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【摘要】：本文分析了输配水供水管道系统中水锤产生的原因及其危害,提出水锤的安全预防措施,为保障输水管道系统正常运行提供参考。
【关键词】：水锤分类；分析方法；防护措施；
【 abstract 】 : This paper analyzes the water supply pipe system the causes of water hammer and its harm, puts forward the safety of the water hammer prevention measures, to ensure the normal operation of water pipe system to provide the reference.
【 key words 】 : water hammer classification; Analysis method; Protective measures;
中圖分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
0. 引言
改革放开以来，我国经济迅猛发展，但是随着人口的增加和水资源不合理利用造成恐怖的污染，这无疑使得我国本就存在的水资源供求矛盾更加突出，已严重阻碍了一些城市的发展。为解决这一问题，国家和地方相继投入了大量的人力、物力，进行了引水工程的建设如近年来的南水北调、内蒙古引黄青海、引黄济青、引黄入晋等等。随之而来的是频发的工程爆管事故由于爆管导致的损失巨火，防爆技术无疑引起了工程技术人员的高度关注。在输水工程中，最常见而又最突出的问题就是输水管线的水锤防护问题。
1. 水锤的危害
泵站中发生水锤事故的现象是较为普遍的，其中以地形复杂、高差起伏较大的我国西北、西南地区，尤为突出。根据以前各地区200次以上，北京、上海等地年均1000次有记录的水锤事故调查可看出：泵站中多数水锤事故的结果是轻则水管爆裂，止回阀的上盖顶或壳体被打坏大量漏水，造成暂时供水中断事故；重则酿成泵站被淹毁，泵船沉没等严重事故。个别的还因泵站水锤事故，造成冲坏铁路路基、损坏设备、伤及操作人员造成人身伤亡等次生灾害。在农田灌溉泵站中，常因扬程高、流量及功率较大，故其水锤危害及影响毫不亚于给水工程系统。
2.水锤的成因
水锤波动是液体(水)的压力振动在弹性液体介质(水)内所引起的波动过程，属于机械波。水锤现象是在压力管道中由于流速剧烈的变化而引起动量的转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象。水锤也称水击，或称流体(水力)瞬变(暂态)过程，它是流体的一种非恒定(非稳定)流动，即液体运动中所有空间点处的一切运动要素(流速、加速度、动水压强、切应力与密度等)不仅随空间位置而变，而且随时间而变。
3.水锤的分类
3．1直接水锤
当管道末端闸阀关闭，由于管道中水柱的贯性作用继续向前，使动能转变为压力能．管道末端的压力随阀门关闭而逐渐升高。当此高压渡沿管道以速度a向起端传播，到达起端后又以低压的形式向回传播。阀门关闭速度较快，全部关闭生的高压得不到反射回负压抵消。所以水锤压力较大，即直接水锤流速变化较抉．变化时间较短，且没有返回的低压渡叠加抵消的作用．致使水锤压力较大。
3.2间接水锤
当阀门关闭较慢，或管长较短时，全部关闭时间大于2L／a时，则开始发生的低压波又传回与高压波相互叠加起到部分抵消作用，可使水锤压力喊小。也就是说一般关闭阀门时，只发生间接水锤，不致引起较大的水锤压力，但在输水管道长度过大和使用快速关闭的蝶阀时，应注意缓慢关阀以免发生直接水锤。
3.3拉断水柱的水锤
当水锤波为负压波，压力低于水在该温度下的饱和蒸汽压力时，水即发生汽化而使水柱拉断形成一段真空，当正压渡到来时，使两侧水柱倒流迅速闭台，同时两水柱相碰撞瞬间产生极高的正压波——即拉断水柱的水锤。这种水锤破坏性最大，在输水系统中时常是造成设备爆破的主要原因。因此也是防护的主要对象。
