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淺析長距離高揚(yáng)程輸水管道過渡過程分析與防護(hù)

文檔作者：呂英杰文檔來源：太原市建筑設(shè)計(jì)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月30日
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2014 年 6月 建 材 與 裝 飾
淺析長距離高揚(yáng)程輸水管道過渡過程分析與防護(hù)
呂英杰
（太原市建筑設(shè)計(jì)研究院山西省太原市030002）
摘要：隨著南水北調(diào)工程的不斷建設(shè)發(fā)展，我國水利工程進(jìn)入了高速發(fā)展的時代，長距離高揚(yáng)程輸水工程也得到了
廣泛使用，由于我國國土廣袤，其地理環(huán)境多樣，許多地區(qū)長距離輸水管道落差大，致使輸水過程中易發(fā)生水流瞬間變流
現(xiàn)象，導(dǎo)致水錘事故發(fā)生。因此，水利工程部門應(yīng)積極對長距離高揚(yáng)程輸水管道過程進(jìn)行分析，結(jié)合輸水管道的輸水特征，
提出有效的防護(hù)措施，從而減少水錘事故的發(fā)生。
關(guān)鍵詞：水利工程；水錘防護(hù)；長距離高揚(yáng)程輸水管道
中圖分類號：TK284.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1673-0038（2014）23-0067-02
引言
水資源與人類生活有著密不可分的關(guān)系，隨著我國農(nóng)林業(yè)經(jīng)
濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對水的需求越來越大，在一定程度上促進(jìn)了
我國水利工程的發(fā)展建設(shè)。為了滿足人們生活及經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，
我國開始大規(guī)模興建長距離高揚(yáng)程輸水系統(tǒng)。這些輸水系統(tǒng)的
興建為人們的生活帶來了極大的便利，同時，也加大了事故發(fā)生
的可能性，特別是長距離高揚(yáng)程輸水管道極易出現(xiàn)瞬流現(xiàn)象，引
發(fā)水錘事故。因此在進(jìn)行長距離高揚(yáng)程輸水管道建設(shè)時，應(yīng)充分
了解其工作原理和輸水特征，從而有效避免水錘事故的發(fā)生。
1 長距離高揚(yáng)程輸水過程中水錘現(xiàn)象分析
1.1 長距離高揚(yáng)程輸水管道中水錘事故的主要成因及
分類
就目前我國水利工程整體來看，我國水利資源運(yùn)輸主要采用
管道運(yùn)輸?shù)姆绞?。水在管道中受壓力和水流速度的影響，造成?
流在管道中出現(xiàn)撞擊，引發(fā)一系列壓力，從而導(dǎo)致水錘現(xiàn)象的出
現(xiàn)。水錘現(xiàn)象是一種非恒定流動現(xiàn)象，隨著時間和空間的變化而
變化。水錘的種類有很多，其中主要包括直接水錘和間接水錘。
水錘現(xiàn)象的成因不同，其種類也同。按照水錘成因，也可分為啟
動水錘、停泵水錘、氣動水錘以及關(guān)閥水錘等。
1.2 水錘現(xiàn)象對水利工程的危害分析
我國國土資源廣袤，地理環(huán)境多樣，一些地區(qū)地形落差大，如
西南地區(qū)以及西北地區(qū)，水錘事故發(fā)生頻繁，在長距離高揚(yáng)程輸
水過渡過程中，常出現(xiàn)輸水管爆裂現(xiàn)象，引發(fā)大量漏水，導(dǎo)致房
屋莊稼淹沒，甚至致使人員傷亡，影響人類日常生活，給人類帶
來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
2 長距離高揚(yáng)程輸水管道水力過渡過程計(jì)算分析
2.1 長距離高揚(yáng)程輸水管道水力過渡計(jì)算原則和計(jì)算
假定
在進(jìn)行長距離高揚(yáng)程輸水管道水力過渡計(jì)算時，必須遵循其
工程施工及水力過渡計(jì)算原則進(jìn)行計(jì)算，從而確保計(jì)算的精確
性。水力過渡計(jì)算原則主要包括以下幾點(diǎn)：淤在進(jìn)行計(jì)算時必須
結(jié)合施工工程的水擊壓力、水利工程中機(jī)組的轉(zhuǎn)速以及調(diào)壓室
