Z市航空港区位于市区南部,建设初期由于区域水资源缺乏,无集中供水设施,为保证港区北部片区内IT产业园用水需求,建设了全长27.1km的DN1 000引水工程^[1],见图1。随着Z市航空港区一水厂建成和南水北调中线工程通水,近期港区一水厂供水能力有富裕,而市区供水相对紧张,结合港区一水厂和Z市D水厂存在地势差,可满足重力流回供条件,考虑利用现有管道向市区回供,港区至市区管线高程见图2。由于两水厂之间存在地势起伏大、输水管线长、沿线阀门及排气阀等供水设施较多等因素,在回供过程中可能面临由于阀门操作不当引起的管道水锤。

　　 本文通过建立航空港区—市区供水水锤模型,分析该供水管道的安全性,并提出操作管理建议,以期降低水锤对管道的破坏。

　　 根据Z市供水调度信息系统数据,对近年来Z市年供水量及最高日供水量进行统计,历年年供水量、最高日总供水量见表1。

　　 由表1可知,Z市近4年的年度供水量呈逐年稳定上升趋势,从2010年的20 683.90万m³增长到2014 年的26 379.55 万m³,年增长率分别为5.7%、7.6%、7.9%、3.97%。近4年市区的最高日供水量(不含电厂用水)从2010年的79.2万m³/d增长到2014年的88.09万m³/d,最高日供水量年增长率分别为1.4%、6.5%、4.7%、-3.0%。Z市自来水公司设计供水能力为101万m³/d,实际最大供水能力约90万m³/d,可以看出在2013年和2014年,Z市各水厂最高日基本已到达历史最大供水能力,处于满负荷运行状态。

　　 考虑Z市城市发展和历年供水情况,以近年来最高日供水量最大增长率6.5%计算,预测2015年Z市最高日需水量(不含电厂用水)93.82万m³/d,增加供水量5.73万m³/d。城市供水存在供水能力不足问题。若通过Z市航空港区一水厂在必要时向市区供水,在近期可实现供需平衡,更好地保障城市供水安全可靠。

　　 航空港区一水厂设计供水规模20万m³/d,采用南水北调中线水源,水质优良。目前一水厂最高日供水量约6万m³/d,在管网完善后供水量将进一步增加10 万~12万m³/d。因此一水厂投产后将有8万~10万m³/d水量富裕,可通过原引水工程DN1 000输水管道将港区一水厂的水回供至市区。

　　 港区一水厂地面高程153.5m,较市区高程89m(D水厂周边高程)高出约64.5m。针对港区一水厂清水池与管网末端液位差,结合两水厂之间输水管线沿途高程情况,通过水力计算,港区一水厂清水池至沿线最高点的水头可以克服水头损失,水流能翻越最高点,实现港区水厂重力流回供。D水厂出水压力在35mH₂O左右,当回供水量为7万m³/d时,回供管线末端压力为36.39 mH₂O,与D水厂出厂压力持平,即理论最大回供能力约为7万m³/d。

　　 本次水锤分析模拟采用Bentley Hammer V8i泵站管路系统水力软件,根据现状D水厂—港区输水管线设计资料及港区相关工程设计资料。水锤模型中DN1 000的球墨铸铁管,海森威廉系数取120,杨氏模量为170 539 MPa,泊松比为0.28,管壁厚13.5mm。输水管道中钢管长度较短,模型全部简化为球墨铸铁管。

　　 输水管道沿线排气阀共58个,排气阀进气口、出气口孔径均为100mm。阀门共25个,模型中阀门按蝶阀计算,蝶阀水头损失系数为1。

　　 将输水管线上25个阀门,从港区出厂阀门起依次编号为1#~25#。港区一水厂水位153.2m,输水量7万m³/d,输水管线最高点151.8m,58个排气阀全部开启,输水管线阀门初始状态全开,输水管线末端压力36mH₂O。

　　 通过模拟各阀门突然关阀时,在管道的起始端处会出现压力波动,波动距离为管道起端至关阀处的距离,在阀门前产生正压,阀门后侧产生负压。

　　 港区水厂至D水厂输水管线沿线共25 个阀门,现以最不利点即管道末端D水厂处阀门的关闭情况为例进行计算说明。

　　 图3中D水厂阀门关阀历时1min,最大正压出现在关闭阀门前,总水头为281.1mH₂O,自由水压为191.1mH₂O。港区水厂至D水厂阀门之间管道均会出现最大负压为-10 mH₂O。输水管线正常运行过程中,快速关闭该阀门会产生较大正压,易造成管道水锤事故。

　　 由图4可知,D水厂阀门关阀历时20min,最大正压出现在关闭阀门前500m,压力为106.4mH₂O,港区出厂2.5km范围内管道均会出现不同程度的最大负压,为-1~-0.3mH₂O。

