河北省水利水电勘测设计研究院
摘要：长距离输水管线的水锤防护分析主要包括事故停泵以及提升泵站启泵时的管线水锤防护。输水管线的水锤防护方案有多种选择，但对于长距离输水管线，选择一个积极有效的水锤防护方案以抵抗瞬时产生的压力是一个很大的挑战。结合实际工程，论述了长距离输水管线水锤防护的建议以及水锤防护装置的防护效果，可供类似工程参考借鉴。
关键词：长距离输水管线；水锤；水锤防护
我国水资源匮乏，而且空间分布不均，为了满足高速增长的城市用水量需求，许多长距离输水管线得以建造。当输水管线的稳态条件发生变化时，例如水泵断电、水泵开启或者是阀门关闭时，都会产生水锤现象。输水管线的水锤分析以及防护方案的选择，应在输水工程设计阶段完成。如果没有首先建立瞬态的水力模型，水锤对输水管线的影响将会很难被预测。因此笔者针对我国长距离输水管线工程的现状和特点，选取了平坦地区和大坡度长距离输水管线2种典型工程实例论述了输水管线的瞬态水力分析以及水锤防护建议。
1水锤的原因
1.1管材与施工质量影响
传统供水管道材质通常情况下，都是灰口铸铁管。此种管材不仅具有非常大的脆性，而且整体强度比较低，这就导致管体组织疏松，无法消除气孔。给水管道使用期间，不仅受到横向受力，也会受到外力振动，这就使得给水管道需要承受很大的应力，久而久之，就会出现纵向破裂。我国老城市供水管道铺设已有五、六十年，管道材质老化严重，导致管道爆漏多。在施工时，由于沟槽开挖未能达到标准、管道焊接和施工人员的个人问题也会造成水锤的隐患。
1.2应力作用
应力是由覆土压力、水压、温度变化、不均匀沉降等产生的环向拉应力、环向弯曲应力、温差纵向拉应力、纵向弯曲应力或承口开裂应力。
（1）水压轴向应力：σ水压=μ·σh???σh=PD/2σ
（2）温变产生的轴向压力：σ温变=E·α·（t1-t2）
（3）不均匀沉降产生的压力：σb=ii·Mi/Wi
（4）许用应力：［σ］=K·φ·σs
地基沉降应力和温变应力是造成管道爆漏的主要应力因素。
1.3气囊与水锤
水力学分析表明，管道输水期间，因为管道并不是真空，因此水并不是连续的，相同介质的流体。如果给水管道运输距离比较长，则水流速设计通常都不会太大，此时管道中的空气同城都是以气囊形式集中在管子上部。如果管道起伏比较多，气囊通常位于管道凸起点，而如果给水管道起伏不大，则气囊存在着形式就比较分散。如果水流倒流，管道中的空气可能会由于负压出现，水蒸气而随之流动，很多气体由此被压缩到管道顶部，而受到水流影响，最后分成一个个气囊，气囊在管道中不断运动，使得管道内部出现了比较强烈的压力振荡。管内压强不断提升，管壁持续受到冲击，一旦超过管材承受能力，管道就会损坏。
压力变化值：?P=ρ·c·（?v）
?P—-压力升高值???????????ρ—-水的密度
c—水击波传播速度??????????v—水流速度变化值
水锤是在突然停电或者在阀门关闭太快时，由于压力水流的惯性，产生水流冲击波，就象锤子敲打一样，所以叫水锤。水锤效应只和水本身的惯性有关系，和水泵没有关系。
1.4腐蚀
硫酸盐还原菌是厌氧腐蚀的诱发根源，微生物往往是局部附着。金属的表面所被附着的部位难以与氧气接触，进而产生氧浓差电池致使附着物下面的金属被强烈地腐蚀。与此同时，好养细菌在代谢作用的过程中也会消耗大部分的氧气而造成氧浓度差异，进而也产生氧浓差电池。耗氧量大的区域相对于其他区域而言为阳极，使得集体产生局部腐蚀，阴极去极化作用则是腐蚀中的关键步骤，相关腐蚀反应式为：
硫酸盐还原菌阴极去极化作用公式为：
SO42-+8H→S2-?+4H2O
腐蚀反应产物：Fe2+S2-→FeS
腐蚀反应产物：3Fe2++6OH--→3Fe（OH）2↓
总反应式：4Fe+SO42-+4H2O→FeS+3Fe（OH）2+2OH-
