地铁海底隧道区间内设置有消防给水管和压力排水管。其中消防给水管为消火栓等主动灭火设施提供消防用水,它是发生火灾时保障生命财产安全,进行灭火的主要依靠。压力排水管则将隧道内的日常结构排水、消防排水等及时排出隧道,保证隧道不发生水淹事故的主要依靠。因此防止给排水管路超压是提高跨海区间给排水系统的可靠性,保证地铁运营安全的重要方面。

　　 本文以某地铁海底隧道给排水系统设计方案为例,利用EPANET、AFT-Impulse软件对系统管路进行模拟分析,提出防止管路超压的措施,供相关实际工程设计中进行参考。

　　 该地铁跨海隧道工程位于青岛,线路全长约8.1km,其中海域段长度约3.49km,两端车站均为地下站。海底隧道断面呈V型,隧道内设置消火栓系统和排水系统。

　　 消防给水管以最低点分界,在最低点处联通,与两端车站分别形成环状供水管网,采用临时高压湿式系统,如图1所示。区间内消防管网分别由相邻地下车站提供消防水源,在线路最底点分为两部分。

　　 区间排水系统共设有3处泵站,如图2所示。在区间隧道最低点设置海底泵站收集海域段结构渗漏水、冲洗及消防废水,泵房设3台耐腐蚀潜水泵。海底泵站分别设两根DN250钢塑复合管敷设至两侧1#、2#排水泵站。1#、2#排水泵站收集区间废水的同时兼做海底泵站转输泵站,每个泵站设3台耐腐蚀潜水泵。两泵站分别设2根DN250钢塑复合管敷排至室外泄压井,海底泵房废水平时排至2#废水泵房,经该泵站转输提升排出隧道。当2#废水泵房无法排出时,利用阀门启、闭切换排水管路改由排至1#废水泵房排出。

　　 消火栓给水系统采用湿式临时高压系统,地铁正常运营过程中,管道内充满有压水,水流基本处于静止状态。而跨海隧道埋深较深,按高程为0处消防管网稳压压力为0.2 MPa计算,跨海区间消防给水管路静水压力分布如图3所示。

　　 由图3可见跨海隧道内消防管网静水压力主要由所在高程决定。利用EPANET软件对跨海隧道消火栓管网进行建模,如图4所示。

　　 模拟在海底最底点处发生火灾,并开启两只消火栓进行灭火,管路压力如图5所示。

　　 可见在消防泵启动,消防管网内水流动状态下,管网压力大部分超过0.5 MPa。

　　 管路内水静压过大,对管道材质及配件的要求高,管道结构破坏、管网渗漏和给水系统设备破坏的可能性加大,日本、前苏联及我国都曾对管道内静水压力做过上限要求。而根据《消防给水及消火栓系统技术规范》(GB 50974-2014)要求,消火栓栓口动压不应大于0.5MPa,由于栓口动压过大,水枪在出水时就会产生很大的反作用力,导致水枪不宜掌控,进而影响正常灭火。

　　 根据模拟计算结果对原设计方案采取以下优化措施:

　　 (1)动压超压部分消火栓采用减压稳压消火栓。减压稳压消火栓在栓体进、出口设置自动节流装置,依靠介质本身能量改变节流装置的节流面积,将规定范围内的进水口压力减至某一需要的出水口压力,并使出水口压力自动保持稳定。

　　 (2)动压超压较多部分的消防给水干管减小管径,以增大管道沿程水头损失,减小动压。

　　 (3)在消防干管上设减压阀组,由于区间各消火栓需满足两路供水,而减压阀组所在管线要求为单向流动管线,故在减压阀组两侧均需设联通管。在减压阀组后加装电接点压力表,实现消防管网压力实时监测,通过压力异常报警监控减压阀组工作状态,保证消防管网安全稳定。

　　 (4)可在区间消防管道适当位置加装电动快开阀,平时管道内充满水后阀门关闭,降低埋深较深段管道静压,同时可减少发生爆管时的管道泄水量,待发生火灾时,快速打开电动阀门为消火栓供水。

　　 地铁海底隧道排水泵站扬水管压力高、线路长,极易发生水锤超压事故。故利用AFT-Impulse水锤模拟软件量化分析压力排水系统的水锤大小及水锤超压防护措施的作用大小^[1] 。

　　 本工程区间隧道最低点海底泵站排水泵参数为Q=200m³/h,H=70m。海底泵站排至2#泵站较排至1#泵站为较不利工况,与该侧泵站高差46m,单根压力排水管长2 200m。