4.有压管道水锤的分析方法
所有水锤的分析方法不外乎是从运动方程、连续性方程或能量方程，加上状态方程和其它物理特性关系式着手。以这些基本方程为基础，加上不同的限制性假设，可得到不同的方法。本文简要介绍下面几种分析方：
4.1算术法
这种方法忽略了摩阻项，得到水击的基本方程：
∑△H=±a/g∑△V
这个式子表示了速度变化△V和水头变化△H与波速a、重力加速度g之间的关系。对向上游运动的波，式中取负号，对向下游运动
的波，式中取正号。若已知一段管子两端的边界条件，多次应用这一方程，瞬变解可以建立并计算出来。算术法的优点在于形象、直观，可以直接写出瞬变过程解的表达式，缺点是误差大。
4.2图解法
图解法是由Schnyder—Bergeron提出的。在理论推导中，同样忽略了摩阻项，但是在进行图解过程中进行了一定的修正。图解法是所有方法中最直接的方法，通过因变量H-V平面上作图，用特征线法把某一位置、某一时刻的H和V联系起来。从图中可以得到管内瞬变的大量细节。图解法能够解决大量的复杂问题，如分叉
管、串连管和泵的动力事故。方法的复杂程度和系统的复杂性相对应。因此，图解法很费时，对复杂管网中许多可以用数学方法进行模拟的边界条件，常常引进简化假设。
4.3特征线法
特征线法把两个偏微分方程(运动方程，连续性方程)进行线性组合，然后联立解得到四个全微分方程，即两组特征方程。虽然它们已经是常微分方程，但由于摩阻项中流速矿与t时间(或距离x)的关系不能建立，无法积分出解析式，故只能用数值方法计算。在当今计算机时代，用有限差分法求积分的数值是克服积分难题的一个有效手段，特征方程的求解也采用这种手段，即将这些方程表示成有限差分的形式，用各管段统一时间步长的矩形网格计算法，通过计算机求解。
特征线法的优点⋯：(a)可以建立微分方程求解的稳定性准则，(b)边界条件很容易编成程序•(c)可以处理非常复杂的系统；(d)在所有有限差分法中具有最好的精度-(e)容易编程；(f)可以给出全部表格化的结果。
5.水锤防护措施
5.1常用防治措施：
1）管道坡顶处设低压缓闭大量排气、高压微量排气的缓闭静音型排气阀（如ARI之D-060NS型）。如在寒冷地区，必须采用防冻型排气阀（如ARI之D-035型）。
2）在管道坡顶处设大量进气的真空吸气阀，如在寒冷地区，必须采用防冻型真空吸气阀（如ARI之D-133型）
3）在管道中间段设置大量进气的排气型空气阀（如ARI之D-070、D-060、D-050型），须有缓闭静音排放功能。
4）在道路及制井不方便的位置设置埋地型空气阀（ARI之D090型）
5）在水泵出口设置压力波动预止阀（BERMAD735型）
5.2做好水锤防护分析计算
现行使用的水锤分析计算软件，功能齐全，能够根据用户提供的基本设计条件，可以计算分析出需要的排气阀位置、数量、口径及形式，一般要做以下内容的分析计算。
1）停泵水锤分析计算内容：包括多法案的技术经济比较，最优水锤防护方案计算选择，对已安装的防水锤设备的规格、安装位置进行校核计算、防护系统分析，操作方法等
2）起泵水锤防护的分析计算内容：根据工程的长距离管线纵断面情况，系统突然发生停泵后可能造成多处水柱中断，因此该系统的起泵水锤防护应包括初次充水，短期停水检修及突然停泵后再次起动等几种工况。且重点使停泵后再次起泵，并应结合管道泵控制阀、压力波动预止阀、排气阀、调流调压阀等做出最优防护方案及操作规程。
3）运行中流量调节水锤防护的分析计算：主要包括：逐臺增、减工作水泵对管道流量压力的影响分析，末端阀门和管线上的检修、排水阀门开关速度对管道压力的影响，分析最佳开、停泵及开关阀门程序计算等。
5.3最佳运行工况优化选择
最佳运行工况选择应主要利用管道末端的调流调压阀、无压隧洞进出口阀门等条件，确定管路的最大东、静水压，且保证不出现负压现象等，同时做出各种控制设备运行参数的计算与调整。