　　 通过对不同关阀时长的模拟计算,可以看出延长关阀时间能够降低阀门关闭造成的管道压力升高值,能有效地防止水锤的发生。

　　 在各阀门分别关闭后,关阀持续时间分别为1min、5min、10min和20min阀门前最大水压变化情况如图5所示。由图5可知,因为2#阀门前管段长度较小,关阀持续时间1min后水压约70mH₂O,从3#阀门开始,关阀持续时间1min,各阀关阀后最大正压在147.6~187.5mH₂O,平均为168.1mH₂O,基本呈逐步增加趋势,但变化幅度不大。关阀持续时间5min时,各阀关阀后最大正压在78.2~148.3mH₂O,平均为113.1mH₂O,从9#阀门开始,呈逐步增加趋势。关阀持续时间10min时,各阀关阀后最大正压在70.1~107.6mH₂O,平均为84.5mH₂O,13#阀门前正压约75mH₂O,从14#阀门开始,正水压呈逐步增加趋势,最高为107.6mH₂O。关阀持续时间20min,各阀前最大正压在59.1~80.4 mH₂O,平均为71mH₂O,13#阀门关阀后正水压约75mH₂O,从14#阀门开始,正压逐步增加到80.4mH₂O。

　　 根据图5,较之关阀持续时间1 min,关阀持续时间5min阀前正压平均降低31.86%,其中降幅最大为3#阀门,降幅约50%,最小为1# 阀门处,降幅12.57%。关阀持续时间10 min,3# 阀门之后,阀后正压相较持续时间1 min降幅为40.02% ~55.98%,平均降低49.88%。 关阀持续时间20min,3#阀门之后,阀后正压相较1 min降幅为53.81% ~62.59%,平均降低57.70%。 根据规范^[2],水锤压力不应超管道1.3~1.5倍工作压力,即78~90mH₂O。可见,9#阀门后管段,关阀持续时间5min可满足管道压力要求,9#~13#阀门,关阀10min后满足要求,14#阀门以后管段,关阀时间不宜少于20min,且应匀速缓慢关阀。

　　 在各阀门分别关闭后,持续时间分别1 min、5min、10min阀门后最大负压变化情况如图6 所示。由图6可知,关阀持续时间1 min负压基本稳定,除了2#阀门,其余均为-10mH₂O。关阀持续时间5min,各阀后最大负压为-6.2~-10mH₂O,平均为-8.66mH₂O。关阀持续时间10min,各阀后最大负压为-1.1~ -9.5 mH₂O,平均为-3.13mH₂O。

　　 根据图6,相较持续关阀1min,除3#阀门外,关阀持续时间5min各阀后负压降幅为4%~38%,降幅呈递减趋势,平均降低18.57%,其中降幅最大为4#阀门,降幅为38%,最小为3# 阀门处,无变化。相较持续关阀1min,关阀持续时间10min各阀后负压降幅为10%~89%,平均降低66.05%,其中3#、9# 和10# 阀门后负压降低不明显,仅为10%~30%。可以看出,延长关阀时间可有效降低由于关阀引起的管道后负压波动的峰值,但3#、9#和10#延长该阀门关闭后,仍产生明显负压,为减少负压对管道运行造成不当影响,在3处阀门后临近管段高点加装缓闭气缸式进排气阀,临时进气降低负压。

　　 针对Z市航空港区一水厂和Z市D水厂存在地势差,分析了利用两水厂间现有管道回供市区的重力流条件,通过建立Z市航空港区—市区供水水锤模型,利用水锤分析软件,对不同位置阀门不同关阀历时的水锤计算分析,结论如下:

　　 (1)在根据要求进行阀门关闭时,所关闭阀门前将产生较大的正压,绝大部分超过规范规定的1.3~1.5倍正常运行压力,但该压力值在管道试验压力范围内,9#阀门前,关阀持续时间5 min可满足规范管道压力要求,9#~13#阀门,关阀持续时间10min满足规范要求,14# 阀门以后,关阀时间不宜少于20min。

　　 (2)当管道正常运行时,关闭沿线阀门,关闭阀门后将产生负压,会对管道正常运行造成不利影响,但基本在持续关阀时间10min后负压降低明显,平均降幅66.05%,负压值在安全范围内;3#、9# 和10#延长该阀门关闭后,仍产生明显负压,3处阀门附近应加装排气阀。

　　 (3)建议13#阀门前管段各阀门关阀时间应不小于10 min,14# 阀门以后管段阀门,关阀时间不宜少于20min,且应匀速缓慢关阀。

　　 (4)为防止快关或错误关阀造成的水锤危害,可采取编制操作规程,根据模拟成果,针对每个阀门在确需关闭时注明所需关阀历时及操作要点;对操作人员进行培训,做到熟练作业,减少误操作;将水锤破坏可能造成的管道损坏纳入城市和自来水公司城市供水风险应急预案,事故时能够及时应对并处置得当。

　　 (5)在过南水北调干渠两侧,增设了2处具有排气与自动排气功能的复合式空气阀(带防水锤功能),将原输水管道上17处关键点上的普通排气阀更换为复合式空气阀,一旦管道内产生负压,迅速导入外界空气,保护管线免受负压破坏,并可迅速排出管道中的空气,提高管道的输水效率。