长距离压力管道的水锤防护

字键全站仪， 无论是测角还是测距， 都能做到 快速精确。测角精度± ２ ″。测距精度在有 棱镜时是±（ ２ ｍ ｍ ＋ ２ Ｐ Ｐ Ｍ ·Ｄ ） ， 在无棱镜时 达到±（ ３ ｍ ｍ ＋ ２ Ｐ Ｐ Ｍ ·Ｄ ） ， 有棱镜时， 单棱 镜的测程可达 ３０００Ｍ。测量时间：时间短，精 测时间 １．２ 秒（首次 ３ 秒），粗测模式 ０．５ 秒（首 次 ２．５ 秒），跟踪模式 ０．３ 秒（首次 ２．５ 秒）。工 作时间长：连续测角、测距可达 ４ｈ，环境适应 好： 防水、防尘等级为 Ｉ Ｐ ６ ６ 、可在－ ２ ０ ℃ 到 ５０℃温度下工作，堪称全天候脉冲全站仪。
随着科技的不断发展，测绘仪器的性能也 在不断升级， 特别是全站仪方面更是突飞猛 进，从最初的人工记录到后来的大容量自动存 点， 可编程操作界面， 而现在则实现了超长距 离 １２００ｍ 免棱镜测距。下面结合我单位工作 实践中使用的 ＧＰＴ－３００２ＬＮ 型全站仪为例谈 几点认识。
１ ＧＰＴ — ３００２ＬＮ 全站仪的基本性能 Ｇ Ｐ Ｔ — ３００２ＬＮ 全站仪是一款全中文数
除了具有以上一些基本功能，该全站仪内 部还自带有一组测量程序：（１）悬高测量；（２）面 积计算；（３）反算测站高程；（４）对边测量；（５）平
面偏心测量； （ ６ ） 点到线段的定位。
２ 超长距免棱镜测距技术，提高工作效率， 改善工作条件
Ｇ Ｐ Ｔ — ３００２ＬＮ 全站仪全面采用了免棱 镜测距技术。这种技术的基本思路是利用被 测物体（包括地面）本身的反射能力（一般是漫 反射），将仪器发射的脉冲激光反射回仪器，通 过精密时钟以及一系列滤波纠正得到被测目 标与仪器中心的距离。（ 一般需要跑镜人在需 要测量的物体上放置反射棱镜，通过镜面反射 测距）；根据该仪器性能测试，其免棱镜测距可 达 １ ２ ０ ０ ｍ ， 这在目前其它仪器上是没有的。 在实际测量中，试测过 ８３０ｍ，相对误差在 １／ ２０００ 以内。
做好支站工作， 建立支导线。第三， 在测量河 道中， 对河两边的河岸， 水涯线测量就不需要 人工去立尺（镜）， 有利于提高测量速度。
免棱镜全站仪大大提高野外测量的工作 效率， 改善野外测量人员的工作条件， 必将有 着广泛的应用前景。
参考文献 ［１］ 潘正风，杨正尧等．数字测图原理与方法［Ｍ］．
湖北：武汉大学出版社，２００４，８． ［２］ ＧＰＴ — ３００２ＬＮ 全站仪使用指南．
摘 要： 在野外测量中， 最辛苦的工作是野外跑尺（ 镜） ， 免棱镜测距技术克服了这一困难， 提高了野外测量的工作效率并改善了工作条件，
有着广泛应用前景。以 Ｇ Ｐ Ｔ — ３ ０ ０ ２ Ｌ Ｎ 全站仪为例具体阐述。
关键词： 全站仪 测量 免棱镜
中图分类号： Ｔ（２００７）１２（ａ）－０１９９－０１
由于具有免棱镜的功能，大大地拓展了它 的应用范围：首先，在地籍测量中，对于不易走 到跟前的建筑物可以轻松测得数据，在地形测 量中， 对陡坎、悬崖等地形点， 人不用上去就 可准确测出， 节省了人力， 提高了效率， 其次， 在矿山监测中， 有些矿洞根本不利于人行走， 利用可见激光指示作用，就可以对测站周围的 每一个拐点测出坐标，唯一需要立棱镜的只是
水锤现象的延续时间虽然短暂，但它会造 成严重的工程事故，因此必须对停泵水锤采取 必要的防护措施，并结合泵站的具体情况加以 确定。
２ 泵站水锤的防护措施 ２．１ 防止降压的水锤防护措施