通过硫酸盐还原菌活动所产生的硫化亚铁、硫化氢以及细菌氢化酶为阴极反应提供所需的氢，并决定了阴极去极化与金属腐蚀的速率。
2水锤实例分析与处置
2.1某市水锤事件分析
2010年11月，位于山海关古城内，1995年铺设的铸铁管DN300配水管网暴漏。原因分析：经现场查看，多数管网是由于管网年久老化以及管材材质脆裂和气候环境变化后地面下沉导致了该管网断裂。
2012年10月，由山海关向啤酒厂的城市供水管网PE管材DN500发生突发暴漏。经现场勘察，是由于管网附近有施工队伍施工，在不了解地下设施情况盲目施工，导致用挖掘机挖土方时触碰到管网，造成管网损坏。原因分析：上述暴漏属于人为造成，因施工方未按照城市施工建设规定到相关部门进行施工备案，无法协调产权部门的配合，涉事部门侥幸盲目施工，导致城市供水管线损坏。解决方法：供水企业对损坏的管网进行及时修复的同时，也要加大的城市供水管网的巡查力度，加大对维护市政设施的宣传，加大法制管理，使每个城市的政府、企事业、私营企业以及从事社会活动的群众共同保护和维护城市供水设施和公共市政设施。
2014年6月，位于秦山公路北外环原水管线发生暴漏。原因分析：该原水管线上游水库例行检修原水管线闸阀，在连续多日检修过后，开启闸阀，原水线下游排气阀门、排沙阀门同时开启，15日检修结束，原水管线闸阀正常开启，下游管线在距离供水厂2.5公里处发生暴漏，初步分析是管线内产生气锤所致。
2015年12月，位于山海关立交桥附近1988年铺设的DN500铸铁管暴漏，经查看是由于冬季气温变化较大，导致土层变动，管接口插头变形造成暴漏。原因分析：北方地区和靠近北方地区常年气候变化较大，冬夏季温差从零上到零下十几度甚至至几十度差距。地下管网在长时间的环境变化下，一些地下土层发生变化时，地下管网出现上下左右移位，导致管网暴漏。
2.2?事故给我们带来的思考
这几起事件只是众多事例中的个例，我们还应该完善我们的给水排水系统，市政部门应收集更加可靠的数据，找到问题所在，根据以上实例，除管道年久老化带来的损坏，由人为施工和暴雨产生的水锤占有很大比例，对于这两个方面，应该更加重视。
3市政给水管道水锤的预防对策
3.1?合理选择管材
对给水管道水锤的现象进行治理，做好预防工作，使水锤发生的概率降低到最小程度。合理选用管材选择承压能力强，使用性能可靠，施工方便，使用年限长，内壁光滑，输水能力基本保持不变，造价低的管材。推广使用球墨铸铁管。球墨铸铁管是将铸铁球化处理后离心浇铸而成。球墨铸铁管在抗拉、抗弯、硬度、延伸率、耐冲击性及水压试验等方面的技术性能都优于灰口铸铁管和混凝土压力管，而在耐腐蚀性能及使用寿命方面又优于钢管。
3.2管线设计优化
管线系统设计优化，需要对老旧管道更新改造并依法对其附属设施进行保护?；重视管线规划和工程设计，在地形起伏地区排管，高地必须设自动排气阀，低地设泄水阀门，在适当管位增设水锤消除器，以预防管内水锤的产生与冲击。
3.3?管道工程施工
在给水管道的安装工程中，保证其施工质量是防止接口漏水，使管网安全、可靠运行的关键.在实际设计中，对管道的埋置深度、管道地基、夯实覆土的密度、接口的施工工艺等都有具体的规定和要求，在管道施工中应严格按照要求施工，提高施工技术，保证施工质量。
结语：
针对长距离输水管线的工程特点，对实际输水工程案例做出水锤分析，并选择了水锤防护方案。结果表明，缓闭式空气阀应当安装在管道的峰点处，以防止由于气体快速排出时产生的弥合水锤；压力波动预止阀、超压泄压阀或者是它们的组合应当安装在泵站管道的出口处用来降低水锤产生的危害；单向调压塔适用于长距离、大流量、低扬程的输水管线。
参考文献：
[1]陈欣，常州市大口径输水钢管水锤原因及对策研究：［D］.上海：同济大学，2007
[2]骆升，城市大口径给水管道水锤对策措施：［D］.浙江：浙江工业大学，2012