农村饮水安全高扬程泵站工程中的水击防护

摘要:提出了高扬程泵站提水时发生水击的类型和不同类型的水击压力计算方法，介绍了避免水击破坏应采取的控制水流速度，延缓开、闭闸阀时间，降低管路静压采用弹性系数较小的管材等各种防护措施和新型多功能控制阀的原理和功能。

关键词:水击；高扬程泵站；防护措施

中图分类号： TU74 文献标识码： A

近几年来，随着国家大力推进基础设施建设，为改善农村居民生活环境，在边远的农村新建农村饮水安全工程，着力改善农民生活质量。但在贵州镇宁县山区，自古就有“天无三日晴，地无三里平，人无三分银”称谓，这其中也道出了在贵州山区搞人饮工程的难度。镇宁县属于多峰林、峰丛洼地、槽谷、岩溶地貌和侵蚀地貌发育，河谷深切，山高坡陡，喀喀斯特地貌特征的黔中地区，村民居住群落分布山间，户与户之间、村组之间、村与水源之间都有着很大的高差。虽有着充足的降雨，当地却旱灾频频，人、畜饮用水难以得到保证。为了在这种环境下建成供水有保证的农村饮水安全工程，在我县已建成一批高差在200m左右的泵站，如镇宁县大山乡洞口村饮水安全工程泵站220m，良田乡亏拥组泵站215m，砂子乡砂子村泵站184m等。随着水资源的大量开发和用水要求的不断提高，表层水源与近地水源已无法保证用水需求。远距离和高扬程泵站工程成为目前解决农村饮水安全的一个主要途径，发生水击的可能性就越来越大。如不采取防护措施，就可能因水击毁坏上水管路及附件，使整个系统瘫痪，因而水击成了高扬程泵站工程安全运行的重大隐患，在进行高扬程泵站设计时，应进行水击计算并采取必要的防护措施。

1 水击产生的原因和类型

1.1水击产生的原因

上水管中水正常运行时，管路中的水流速度为一定值，因而不会产生水击，但当水流速度突变时，比如突然停机，就必将引起管道中水压发生相应突变，这种现象称为水击。所以速度突然改变是产生水击的根本原因。

1.2水击的类型

一旦产生水击，水压变化将以波的形式在止回阀和上水管出口之间往返传播，直至能量被管路阻力消耗完毕为止。压力波往返一次所需的时间可用下式计算：T=2L/c

式中T——相长，s;

L——止回阀至上水管出口的长度，m;

C——水击波在管中的传播速度，m/s。

C=1424/(1+(E0d)/(E&))0.5

式中 E0——水的弹性模数，E0=2.06×109Pa;

E——管壁材料的弹性模数；

d——上水管内径，m;

＆——上水管壁厚，m。

正常开、停泵时，只要缓慢开、闭闸阀，使止回阀开、闭时间大于相长，都是间接水击，因故停电使止回阀突然关闭，就产生直接水击。

2 水击的计算

水击时，管内最大压力为水击产生的压力增加值与管内静水压力之和，即

Pm=P+Pj

式中 Pm——水击时管内最大压力，MPa；

P——水击时，管内最大压力增加值，MPa；

Pj——管内的静水压力，MPa。

2.2直接水击时压力增加值

由茹科夫斯基公式可得直接水击的压力增加值

P=CV/100g

式中 P——水击时，管内最大压力增加值，MPa；

V——稳定运行时上水管内的速度，m/s;

g——重力加速度，g=9.8 m/s2；

C——水击波在管中的传播速度，m/s。

2.3间接水击时压力增加值

间接水坝时，压力增加值可由下式

Pz=2VL/100gtc

式中 Pz——间接水击时管内压力增加值，MPa；

tc——止回阀的关闭时间，s。

2.4 两种水击的压力增加值的比较

两种水击的压力增加值之比值为：

P/Pz= CV/100g/2VL/100gtc=Ctc/2L

由于正常开、闭泵站时，闸阀的开、闭都是很缓慢，关闭时间tc>5s，直接水击将远大于间接水击，所以在泵站设计时便多是考虑突然停电时上水管道中的直接水击对管道和设备的破坏。

3避免水击破坏的防护措施

根据以计算式及现正运行的泵站经验，从中找到解决水击破坏的防护措施的途径。

3.1 降低管中水流速度

从分析表中可发现两种管材水击的压力增加值都与速度成正比。为降低水击压力，必须降低水流速度。但速度过小，管径增加，基建投资将增多，污物也易沉积在管壁上，若增大速度，可减小基建投资，但水头损失过大且易产生水击，增加维护费用，综合多个农村饮水安全工程点运行实践，管内流速应控制在1.0-1.5m/s左右较为合理。

3.2尽量避免直接水击

延缓管路闸阀的开、闭时间，离心式水泵应在电机达到额定转速后逐渐打开闸阀，停泵时，也应逐渐关闭闸阀后再停电机，只要操作程序正确，使开、停闸阀时间大于水击波的相长，就可避免开、停泵时发生直接水击。

3.3降低上水管路中的静压力

水击时，管内最大压力包括水击产生的压力增加值和静水压力两部分。为此可在水泵出口闸阀后面的管路中部多安装一个止回阀。管路中部加装止回阀后，不仅使每个止回阀承受的静压力降低一半，还使相长缩短为L/C。而用水力学公式h=(L/g),水击时L减小使得h减小，从而避免水击时，降底总管内压力强度。

3.4 提高上水管装置的强度

为避免水击破坏，发生直接水击时，管内最大压力应小于系统中各部分允许工作压力的最小值，即+Pj

3.5使用新型多功能控制阀

新型多功能控制阀可同时替代闸阀、止回阀和水击消除器，并能自动实现开泵时的缓开，停泵时的缓闭，有效地避免水击。

3.6改用弹性模数E较小的管材

改用弹模数较小的管材，如现在较常用的PE管，其设计压力从0.6-1.25MPa 较为常用，压力1.6MPa的PE管技术已很成熟，能代替钢管使用且满足设计要求。参考水击计算对比分析表，钢材E＝2.06×1011Pa,PE管材E=9.5×108Pa，PE管材的E比钢材小200倍，由C=知道，E变小便有C变小，从而使得直接水击变小。

3.7 在止回阀前加装空气柱

在止回阀前加装空气柱后，该气柱在水击产生时的压缩区，由于空气的压缩使压力得到一定的减缓。相当在止回阀前加了一段弹性模数E较小的材料，从而得以减小水击的压力。

4水击防护总结

在进行高扬程泵站设计时，必须考虑水击问题，要合理选择水流速度，提水装置中各部件的强度应保证发生直接水击时不至被毁坏，延缓开、闭闸阀的时间，在上水管路的中部设置止回阀或采用新型多功能控制阀。合理使用管材，可以一种措施或几种措施并用力求让水击压力在可控的设计范围内。

参考文献：

《水力学》刘润生、何建京、王忖 等编著 河海大学出版社

《矿井排水装置运行与选择设计》白铭声著煤炭工业出版社

作者简介：潘胜（1975--），男，贵州镇宁人，工程师，水工建筑专业，研究方向：水利工程建筑