（１）单向调压塔 单向调压塔是为了防止管路内水柱中断 而设置的补水装置，因此它应设置在易于产生 水柱中断的拐点处。当管道中产生局部负压 或水柱中断时，单向调压塔的逆止阀被水体推 开， 向负压和水柱中断处补压， 从而达到防止 管道中降压过大或水柱中断，也就避免了中断 后的水柱重新弥合时产生的较大压力上升。 但是这种单向塔只对管路中低于水塔水位的 局部有效， 所以当供水管道较长， 可能几处产 生水柱中断时， 应同时设置几个单向调压塔， 工程造价将提高，所以这时就有必要与其它防 护措施进行经济比较决定。此外单向调压塔 采用的单向阀的性能要绝对可靠，一旦该阀门 失灵， 可能导致发生较大的水锤。 （２）补气阀 补气阀是为防止管路由于产生负压和水 柱分离在管路上安装的一种特殊阀门。当管 路中产生负压，需要补气时，补气阀自动打开， 吸入大量空气，从而防止了由负压引起的管路
损坏。它与调压室相比， 具有结构简单， 造价 低、安装方便、不受地形条件限制等优点， 因而在供水工程上广泛应用。 ２．２ 防止升压的水锤防护措施
（１）取消逆止阀 若取消逆止阀， 当事故停泵时， 由于管路 中的水流可以经过水泵倒流泄水，从而大大地 降低其水锤增压值。这种措施不需装任何其 它的水锤防护设备。但要根据水力过渡过程 分析计算， 判断是否可采用这种办法。 （２）安装安全膜片 在出水管路支管一端安装安全膜片，将支 管口封闭， 当管路压力超过允许的极限压力 时， 膜片破坏使压力降低。这种措施只能当 作后备措施， 当主要措施失灵时采用。 （３）停泵水锤消除器 水锤消除器是一个具有一定泄水能力的 安全阀， 它装在逆止阀的出水侧， 离逆止阀越 近越好， 当突然发生停泵时， 管路起端产生降 压，水锤消除器阀门打开，当高压波到来时，高 压水经水锤消除器排水管流出，从而达到减弱 增压， 保护管路的目的。停泵水锤消除器构 造复杂， 须维护， 适用于大、中型泵站。 （４）旁通管 设置了旁通管， 当突然发生停泵事故时， 管路起端首先产生降压， 旁通管阀门打开， 当 高压波来到时， 高压水经旁通管流至吸水池， 从而起到泄水降压的作用， 并可防止水泵倒 转。该措施使用于大、中型泵站。 ２．３ 既可防止升压又可防降压的水锤防护措施 （１）双向调压塔 双向调压塔应修建在泵站附近或管道的 适当位置，其水面的高度应高于输水管道终点 接收水池的水面高度并考虑沿管道的水头损 失。调压塔将随着管路中的压力变化向管道 补水或泄掉管路中的过高压力，从而有效地避 免或降低水锤压力。这种方式工作安全可靠， 但其应用受到泵站压力和周边地形的限制。 （２）空气室 在紧接逆止阀出水侧的管路上，安装一钢 制密闭圆筒，上部为压缩空气、下部存水和管 路压力水流相通。当管道中压力降低时，上部 压缩空气把室中存水压入管路中，从而防止了 水柱分离， 可有效消减断流弥合水锤压力； 当 管路中增压时， 水又进入室中将空气压缩， 减 缓了对逆止阀辫的冲击，因而使升压降低。这 种设备适用于高扬程、小流量的泵站。 ２．４ 规划设计泵站时对水锤的防护 （１）降低输水管线的流速，选用纵向弹性模 数小的管材， 可在一定程度上降低水锤压力，
３ 有压管道瞬变流（水锤）的分析方法 所有水锤的分析方法不外乎是从运动方
程、连续性方程或能量方程， 加上状态方程 和其它物理特性关系式着手。以这些基本方 程为基础， 加上不同的限制性假设， 可得到不 同的方法。本文简要介绍下面几种分析方法 ［３］。
（１）算术法 这种方法忽略了摩阻项，得到水击的基本 方程：
但降低流速就必须增大输水管管径，就增加了 工程造价，这时就要和其他防护措施进行经济 比较定流量设计。