5.4管道初次试通水方案及现场指导的确定
管道初次试通水可能遇到各种意外情况，根据管道水力稳定流与非稳定流经验与技术理论及时做出判断并处理至关重要的，此时的误操作极易造成事故，故应制定合理的试通水方案并派人现场指导。
5.5严格执行操作规程及必要的操作人员技术培训
输水管道运行操作规程对安全输水是十分重要的，本操作规程应结合管路结构特点，所装设的各种控制装置的特点及相关水力学理论制定，主要包括:正常运行操作规程（重点是水泵站）；特殊情况下的操作规程（突然停泵后启动，事故状态下的停车、检修后启动充水，各种可能故障的处理）；各种设备的检修、维护管理和定期检修。经常对操作人员技术培训，让他们牢固掌握水力学明知识，水锤特点和防护基础知识，各类设备的结构原理、作用、操作、维护管理办法和要求等。 水锤事故引发的管网爆管破坏时有发生，直接导致了城市停水、停产，严重影响了城市居民的正常工作和生活，在城市、企业供水工作中必须对水锤事故做到防患于未然。
6，结语
最近20余年是伟大中华民族复兴的启动时期，各种张高新产业发展极快，各类城镇与工业企业的供水事业蓬勃发展。高扬程、大流量，长距离、地形复杂的输水管线工程日益增多，各种类型复杂的工业管道也越来越多。因此，如何保证各类泵站管路系统安全运行，免遭水锤破坏，就显得越来越重要和迫切。本论文正是针对长距离压力管道的水锤计算和防护方法进行了研究和比较，认为目前计算水锤计算方法中特征线法最为准确、高效，也便于用计算机进行编程计算。
参考文献
【1】金锥，姜乃昌，汪兴华．停泵水锤及其防护．北京：中国建筑工业出版社。1982．
【2】黄卫军．泵站水力过渡过程试验研究．【硕士学位论文】，2003，3．
【3】金锥，姜乃昌，汪兴华．停泵水锤及其防护．北京：中国建筑工业出版社，1982：1-31．
【4】【美]EB怀特，VL斯特里特．瞬变流．北京：水力电力出版社，1983．
【5】姚青云．泵站水锤两阶段关闭调节防护．宁夏农学院学报，1997，l：36-39．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
【关键词】：水锤分类；分析方法；防护措施；
【 abstract 】 : This paper analyzes the water supply pipe system the causes of water hammer and its harm, puts forward the safety of the water hammer prevention measures, to ensure the normal operation of water pipe system to provide the reference.
【 key words 】 : water hammer classification; Analysis method; Protective measures;
中圖分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：
0. 引言
改革放开以来，我国经济迅猛发展，但是随着人口的增加和水资源不合理利用造成恐怖的污染，这无疑使得我国本就存在的水资源供求矛盾更加突出，已严重阻碍了一些城市的发展。为解决这一问题，国家和地方相继投入了大量的人力、物力，进行了引水工程的建设如近年来的南水北调、内蒙古引黄青海、引黄济青、引黄入晋等等。随之而来的是频发的工程爆管事故由于爆管导致的损失巨火，防爆技术无疑引起了工程技术人员的高度关注。在输水工程中，最常见而又最突出的问题就是输水管线的水锤防护问题。
1. 水锤的危害
