多侧躺、多侧压刀口以减少渗出，促进早日愈合；（5）极个别严重的患者，可进行清创、VSD吸引，促进愈合。

由图4可知，当采取适当的水锤防护措施后，如果发生11个水厂同时关阀，管线最高自由水头压力值(表6)，满足规范要求，且全管无负压，方案基本可行，满足规范要求。

  

图4　采取水锤防护措施后水库到水厂的水锤压力包络线

 

Fig.4　Water Hammer Pressure Envelope Diagram from Reservoir to Each Water Plant after Water Hammer Prevention Measures

 

表6　各水厂最高自由水头表(有防护)

 

Tab.6　Maximum Free Waterhead after Water Hammer Provention Measures

  

水厂水头/m水厂水头/m水厂水头/m1#1602#1803#1624#1815#1796#1807#1828#1819#18110#16311#193

(3)水锤分析

当重力输水管道中各个水厂的阀门关闭时，阀门处会产生较大的水锤压力。采用HAMMER V8模拟无优化和优化两种情况下各个水厂阀门压力的变化情况，如图5所示。由图5可知：①无论是管道末端同时快速关阀还是优化关阀过程的关阀方式，阀门处的压力均有升有降，基本是先升高后降低，压力波动反复发生，但升降幅度随着时间的增加而越来越小；优化关阀后在阀门处产生的最大压力均小于未优化的情况；②在未进行优化的情况下，各个水厂的阀门处均产生了负压，这与前文中压力包络线的结果一致；③未优化的关阀方式下产生的水锤压力升降幅度大，并且在整个6 000 s的计算历时内均产生波动。而在采用优化方式关阀时可以发现，在前3 000 s内水锤压力的升降波动情况并不大，呈现一个整体上升的趋势，这主要是因为，在前3 000 s内的整个管道系统中，总有阀门未完全关闭，导致整个管道系统中未产生较大的水锤压力升降。但是按照各水厂错开关阀的要求可以发现，在各个水厂各自阀门关闭时，还是在阀门处产生了较小的水锤压力波动。

  

图5　阀门处各个水厂压力变化图

 

Fig.5 　Various Water Pressure Change Diagram at the Valve of Each Water Plant

在3 000 s最后一个关阀的水厂完成关阀后，形成了整个关阀过程中最大的一个水锤压力的变化。因此，可以得出结论：①采用缓闭关阀方式与各个水厂错开时间关阀方式的结合可以减小水锤压力变化，减小对阀门以及管道的压力；②在所有阀门未完全关闭前不会产生较大的水锤压力变化，但是水锤压力会呈现不断升高的趋势，只有在最后一个阀门关闭时才会产生最大的水锤压力变化，水锤最大的压力变化推迟到了最后一个阀门关闭时，因此，也可以看出，如果总有一个阀门不关闭，这在管路系统中，均不会产生太大的水锤压力；③多支线多水厂关阀过程中水锤压力的变化是相互影响的，同时也具有统一性。

3　水锤防护措施及建议

(1)对于长距离大落差的重力流管道，管道末端控制阀不同的关阀时间和方式会对水锤防护有不一样的效果，以往通常采用缓闭关阀方法。

3.要倡导“唱对子”。通过互联网构建生生、师生交流的平台，学生可以借助这些平台，针对自己做题时遇到的困惑或是找出的易错点做课后研讨，避免课下教师面前排长队的问题，有效地提高了课下时间利用率。这样既可以帮助学生之间形成生生互动，又可以让教师了解学生的实际情况，开启师生互动。

(2)对于多支线重力压力输水管路，当管路无任何水锤防护措施情况下，同时关闭主干线及各支线末端水厂调流阀的数量越多，管路的最大压力和水锤正压越大。所有水厂发生事故同时关阀，沿线管路产生的压力最大。因此，当所有水厂必须关阀时，建议错开时间关阀。

(3)对于线路长、沿线起伏变化大的重力流输水管路，每间隔0.5～1 km安装一个具有进/排气功能的空气阀，可满足管路产生负压、首次充水及放空的进气和排气，在驼峰和向上凸起的拐点处适量增设空气阀，防止管路中产生水柱分离[3]。超压泄压阀通常安装在管路末端高程较低点或者管路中部某些压力较大处，其公称直径按管道直径的1/5～1/4选取，界限压力应等于或大于最大正常使用压力加0.15～0.2 MPa[4]。对于本文的输水工程，通过在管路中设置空气阀，在水锤压力较高处安装超压泄压阀，可以降低管路沿线最大压力，使主干线末端的水锤升压得到大幅度控制，避免水锤压力过高而发生异常事故，保证管路的安全运行。

参考文献

[1]赵小利，高双强，吴钊，等.长距离重力流压力输水工程水锤防护设计探讨[J].水利与建筑工程学报，2012,10(3):88-91.

[2]王超，陈文立，康学飞.长距离重力输水工程中水锤防护措施的对比研究[J].供水技术,2013,7(3):25-28.

[3]杨玉思，李树军，辛亚娟.长距离大管径重力流输配水管道水厂防护方法讨论[J].给水排水,2008,34(10):121-125.

[4]孙巍，张文胜.长距离重力流输水管道关阀水厂防护措施分析[J].给水排水,2014,40(7):102-104.