涌力進(jìn)行計(jì)算。于在進(jìn)行復(fù)雜管路系統(tǒng)計(jì)算時，應(yīng)嚴(yán)格按照其計(jì)
算原則進(jìn)行計(jì)算，不能偷工減料，簡化計(jì)算方式。盂在水利過渡
計(jì)算時，水流一般是按照一維流動進(jìn)行考慮計(jì)算。榆在輸水管道
充滿水的情況下，一般不考慮空氣的影響，輸水管道中的水流及
管道壁均默認(rèn)為彈性體。
2.2 長距離高揚(yáng)程輸水管道水錘計(jì)算基本公式分析
在長距離高揚(yáng)程輸水管道過渡過程中，水錘公式主要是對水
力過渡過程中不穩(wěn)定的水流流速以及水頭變化進(jìn)行反應(yīng)。水錘
公式一般分為兩種，即運(yùn)動方程式、連續(xù)方程式。其方程式主要
表現(xiàn)如下：
（1）連續(xù)方程式：墜墜Ht +V 墜墜Hx +a2
g 墜墜Vx =0
（2）運(yùn)動方式式：g 墜墜Hx +V 墜墜Vx + 墜墜Vt + f V2DV =0
在以上方程式中，H 表示測壓管水頭；d、f則表示輸水管道直
徑以及輸水管道的摩組系數(shù)；V表示表示輸水管道中，水流的流
速；t、x 則分別表示水錘波傳播的時間及傳播距離；a 表示水錘波
的速度。根據(jù)以上公式可精確計(jì)算出長距離高揚(yáng)程輸水管道過
渡過程中一些非恒定流動的規(guī)律，有效防范水錘事故的發(fā)生。
2.3 長距離高揚(yáng)程輸水管道過渡過程中特征線公式計(jì)
算分析
長距離高揚(yáng)程輸水管道過渡過程中特征線公式一般是根據(jù)
水錘公式得出。因此，根據(jù)水錘運(yùn)動方程式及水錘連續(xù)方程式可
得到以下公式：
C+：
dV dt +ga
ddHt + 2fD V V =0
ddxt =a
扇
墑
設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)
繕設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)
C-：
dV dt -ga
ddHt + 2fD V V =0
ddxt =-a
扇
墑
設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)
繕設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)
2.4 長距離高揚(yáng)程輸水管道過渡過程中邊界條件分析
在進(jìn)行長距離高揚(yáng)程輸水管道過渡過程中邊界條件分析計(jì)
算時：淤要先對輸水管道過渡過程進(jìn)行假設(shè)分析。于在進(jìn)行輸水
過渡過程中，全面對泵站水頭損失、水頭流量，水頭壓力進(jìn)行分
析考慮。盂對輸水管道過渡時產(chǎn)生的空氣體積進(jìn)行假設(shè)，計(jì)算出
水流的臨界速度。其臨界速度公式如下：
m=-CoutAout 0.686P0
姨RT
（P>1.89P0）
施工技術(shù)
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建 材 與 裝 飾 2014年 6月
式中：m 主要表示輸水管道過渡工程中流入的空氣的質(zhì)量與
流量；Cout則表示閥的流量系數(shù)；Aout表示閥的開啟面積。
最后，根據(jù)水流臨界速度公式進(jìn)行推理分析可得到空氣罐邊
界方程。即：
pVk =C
Hp =（P酌 -H）+HS +滓QS QS
2g棕2
AS dHS dt =- ddVt =QS
Qp1=QS+Qp2
式中：P 表示氣體的絕對壓力；V 表示氣囊體積；k 表示氣體
多變的指數(shù)；C 表示氣體初始狀態(tài)常數(shù)；Hp 表示測壓管水頭；H
表示大氣壓強(qiáng)；HS表示輸水管內(nèi)水位；棕、QS、Qp1、Qp2則分別表示
節(jié)流孔截面面積、節(jié)流孔流量、空氣罐上游側(cè)管流量及下游側(cè)管
流量。
3 長距離高揚(yáng)程輸水中水錘事故主要防護(hù)措施
分析
3.1 長距離高揚(yáng)程輸水管道路上閥門的選用分析
在長距離高揚(yáng)程輸水過渡過程時，在輸水管道中安裝閥門能
有效降低水錘事故發(fā)生率。長距離高揚(yáng)程輸水管道路上閥門的
種類有很多，如流道硬密封半球閥、軟密封閘閥、水錘泄放閥、卷
簾式復(fù)合排氣閥、彌合性水錘預(yù)防閥等。流道硬密封半球閥主要
通過曲軸旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)閥門的關(guān)閉，從而起到截?cái)嗨鞯淖饔?。?