（２）管路设计时，应尽量平直，避免急转弯 凸部等，以防止在管线中出现真空和水柱分离 现象。
（３）通过模拟计算，选取转动惯量 ＧＤ２ 较 大的水泵机组或增装有足够惯性的飞轮，可在 一定程度上降低水锤值。
这个式子表示了速度变化 和水头变化 与波速 、重力加速度 之间的关系。对 向上游运动的波， 式中取负号， 对向下游运动 的波， 式中取正号。 若已知一段管子两端的边界条件，多次应 用这一方程， 瞬变解可以建立并计算出来。 算术法的优点在于形象、直观，可以直接 写出瞬变过程解的表达式， 缺点是误差大。 （２）分析法 这种方法将摩阻项线性化。略去运动方 程中其它非线性项， 微分方程取简化形式， 通 过求解得到解析解。优点是概念清楚，且求解 省时， 缺点是线性化带来了较大的误差。 （３）图解法 图解法是由 Ｓｃｈｎｙｄｅｒ－Ｂｅｒｇｅｒｏｎ 提出 的。在理论推导中， 同样忽略了摩阻项， 但是 在进行图解过程中进行了一定的修正。图解 法是所有方法中最直接的方法，通过因变量 Ｈ － Ｖ 平面上作图，用特征线法把某一位置、某 一时刻的 Ｈ 和 Ｖ 联系起来。从图中可以得到 管内瞬变的大量细节。 图解法能够解决大量的复杂问题，如分叉 管、串连管和泵的动力事故。方法的复杂程度 和系统的复杂性相对应。因此， 图解法很费 时，对复杂管网中许多可以用数学方法进行模 拟的边界条件， 常常引进简化假设。 （４）有限单元法 有限单元法已经广泛地使用在许多流动
态）过程，它是流体的一种非恒定流动，即液体 运动中所有空间点处的一切运动要素（ 流速、 加速度等）不仅随空间位置而变，而且随时间而 变［ １ ］ 。
按照水锤成因的外部条件，泵站水锤一般可 分为启动水锤、关阀水锤和停泵水锤三种［ ２ ］ 。 启动水锤一般发生于空管条件下启动水泵机 组， 由于水泵启动过程中扬程、转速、流量 等都随时变化， 会引起管道中流速的急剧变 化， 从而产生水锤。特别是当管道中的空气 不能及时排出时， 管道中压力会发生剧烈变 化。关阀水锤是由于关闭阀门所引起的水锤 现象。通常按正常操作程序关闭闸阀是不会 引起很大的水锤压力变化的，但是如果违反操 作程序或管道突然被堵塞等，管道中将发生不 同程度的水锤。停泵水锤是指正常运行的水 泵机组突然失去动力所引起的水锤现象。水 泵机组失去动力的原因有很多种，如运行人员 误操作、电网突然事故停电以及自然灾害 等。泵站不同， 水锤成因不同， 水锤的危害程 度也将不同。
问题中，但是它在解决液体管道的瞬变流问题 上却有一定的局限性。即便如此，这种方法仍 有很大的应用前景，因为对于处理具有不同特 性的变尺寸管元件， 它具有很大的灵活性。
（５）特征线法 特征线法把两个偏微分方程（ 运动方程、 连续性方程）进行线性组合，然后联立解得到四 个全微分方程，即两组特征方程。虽然它们已 经是常微分方程，但由于摩阻项中流速 Ｖ 与 ｔ 时间（或距离 ｘ）的关系不能建立，无法积分出 解析式，故只能用数值方法计算。在当今计算 机时代，用有限差分法求积分的数值是克服积 分难题的一个有效手段，特征方程的求解也采 用这种手段，即将这些方程表示成有限差分的 形式，用各管段统一时间步长的矩形网格计算 法， 通过计算机求解。 特征线法的优点［４］：（ａ）可以建立微分方程 求解的稳定性准则；（ｂ）边界条件很容易编成程 序；（ｃ）可以处理非常复杂的系统；（ｄ）在所有有 限差分法中具有最好的精度；（ｅ）容易编程；（ｆ） 可以给出全部表格化的结果。