多处水柱分离与断流弥合水锤综合防护问题及设计实例(上)

[ 摘要 ]

远距离输水工程中易发生多处水柱分离并造成断流弥合水锤危害，在这种泵站管路设计中，应作全面的水锤电算分析并提出综合防护措施。总结多年来的研究成果，论述了多处水柱分离与断流弥合水锤综合防护设计中的几个基本问题，着重阐述了多点固定完全断流型空腔数*.理模型的建立与运用，单向注水与注空气(缓冲)问题，多处单向注水电算源程序的编制，并详细地给出Z市远距离输水工程水锤与综合防护的设计实例。

[ 正文 ]

0 前言我国丘陵地区较多，该区域远距离压力输水工程中管线长、流量大，管中流速一般较大，主干管线沿途起伏点多，多处小丘顶点标高有时比管线末端出口水面标高还高。另外，近几年来，由于潜水泵、立式水泵机组的采用和电动机改进、改型，其转动惯量显著减小，因此，当发生水力过渡过程（如停泵水锤）时，在整个泵站管路系统中水压普遍剧降，不仅出现真空，而且导致多处发生"水柱分离"现象，随后可能产生具有破坏性的"断流空腔再弥合水锤"，国内外教训惨痛。

"水柱分离"与"断流空腔再弥合水锤"的含义及联系是：在水力过渡（水锤）过程中，当管路中某处的压强降到当时水温的汽化压以下时，液态水将发生汽化，管流中水流的连续性遭到破坏，造成水柱分离（Water Column Separation）并在该处形成水蒸汽空腔，它将连续的水柱截成两段。当分离开的两水柱再重新弥合即空腔溃灭时，由于两股水柱间的剧烈碰撞会产生具有直接水锤特征的压力很高的"断流空腔再弥合水锤"，以下简称"断流弥合水锤"。在管线长、地形起伏变化大以及相关技术因素的影响下，在一条管线上也可能同时发生多处（点）水柱分离现象。如果水柱分离发生在紧靠水泵出口处，其断流弥合水锤危害更大--水淹泵房。由于断流弥合水锤在机理上与传统的关阀水锤和停泵水锤有所区别，所以设置于泵站处的大多数停泵水锤防护设备（如水锤消除器、缓闭止回阀和阀门控制等）均收效甚微，甚至无效。

经笔者长期研究，水柱分离与断流弥合水锤的危害程度，主要与系统的稳态初速V0、管流的停断速率、管线总长度与布线形式等有关。一般说来，断流空腔长度越长，则两股水柱相撞时引起的水锤升压亦高；水柱分离点下游侧所受背压越大，弥合水锤升压亦高。反之，如果水柱分离点下游侧所受背压很小或为负值，则两水柱将不再弥合，即断流弥合水锤不会发生。

发达国家对泵站管路水锤（特别是水柱分离与断流弥合水锤）的防护问题十分重视，在工程设计的各阶段中必须有相应深度的水锤危害预测及水锤防护设计的部分。国际水力研究协会（IAHR）为推动、交流总结"伴有水柱分离的水力过渡过程"方面的研究，于1971 年专门成立了工作组，并于1978年转为IAHR下设的办事组。该组工作很有成效，于2000 年四月发表了该领域的长达780页的综合报告书。国际金融机构（如世界银行和亚洲银行等）在评估受贷款的输水工程项目的整个过程中，要求必须提交水锤分析、危害

预测以及水锤防护等方面的设计研究报告书，否则不予评估。在该报告书中必须有：（1）用特征线法对整个水锤过程进行计算机动态模拟；（2）电算源程序和计算机的打印成果；（3）在各丘陵顶端（Numerous Hill summits）产生水柱分离可能性的分析与结论；（4）如发生水柱分离，应详细描述其发生、扩展、溃灭过程以及防护设计等。

近年来，笔者们承担了国内数项伴有多处水柱分离与断流弥合水锤的泵管路系统水锤分析与防护的设计研究工作，我们愿将这些点滴体会公开发表，供同行和专家们探讨、指正，并给出Z市远距离输水工程水锤分析与防护的设计要点与主要成果，供参用。