密封閘閥主要通過啟閉件進(jìn)行閥門的開關(guān)。水錘泄放閥主要通
過閥門的啟閉件來進(jìn)行水流流量的調(diào)節(jié)，從而起到降低水流壓
力的作用。卷簾式復(fù)合排氣閥一般用于輸水管路上的最高點(diǎn)或
者是有閉氣的地方，主要通過輸水管道中的氣體進(jìn)行輸水管道
的疏通作用。從而確保輸水管道正常工作。這些閥門優(yōu)點(diǎn)各異，
設(shè)計(jì)、安裝人員應(yīng)充分結(jié)合現(xiàn)場情況進(jìn)行選擇。從而有效避免水
錘事故的發(fā)生。
3.2 長距離高揚(yáng)程輸水管道水泵出口緩閉止回閥安裝
防護(hù)工作分析
在長距離高揚(yáng)程輸水管道過渡中，常出現(xiàn)局部斷流情況，導(dǎo)
致水流回沖。由于其回沖速度大，易導(dǎo)致輸水管爆裂，引發(fā)水錘
事故。因此，水利工程部門進(jìn)行精確的水錘工作參數(shù)計(jì)算。然后
根據(jù)水錘工作參數(shù)，在水泵出口處安裝緩閉止回閥，通過緩閉止
回閥進(jìn)行水錘防護(hù)工作。從而確保長距離高揚(yáng)程輸水管道運(yùn)輸
安全。
3.3 長距離高揚(yáng)程輸水管道重要位置雙向調(diào)壓塔安裝
防護(hù)工作分析
雙向調(diào)壓塔其本身具有注水和泄水緩沖的特點(diǎn)，在長距離高
揚(yáng)程輸水管道重要位置安裝雙向調(diào)壓塔，可有效進(jìn)行壓力輸水
管中的負(fù)壓調(diào)節(jié)。當(dāng)輸水管道中的壓力低于標(biāo)準(zhǔn)時，調(diào)壓塔可快
速執(zhí)行補(bǔ)水工作。當(dāng)輸水管道中的壓力高于標(biāo)準(zhǔn)時，管道水流則
流入調(diào)壓塔內(nèi)。從而確保輸水干管進(jìn)行安全輸水。就目前我國長
距離高揚(yáng)程輸水管道防護(hù)來說，雙向調(diào)壓塔還未得到普及，盡管
雙向調(diào)壓塔工作結(jié)構(gòu)簡單、安全性高、后期維護(hù)少，但防護(hù)造價
極高，加之，我國地理環(huán)境多樣，地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在一定程度上限
制了雙向調(diào)壓塔高度，阻礙了雙向調(diào)壓塔在我國水利中的發(fā)展
使用。
3.4 長距離高揚(yáng)程輸水管道重要位置箱式雙向調(diào)壓塔
安裝防護(hù)工作分析
箱式雙向調(diào)壓塔是在雙向調(diào)壓塔基礎(chǔ)上改革創(chuàng)新所得到的
一種新的防護(hù)措施，箱式雙向調(diào)壓塔不但繼承了雙向調(diào)壓塔的
優(yōu)點(diǎn)，還改革了雙向調(diào)壓塔缺點(diǎn)，如超壓閥的滯動作與拒動作都
得到了很好的改善，使其更好的進(jìn)行防護(hù)工作。另外，雙向調(diào)壓
塔還降低了防護(hù)造價，節(jié)省了防護(hù)成本。從而促進(jìn)了箱式調(diào)壓塔
在長距離高揚(yáng)程輸水工程中的應(yīng)用與推廣。
3.5 加強(qiáng)進(jìn)排氣閥以及超壓泄氣閥安裝防護(hù)工作
由于我國長距離高揚(yáng)程輸水工程，施工較為復(fù)雜，對后期的
防護(hù)要求較高，因此，在防護(hù)工作中所使用的排氣閥必須具有恒
速緩沖功能，使輸水管道中的氣體能得到及時排放。同時又能使
管道中的氣體起到一定的氣墊作用。從而確保輸水安全，減少水
錘事故的發(fā)生。
4 結(jié)束語
隨著水利工程的不斷發(fā)展，其安全性能越來越受到人們的關(guān)
注，因此水利工程部門應(yīng)不斷提高自身安全意識，培養(yǎng)施工人員
專業(yè)施工技術(shù)，積極吸取先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行水利工程改造，從而提高
水利工程質(zhì)量，本文通過對長距離高揚(yáng)程輸水管道水利過程進(jìn)
行計(jì)算，總結(jié)水錘事故防護(hù)措施。從而有效保證輸水工程的安全
性，減少水錘事故的發(fā)生概率，促進(jìn)我國水利工程的良性發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1]朱小雙.長距離大高差多級消能重力流輸水系統(tǒng)水錘防護(hù)研究[D].長安
大學(xué)，2013.
[2]王博.水力過渡計(jì)算數(shù)學(xué)模型及其水錘計(jì)算精度問題分析[D].長安大
學(xué)，2013.
[3]劉婧.高揚(yáng)程長距離壓力管路停泵水錘技術(shù)的數(shù)值模擬研究[D].太原
理工大學(xué)，2010.
[4]單興興.山西省禹門口東擴(kuò)提水工程流量平衡及運(yùn)行分析研究[D].太原
理工大學(xué)，2011.
[5]孫曉.長距離有壓重力輸水管道過渡過程及管網(wǎng)優(yōu)化研究[D].鄭州大
學(xué)，2011.
收稿日期：2014-5-24
作者簡介：呂英杰（1985-），男，助理工程師，大專，主要從事給排
水設(shè)計(jì)工作。
施工技術(shù)
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