长距离 PE材质重力流输水管道水锤特性分析

周福宁

身份证号： 320381199306020339

摘要：重力流有压输水工程中，管道阀门启闭会引起水锤现象 须进行水锤计算分析。PE材质的管道对压力则更为敏感，本文通过实际工程案例，利用hammer软件进行水锤计算分析，得出重力流输水工程在开阀及关阀过程中的水锤特性。

关键词:重力流;水锤;PE管道

1 工程概况

某项目为应急备用水源工程，设计供水规模10万m³/d，水厂自用水及管网漏损按5%，管道设计最大取水规模按10.5万m³/d，设计流量为1.215m³/s。全线主要采用PE材质地埋式管道输水，公称直径为1200mm，局部明敷管道采用钢管。PE管壁厚为57.2mm，钢管壁厚为12mm。

a）取水口特征水位

设计水位（P=97%） 53.50m

最低水位 45.74m

最高水位（水库校核洪水位） 77.01m

b）新建水厂前池水位

设计水位 11.62m

c）引用流量

设计流量 1.215 m³/s

注：高程系统为1985国家高程基准

2 输水模型

本工程主要向规划的水厂供水，供水管线由一条输水干线组成，为有压重力流。其中，输水干线全长42.505km，设计输水流量1.215 m³/s。为保证运行过程中供水目标的水量变化，实时调整管道输水流量，管道末端需设置一台调流阀。本工程输水系统计算示意图见图1。

图1 重力流输水系统简要布置

3 水锤计算过程

在本次计算中，拟定的计算工况如下：

a）各种阀门关闭时间下的关阀过渡过程计算：

根据以往的工程经验，长距离输水系统的阀门关闭规律往往采用一段直线关闭。关闭时间一般为5~10个水锤波周期。（水锤波周期T=2L/a，L为水锤发生点所在封闭管段的长度，单位为m；a为水锤波在管道中的传播速度）

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本工程中大部分管线的管材为PE材料，其弹性模量远小于钢管，则此管段中的水锤波速也明显小于1025m/s（钢管段的水锤波速）。所以在本次水锤模拟计算中，将适当缩短关阀时间，拟分别取关阀时间180s、240s、360s进行计算。

b）各种阀门开启时间下的开阀过渡过程计算：

与关阀过程相似，采用一段直线式阀门开启规律。拟分别取开阀时间180s、240s、360s进行计算。

一般而言，输水系统沿线最大水锤压力上升率以不超过1.3倍最大静水压力控制，即上游水库水位77.01m时，水厂调流阀前的最大控制压力值为85.00 mH₂O；最小压力一般应保证管道中负压不超过-1.96133×10³Pa，即管线中的负压不应小于-2mH₂O。

对于本工程而言，输水系统由钢管和PE管组成，考虑到长距离输水系统的经济性，选用公称压力为0.8MPa的PE管，根据相关规范的要求，公称压力应为最大使用压力加0.2~0.4MPa安全余量。输水管道的最大使用压力经过水锤计算确定。故最终确定的控制压力如下：

（1）最大压力工况关阀计算

水库水位取供水工程的最高水位（校核洪水位）：77.01m，采用一段直线关闭规律，分别取关阀时间180s、240s、360s进行计算，结果见下表：

采用不同直线关闭规律时管道最大压力计算结果

（2）最小压力工况开阀计算

水库水位取供水工程的最低水位（死水位）：45.74m，采用一段直线开启规律，分别取开阀时间180s、240s、360s进行计算，结果见下表：

采用不同直线关闭规律时管道最大压力计算结果

5 计算结果分析

根据《城镇供水长距离工程技术规程》（CECS 193）要求，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。本工程上游水库最高水位为77.01m，水厂进水池水位为11.62m，最大控制压力为85.00 mH₂O，但本工程拟采用公称压力为0.8MPa的PE管，根据规范要求，须预留0.2~0.4MPa压力的安全余量，故应将输水系统最大压力控制在60 mH₂O以下。考虑到输水系统的经济性，将大于60mH₂O的局部管段替换为公称压力1.0MPa的PE管或钢管。

对已设置的防护措施下不同阀门关闭规律的水锤计算进行分析后可得，现有的防护设备可满足系统最大输水压力的控制要求，阀门的关闭（开启）规律为：360s一段直线关闭（开启）。

6 结论

输水系统主体为PE管，公称压力为0.8MPa。相关规范要求的控制水锤压力一般为1.3~1.5倍的最大工作压力，对本工程而言为85~96 mH₂O。故管线的压力实际上是低于常规输水系统的控制压力的。本次计算围绕此种特殊条件进行防护，已对最大、最小压力工况进行计算及复核。在今后的通水试验或其他试验时，应保持观察、观测，如有需要，可根据实际情况适当延长阀门的开启、关闭时间。