摘要：随着人们生活水平的不断提升，对供水系统运作稳定性的要求也越来越高，而管道中的水锤现象则是对供水系统稳定性产生直接影响的重要因素。本文主要结合广西百色某供水系统中输水管道的水锤现象进行研究，分析水锤产生的原因及类型，然后提出相应的控制策略。
 
　　关键词：输水管道；水锤；分析与控制
　　中图分类号：tv697.1 文献标识码：a 文章编号：1674-0432（2013）-04-0275-2
　　1 工程概况
　　广西百色市隆林县者保乡政府驻地供水工程采用二级加压方案，总扬程达693m，一级加压站工作扬程达到450m，二级加压站为243m，提水流量为20立方米/小时，提水管为镀锌钢管。由于该工程提水扬程高，提水钢管水锤水击影响严重，在施工过程中为减少水锤水击的影响，采取了设置必要的逆止阀和管路镇墩支墩等防护措施，对水锤水击进行了有效的控制。该工程运行至今，工程运行状况良好，未出现提水管路爆管、提水系统受损等现象。下文结合该工程实例对水锤现象进行分析，并提出相应的防护控制策略。
　　2 水锤分析
　　所谓水锤是指有压输水管道中水的流速突然发生变化，压力水流由于自身的惯性产生水流冲击波，这种冲击波的力量类似于锤子的敲打，因此称其为水锤。当水流冲击波的力度达到一定程度时，会对管道中的阀门及水泵产生破坏。水锤会产生水锤效应，为减少水流阻力，通常输水管道内部管壁十分光滑，一旦阀门突然关闭，水流会相对阀门、管壁产生压力作用，后续水流受到惯性作用压力会迅速增加，对输水系统产生破坏。水锤效应也可以称其为正水锤，而阀门突然打开也会产生具有一定破坏力的负水锤，不过与正水锤相比，前者的破坏性相对较小。
　　之所以会出现水锤现象，主要是由于液体具有可压缩性的特性，受到惯性作用后改变管内水体的流速，水体动量发生变化导致其作用力发生改变。上述输水工程中以下几种现象是水锤发生的常见因素：首先在水泵的启停阶段，机组的转速会迅速发生变化，或者机组出现运行失稳、动力故障时；其次是水泵或者管道系统内部进入空气导致泵内出现回流，线路分流或者激流等等。基于不同的划分角度，水锤可以分为以下几种：基于理论的角度，水锤可以分为钢性与弹性两种，基于关阀历时与水锤的相位关系，可以分为直接与间接两种；基于外部成因的角度，水锤可以分为启动水锤、关阀水锤以及停泵水锤三种；其他基于水锤波动的现象来划分，可以将水锤分为水柱连续与不连续的水锤等。
　　在输水系统中，水锤的危害很大，因为水锤可以产生几十倍于管道正常工作压强的瞬时压强，导致管道系统发生强烈振动，如果情况严重，还有可能对输水系统的相关部件产生破坏，引起水泵反转、降低管网压力等等。
　　3 水锤现象的控制策略
　　3.1 镇墩防护
　　镇墩通常为大体积素混凝土构件，其主要作用是依靠自身重力保持管道的稳定性，这种防护措施成本低，效果好，得到的应用也最为广泛。在进行镇墩设计时要注意几点，首先要进行合理的抗滑稳定计算，保证其在受到水锤压力作用时其抗滑安全系数大于工程设计安全系数；其次，镇墩的地基承载力要低于地基的运行承载力；在管道受力不对称的位置，或者转弯位置，不得出现镇墩扭转位移的问题；再次，如果镇墩设置于陡坡上，如果基岩面以下有诸如断层、裂缝等不利结构面，要满足基面稳定要求；最后，如果镇墩较高，建基面与管道合力作用点距离比较远，要注意进行抗倾覆验算。
　　3.2 逆止阀与旁通管联合防护法