泵站中发生水锤事故的现象是较为普遍的，其中以地形复杂、高差起伏较大的我国西北、西南地区，尤为突出。根据以前各地区200次以上，北京、上海等地年均1000次有记录的水锤事故调查可看出：泵站中多数水锤事故的结果是轻则水管爆裂，止回阀的上盖顶或壳体被打坏大量漏水，造成暂时供水中断事故；重则酿成泵站被淹毁，泵船沉没等严重事故。个别的还因泵站水锤事故，造成冲坏铁路路基、损坏设备、伤及操作人员造成人身伤亡等次生灾害。在农田灌溉泵站中，常因扬程高、流量及功率较大，故其水锤危害及影响毫不亚于给水工程系统。
2.水锤的成因
水锤波动是液体(水)的压力振动在弹性液体介质(水)内所引起的波动过程，属于机械波。水锤现象是在压力管道中由于流速剧烈的变化而引起动量的转换，从而在管路中产生一系列急骤的压力交替变化的水力撞击现象。水锤也称水击，或称流体(水力)瞬变(暂态)过程，它是流体的一种非恒定(非稳定)流动，即液体运动中所有空间点处的一切运动要素(流速、加速度、动水压强、切应力与密度等)不仅随空间位置而变，而且随时间而变。
3.水锤的分类
3．1直接水锤
当管道末端闸阀关闭，由于管道中水柱的贯性作用继续向前，使动能转变为压力能．管道末端的压力随阀门关闭而逐渐升高。当此高压渡沿管道以速度a向起端传播，到达起端后又以低压的形式向回传播。阀门关闭速度较快，全部关闭生的高压得不到反射回负压抵消。所以水锤压力较大，即直接水锤流速变化较抉．变化时间较短，且没有返回的低压渡叠加抵消的作用．致使水锤压力较大。
3.2间接水锤
当阀门关闭较慢，或管长较短时，全部关闭时间大于2L／a时，则开始发生的低压波又传回与高压波相互叠加起到部分抵消作用，可使水锤压力喊小。也就是说一般关闭阀门时，只发生间接水锤，不致引起较大的水锤压力，但在输水管道长度过大和使用快速关闭的蝶阀时，应注意缓慢关阀以免发生直接水锤。
3.3拉断水柱的水锤
当水锤波为负压波，压力低于水在该温度下的饱和蒸汽压力时，水即发生汽化而使水柱拉断形成一段真空，当正压渡到来时，使两侧水柱倒流迅速闭台，同时两水柱相碰撞瞬间产生极高的正压波——即拉断水柱的水锤。这种水锤破坏性最大，在输水系统中时常是造成设备爆破的主要原因。因此也是防护的主要对象。
4.有压管道水锤的分析方法
所有水锤的分析方法不外乎是从运动方程、连续性方程或能量方程，加上状态方程和其它物理特性关系式着手。以这些基本方程为基础，加上不同的限制性假设，可得到不同的方法。本文简要介绍下面几种分析方：
4.1算术法
这种方法忽略了摩阻项，得到水击的基本方程：
∑△H=±a/g∑△V
这个式子表示了速度变化△V和水头变化△H与波速a、重力加速度g之间的关系。对向上游运动的波，式中取负号，对向下游运动
的波，式中取正号。若已知一段管子两端的边界条件，多次应用这一方程，瞬变解可以建立并计算出来。算术法的优点在于形象、直观，可以直接写出瞬变过程解的表达式，缺点是误差大。
4.2图解法
图解法是由Schnyder—Bergeron提出的。在理论推导中，同样忽略了摩阻项，但是在进行图解过程中进行了一定的修正。图解法是所有方法中最直接的方法，通过因变量H-V平面上作图，用特征线法把某一位置、某一时刻的H和V联系起来。从图中可以得到管内瞬变的大量细节。图解法能够解决大量的复杂问题，如分叉
管、串连管和泵的动力事故。方法的复杂程度和系统的复杂性相对应。因此，图解法很费时，对复杂管网中许多可以用数学方法进行模拟的边界条件，常常引进简化假设。
4.3特征线法
特征线法把两个偏微分方程(运动方程，连续性方程)进行线性组合，然后联立解得到四个全微分方程，即两组特征方程。虽然它们已经是常微分方程，但由于摩阻项中流速矿与t时间(或距离x)的关系不能建立，无法积分出解析式，故只能用数值方法计算。在当今计算机时代，用有限差分法求积分的数值是克服积分难题的一个有效手段，特征方程的求解也采用这种手段，即将这些方程表示成有限差分的形式，用各管段统一时间步长的矩形网格计算法，通过计算机求解。
特征线法的优点⋯：(a)可以建立微分方程求解的稳定性准则，(b)边界条件很容易编成程序•(c)可以处理非常复杂的系统；(d)在所有有限差分法中具有最好的精度-(e)容易编程；(f)可以给出全部表格化的结果。
5.水锤防护措施