　　 1#泵站排出地面较2#泵站排出地面为较不利工况,与所在位置地面高差70 m,单根排水管长80m。1#废水泵房水泵参数为Q=200m³/h,H=80m。

　　 海底泵站排至2#泵站长度较长,1#泵站排出室外高差较大,故选取此两种有代表性不利工况,分别建立水锤模型进行分析,如图6所示。

　　 在排水过程中,当排水泵站集水坑内水位降低至停泵水位,或当水泵电机事故突然断电,水泵会停止运行。水泵出水管上为防止管路内水返流至泵房而设有止回阀。根据模拟结果1#泵站在停泵后0.53s达到0.92 MPa的最大水锤压力,超过0.77 MPa的工作时压力,而海底泵站停泵后水锤波最大压力值0.71 MPa小于该处工作时压力值,两模型止回阀处压力随时间变化曲线分别如图7、图8所示。

　　 分析两处泵站特点及水锤大小可见,海底排水泵站提升高度较小,停泵时在止回阀处形成的水锤较小,而1#泵站提升高度大,止回阀处水锤也较大,故在泵站设置阶段建议尽量减少提升高度可有利于减少停泵水锤。

　　 停泵后,止回阀是产生水锤压力的主要来源,由于水流速度迅速减小至产生反向流量,止回阀迅速关闭使水柱与止回阀发生猛烈撞击,产生水锤超压,提出如表1所示3种减小停泵时止回阀处水锤超压措施。

　　 (1)水泵转动惯量可以影响水泵转速的增加和降低,转动惯量越大,水泵从停泵到停止转动所花的时间就越长,较高转动惯量的水泵能够更好地控制水锤超压,因为其可使水更长时间流过水泵,从而减缓水泵减速过程。通过水锤计算软件模拟,1#泵站采用不同转动惯量计算水锤压力关系如表2所示。

　　 可见,增大水泵转动惯量可以减小水锤,但受市场设备型号制约,同时满足流量、扬程及转动惯量要求难度较大^[2] 。

　　 (2)缓闭止回阀可以减缓管道中水流的变化,从而降低水锤压力。

　　 建立模型在1#泵站出口止回阀设置为缓闭止回阀,比较不同缓闭时间的止回阀对水锤压力影响,结果见表3,由此可知缓闭止回阀可有效降低水锤压力。

　　 但缓闭时间过长会导致排水管内水大量倒流回集水池,降低排水效率,导致水泵频繁启动^[3] 。

　　 (3)在出水管道靠近止回阀处设置水锤消除器,水锤消除器主要工作原理为泄水降压,靠气囊的胀缩来消除水锤。通过模拟,在设置水锤消除器后,停泵止回阀处压力可实现不大于正常工作时压力,满足超压防护要求。同时较采用长时间缓闭止回阀管路倒流量小,故推荐采用设置水锤消除器方案^[4] 。

　　 压力排水系统为提高排水系统的可靠性设置了互为备用的压力排水管路,当排水管路切换时,需关闭管路上的阀门。关阀过程也是造成水锤超压危害的重要因素之一。以海底排水泵站模型进行模拟,水泵出口处的阀门以某DN250中线法兰蝶阀为例,该阀门C_v值与开启角度关系如表4所示。

　　 当阀门在1s快速完全关闭时,模型阀前、后压力随时间变化曲线分别见图9、图10。

　　 由模型结果可见,快速关阀后,阀前、后均出现较大水锤超压,阀前在1.01s达到最大压力1.18MPa,阀后在10.72s达到最大压力1.01MPa。

　　 解决方案为快速关闭阀门至20°再慢关至完全关闭,能有效减少关阀水锤,选取以下3种关阀模式,模拟两阶段关阀,阀前、后最大压力如表5所示。

　　 经对比,采用前1s关闭阀门至20°,后20s再全部关闭阀门,即可有效降低水锤压力,防护管路超压。

　　 地铁海底隧道给排水系统超压防护是提高运营安全的关键,设计计算过程中需格外重视。利用水力模拟软件可提高计算效率。消防给水管道内水平时基本处于静止状态,在发生火灾时水由消火栓栓口喷出灭火,建议根据模拟结果,采用减小动压超压部分干管管径,同时消火栓采用减压稳压消火栓,并在适当位置设置减压阀组方案。压力排水系统由于排水泵站扬水压力高、管路长,日常运营中水泵需经常启闭,且切换排水管时需进行关阀操作,极易发生水锤超压事故。本文根据模拟结果,提出采用水泵出口设置水锤消除器方案,同时对关阀模式比选得出采用前1s关闭阀门70°,后20s再关闭阀门20°的关阀模式,此外,选取较大转动惯量水泵,采用缓闭止回阀也可有效降低停泵水锤超压。

　　 需要注意的是,不同工程由于工程条件,系统参数等存在差异,在设计和建模时需注意结合具体情况,选择最为适合和安全的方案。