　　采用逆止阀与旁通管联合防护的方法，要将旁通管管径控制停泵后的倒转转速确定下来，也可以将逆止阀、旁通管与蝶阀进行配套应用，即使将逆止阀关闭，由于设置有旁通管，所以倒流并未被完全切断，倒流稳定后，再用蝶阀把出水管道匀速关闭，此时倒流流量只有水泵额定流量的五分之一到三分之一，所以不会导致水管路出现大的压力波动。有些管路系统设置有水泵提升装置，从而导致水柱分离，此时需要把逆止阀和旁通管设置在水柱分离段的末端位置，此时逆止阀主要起到一个阻力作用，一旦出水管路发生倒流，管道中大量的动能被消耗掉，压力脉冲被进一步削弱，所以不易出现水柱分离的现象，水柱弥合升压的机率也降低了。
　　3.3 单向调压塔防护
　　在管道系统易产生负压的位置可以采用单向调压塔进行防护。该措施包括一个水塔、辅助支管以及相关阀件等结构，利用逆止阀把水塔与泵站主管道连接起来，出水管道的压力大小可以对逆止阀的启闭状态进行控制；起动水泵时逆止阀关闭，补水管向水塔补水直至达到正常水位，关闭补水管口的浮球阀后，水塔中水位保持不变；如果发生非常态停泵，出水管道压力小于调压塔正常水位以下，则逆止阀会处于开启状态，辅助支管会自动补水，即使管道内压力下降，也不会发生水柱分离的现象。不过在实际工程中应用单向调压塔需要注意：首先，只有管道位于塔内最高水位以下，调压塔才能起到有效的保护作用，否则高于塔内水位仍可能出现水柱分离的现象，此时要结合管道的实际情况采取增设调压塔的措施；此外，由于调压塔可以在补水后迅速充分，为下次动作做准备，所以要保证补水管的直径可以满足补水要求，并且要保证水塔顶端球阀动作的可靠性。
　　3.4 其他防护措施
　　除上述方法外，还可以采取一些其他的防护措施，具体如下：
　　（1）防爆膜防护：这种防护措施主要是在管道上连接一根支管，用塑性金属膜片将支管的端部密封好，一旦主管道中的压力上升至警戒水平，膜片受到压力作用会自动爆破，将一部分高压水泄掉，保持主管道内的压力均衡，起到防护水锤的效果，保证主管道的安全性。通常在一些流量小、扬程高的泵站，可以采用防爆膜防护作为其他防护措施的辅助方法。（2）惯性飞轮：惯性飞轮一般设置于水泵机组的主轴上，其主要作用是提高水泵机组转动部分的转动惯量，延长其正转时间，从而防止管路中水流的速度及水压发生急剧变化，对水锤压力猛烈波动的情况进行改善，采用增设惯性飞轮的方法可以在一定程度上削弱管道负压，防止出现水柱分离的现象。（3）缓闭止回阀：目前缓闭止回阀有两种，即重锤式及蓄能式，根据输水系统的实际需要，在一定范围内调整阀门的闭合时间。与普通的止回阀相比，缓闭止回阀体现出以下特点：首先，启动水泵后阀门打开的时间更短；其次，系统处于正常的运行状态下，阀瓣的开启角尽量加大，且要求其稳定在全开位置；最后，在水泵突然停止时，由于缓闭止回阀具备良好的关闭特性，因此不仅可以有效的阻止水倒流，防止水泵发生反转现象，保护水泵，而且可以在阀门关闭的最后阶段实现缓闭，此时管道中的水锤可以得到有效缓解，保护管道。（4）内置式水锤消除器：内置式水锤消除器与下开式水锤消除器的工作原理相同，其根据管道的压力变化对设备的工作状态进行控制，可以多次、有效的消除管道停机水锤对系统的破坏；消除器的控制动力采用储能压力油，因此管内水质不会对消除器的工作可靠性产生影响。（5）液控缓闭蝶阀：该装置最大的特点就是在断电时，其关闭过程是根据设定好的时间、角度分阶段关闭，可以有效降低管道中的压力波动，消除危害，并且可以有效控制水泵发生反转，提高了水泵及输水管道的安全性与可靠性。
　　4 结语
　　本文分析了水锤的形成原因，结合笔者的实践经验，有针对性地提出了切实可行的水锤防护措施，以为同类工程提供参考借鉴。
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　　作者简介：刘竞艳（1980-），女，汉族，本科，就职于百色市水利工程管理站，研究方向：农村饮水安全工程和高效节水灌溉。