1 多处水柱分离与断流弥合水锤综合防护设计基本问题

1.1 水锤综合防护设计的指导思想

1.1.1 水锤综合防护设计的主要内容

事故停泵水锤综合防护的主要内容应包括以下几个方面：一、防止最大水锤压力对压力管道及管道附件的破坏；二、防止压力管道内水柱断裂（分裂）或出现不允许的负压；三、防止机组逆转造成水泵和电动机的破坏；四、防止流道内压力波动对水泵机组的破坏[1]。本文主要针对第二方面问题讨论，即进行以减轻降压、消除真空和断流弥合水锤危害为重点的综合实用的水锤防护工作。但主要研究的目标是建立在对设计对象--输水干线水锤全过程以及主要危害（极限危害条件The Most Critical Condition for Analysis）形成机理的透彻而准确了解基础之上的。为此，深刻理解各种水锤（特别是断流弥合水锤）危害的作用机理至关重要。

1.1.2 以预防为主，采用有重点的综合防护

断流弥合水锤防护工作是一项复杂的系统工程，它的各组成部分间应能协调地工作；综合采用各种防护措施的优点，水锤防护装置与设备有效地分布于整个输水系统中：

（1）采用转动惯量大的水泵机组；在水泵压出口处进行阀门控制--以控制水泵出口处的压力振荡、水的倒流及水泵倒转；

（2）在沿管线的重要高点和折点等处设置多座单向调压塔进行注水，以消除真空和水柱分离现象；

（3）在输水干线末端设置可控的末端阀（Terminal Valve），当发生停泵水锤时，它的最佳关闭（过程）能使管线中的水压降落得到明显缓和。

1.2 两种水柱分离现象--两种空腔的概念在泵站管路系统水力过渡过程中，实际上可能发生两种水柱分离现象：一种是传统所说的"当管路中某处压强降到汽化压强以下时因液态水汽化而造成的"水柱分离，本文特定名为"水柱分离（汽）"或水柱分离（V）,它的产生是以管路非常密封为前提的；另一种是因管中出现真空，经各种空气阀（如注气阀、真空破坏阀、进排气阀等）吸入空气后而造成的水柱分离，本文特定名为"水柱分离（空）"或水柱分离（A）,它的产生是以管线上相应点处装有一定断面积（口径）的吸气口（进气口）为前提的。笔者在试验研究中发现：注气阀口径越大，空气腔内真空值越小，反之亦然；如果进气口径足够大，则空气腔内真空值HS≈0，即保持为一个大气压。在实际的生产管线中由于正常运行及维修管理等各种非防水锤的原因必须装设各种空气阀（如空气释放阀、空气/真空阀，复合式空气阀等），因此，在水力过渡过程中产生"水柱分离（空）"的可能性并不比传统的"水柱分离（汽）"少。尤应指出，经笔者长期观察研究，因水柱分离（空）而形成的充满空气的空腔长度常常比传统的以水蒸汽为主充填的空腔长度大得多，由此而造成的断流弥合水锤升压有时还比传统者高。因此，在进行水锤分析与危害预测时必须进行两种水柱分离情况下的计算机动态模拟。

1.3 "多点固定完全断流型空腔数－理模型"的建立和运用所谓"完全断流型空腔"是指能将连续水流（水柱）完全截断的集中型空腔，在水平（或准水平）管路中，是指露出管底的空腔。经长期观察和研究：在有压管路水力过渡过程中，真正能将连续水柱截断的正是这种完全断流型空腔（它与稳态或准稳态水－气两相流中的空穴不同），这时它发生于管线中以下诸固定特异点处：水泵或阀门的出口处、管线中的 "驼峰"和"膝状"升高点、丘陵顶端以及"鱼背"等处，这一客观事实就为本数－理模型的建立与应用提供可靠的物理与工程基础。

在笔者所承担的全部水锤分析与防护的设计研究工作中，对伴有两种水柱分离现象与断流弥合水锤的水力过渡过程，均应用了"多点固定完全断流型空腔数－理模型"进行处理。该模型的内涵是结合前人的成就和自己所发现的新现象经概括分析后提出来的。其要点如下：

（1）本模型仅适用于集中型的完全断流型空腔；

（2）不论何种水柱分离现象也不论在几处发生，它们都分别发生在管线上诸固定的（特异的）计算断面处；

（3）在装设特制进气阀或真空破坏阀的管段中，当某计算断面处出现真空时，因空气被吸入能产生水柱分离（空）现象；空气腔内压强保持为某一固定不变的真空值；