5.1常用防治措施：
1）管道坡顶处设低压缓闭大量排气、高压微量排气的缓闭静音型排气阀（如ARI之D-060NS型）。如在寒冷地区，必须采用防冻型排气阀（如ARI之D-035型）。
2）在管道坡顶处设大量进气的真空吸气阀，如在寒冷地区，必须采用防冻型真空吸气阀（如ARI之D-133型）
3）在管道中间段设置大量进气的排气型空气阀（如ARI之D-070、D-060、D-050型），须有缓闭静音排放功能。
4）在道路及制井不方便的位置设置埋地型空气阀（ARI之D090型）
5）在水泵出口设置压力波动预止阀（BERMAD735型）
5.2做好水锤防护分析计算
现行使用的水锤分析计算软件，功能齐全，能够根据用户提供的基本设计条件，可以计算分析出需要的排气阀位置、数量、口径及形式，一般要做以下内容的分析计算。
1）停泵水锤分析计算内容：包括多法案的技术经济比较，最优水锤防护方案计算选择，对已安装的防水锤设备的规格、安装位置进行校核计算、防护系统分析，操作方法等
2）起泵水锤防护的分析计算内容：根据工程的长距离管线纵断面情况，系统突然发生停泵后可能造成多处水柱中断，因此该系统的起泵水锤防护应包括初次充水，短期停水检修及突然停泵后再次起动等几种工况。且重点使停泵后再次起泵，并应结合管道泵控制阀、压力波动预止阀、排气阀、调流调压阀等做出最优防护方案及操作规程。
3）运行中流量调节水锤防护的分析计算：主要包括：逐臺增、减工作水泵对管道流量压力的影响分析，末端阀门和管线上的检修、排水阀门开关速度对管道压力的影响，分析最佳开、停泵及开关阀门程序计算等。
5.3最佳运行工况优化选择
最佳运行工况选择应主要利用管道末端的调流调压阀、无压隧洞进出口阀门等条件，确定管路的最大东、静水压，且保证不出现负压现象等，同时做出各种控制设备运行参数的计算与调整。
5.4管道初次试通水方案及现场指导的确定
管道初次试通水可能遇到各种意外情况，根据管道水力稳定流与非稳定流经验与技术理论及时做出判断并处理至关重要的，此时的误操作极易造成事故，故应制定合理的试通水方案并派人现场指导。
5.5严格执行操作规程及必要的操作人员技术培训
输水管道运行操作规程对安全输水是十分重要的，本操作规程应结合管路结构特点，所装设的各种控制装置的特点及相关水力学理论制定，主要包括:正常运行操作规程（重点是水泵站）；特殊情况下的操作规程（突然停泵后启动，事故状态下的停车、检修后启动充水，各种可能故障的处理）；各种设备的检修、维护管理和定期检修。经常对操作人员技术培训，让他们牢固掌握水力学明知识，水锤特点和防护基础知识，各类设备的结构原理、作用、操作、维护管理办法和要求等。 水锤事故引发的管网爆管破坏时有发生，直接导致了城市停水、停产，严重影响了城市居民的正常工作和生活，在城市、企业供水工作中必须对水锤事故做到防患于未然。
6，结语
最近20余年是伟大中华民族复兴的启动时期，各种张高新产业发展极快，各类城镇与工业企业的供水事业蓬勃发展。高扬程、大流量，长距离、地形复杂的输水管线工程日益增多，各种类型复杂的工业管道也越来越多。因此，如何保证各类泵站管路系统安全运行，免遭水锤破坏，就显得越来越重要和迫切。本论文正是针对长距离压力管道的水锤计算和防护方法进行了研究和比较，认为目前计算水锤计算方法中特征线法最为准确、高效，也便于用计算机进行编程计算。
参考文献
【1】金锥，姜乃昌，汪兴华．停泵水锤及其防护．北京：中国建筑工业出版社。1982．
【2】黄卫军．泵站水力过渡过程试验研究．【硕士学位论文】，2003，3．
【3】金锥，姜乃昌，汪兴华．停泵水锤及其防护．北京：中国建筑工业出版社，1982：1-31．
【4】【美]EB怀特，VL斯特里特．瞬变流．北京：水力电力出版社，1983．
【5】姚青云．泵站水锤两阶段关闭调节防护．宁夏农学院学报，1997，l：36-39．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。