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输水管道工程水锤现象分析及防护设计

文档作者：孟宪锋１王瑞慧 1 卢书红１孟晓琳２文档来源： 1. 山东省济南市山东黄河勘测设计研究院 2. 山东省招远市山东省第六地质矿产勘查院		点击数：	更新时间： 2024年06月30日
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收稿日期：
2009-12-05
输水管道工程水锤现象分析及防护设计
孟宪锋
１
王瑞慧
1
卢书红
１
孟晓琳
２
（
1. 250013
山东省济南市山东黄河勘测设计研究院；
2. 265400
山东省招远市山东省第六地质矿产勘查院）
［摘要］介绍了输水管道输送水的过程中引起水锤的几种原因，以及产生水锤的初步分析计算，以便进行泵壳、管道、支墩的强度计
算，以及选配管道、阀件，复核管道的稳定性，选择水泵出口阀门型式、关阀程序。最后提出几种防护措施供选择，以消除输水过程
中水锤造成的破坏。
［关键词］输水管道；水锤；防护设计
［中图分类号］
Ｆ４０７
［文献标志码］
Ａ
［文章编号］
１００３－１３２４
（
２０10
）
－０２－００69－０4
0
引言
水锤又称水击。水（或其他液体）输送过程中，由
于阀门突然开启或关闭、水泵突然停车、骤然启闭导
叶等原因，使流速发生突然变化，同时压强产生大幅
度波动的现象。长距离输水工程应进行必要的水锤
分析计算， 并对管路系统采取水锤综合防护计算，根
据管道纵向布置、管径、设计水量、功能要求，确定空
气阀的数量、型式、口径。
1
水锤发生的原因与分类
1.1
引起水锤过程的原因
（
1
）启泵、停泵、用启闭阀门或改变水泵转速、叶
片角度调节流量时；尤其在迅速操作、使水流速度发
生急剧变化的情况。
（
２
）事故停泵，即运行中的水泵动力突然中断时
停泵。较多见的是配电系统故障、误操作、雷击等情
况下的突然停泵。
1.2
水锤破坏主要的表现形式
（
１
）水锤压力过高，引起水泵、阀门和管道破坏；
或水锤压力过低，管道因失稳而破坏。
（
２
）水泵反转速过高或与水泵机组的临界转速相
重合，以及突然停止反转过程或电动机再启动，从而
引起电动机转子的永久变形，水泵机组的剧烈振动和
联结轴的断裂。
（
３
）水泵倒流量过大，引起管网压力下降，水量减
小，影响正常供水。
1.3
水锤的分类与判别
（
１
）按产生水锤的原因可分为关（开）阀水锤、启
泵水锤和停泵水锤；
（
２
）按产生水锤时管道水流状态可分为不出现水
柱中断与出现水柱中断两类。前者水锤压力上升值
△H
通常不大于水泵额定扬程
H
R
或水泵工作水头
H
０
称正常水锤；后者当水柱再弥合时，水锤压力上升值
较高，常大于
H
R
或
H
0
，是引起水锤事故的重要原因，故
称非常水锤。
所谓水柱中断，就是在水锤过程中，由于管道某
处压力低于水的汽化压力而产生，即，
P
i
/γ＋P
a
／ V≤P
s
/γ
。（
1-1
）。
式中，
P
i
/γ
———管道中某点的压力，
MPa
；
P
a
/γ
———大气压力，
MPa
；
P
s
/γ
———水的饱和蒸汽压力（绝对压力），在常
温下取
2~3 MPa
；
γ
———水的容重。
（
３
）对于关（开）阀水锤，与关（开）阀时间
T
。
直接水锤，
T
c
＜T
γ
。（
1-2
）。
间接水锤，
T
c
＞T
γ
。（
1-３
）。
式中，
T
γ
-
水锤相（
s
），见公式（
1-12
）。
1.4
水锤特征的计算
1.4.1
水锤传播速度
α
对于均质管道输送清水，且不考虑水中所含空
２１
世纪建筑材料
21
st
CENTURY BUILDING MATERIALS
2010
年
4
月
April 2010
第
2
卷第
2
期
Vol. 2 No. 2
２１
世纪建筑材料
2010
气时按下式计算。
α＝
E
0
/ρ
摇
姨
１＋
（
Ｅ
０
／ Ｅ
）（
Ｄ ／ Ｓ
）
Ｃ
１
（
m／ s
）
摇
姨
。
式中，
Ｅ
０
／ ρ
摇
姨
———声音在水中的传播速度
α
，一般取
1 435 m/s
；
E
0
———水的弹性系数，取
2.1×10
8
kg/m
２
；
ρ
———水的密度，取
10
2
kg
·
s
2
/m
４
；
E
———管壁材料的弹性系数；
δ
———管壁厚度（
m
）；
D
———管道内径（
m
）；
C
１
———不同壁厚，不同支承方式的系数。
α＝
１ ４３５
１＋
（
Ｅ
０
／ Ｅ
）（
Ｄ ／ δ
）
Ｃ
１
摇
姨
（
m/s
）。（
1-4
）。
（
１
）薄壁管道
＞25
。
①
管道只在上游端固定时，
C
１
=1-
μ
2
。（
1-5
）。
式中，
μ
———管壁材料的泊松比，对于钢取
0.3
；对于混
凝土取
0.15
。
②
全管道固定并没有轴向运动（如地下埋设管道）
C
１
=1-μ
２
。（
1-6
）。
③
管道采用膨胀接头连接时，
C
１
=1
。（
1-7
）。
（
２
）厚壁弹性管（
D/δ≤25
）
①
只在上游端固定时，
C
１
=
2δ
D
（
１+μ
）
＋
D
D+δ
。（
1-8
）。
②
全管道固定，并没有轴向运动时，
C
１
=
2δ
D
（
１+μ
）
＋
D
（
1-μ
２
）
D+δ
。（
1-9
）。
③
管道采用膨胀接头连接时，
C
１
=
2δ
D
（
１+μ
）
＋
D
D+δ
。（
1-10
）。
对于钢筋混凝土管：
α＝
1435
1+[
E
0
E
D
δ
摇
姨
（
１＋９.5 α
０
）］
Ｃ
１
（
m/s
） （
1-11
）。
1.4.2
水锤相
T
γ
T
γ
按下式计算：
T
γ
=
2L
α
（
s
） （
1-12
）。
式中：
L
———管道长度（
MPa
）；
α
———水锤波速（
MPa/S
）。
1.4.3摇
管道惯性时间常数
T
ω
T
ω
（其意义为管道不计水头损失时流速从
υ
0
加速
到零的时间）按下式计算。
T
μ
=F
i
Q
0
gH
0
Σ
L
i
Ｆ
i
（s）
（
1-13
）。
当管道面积及材料性质沿
L
i
不变时，
T
ω
=
Q
0
L
gH
0
F
=
μ
0
L
gH
0
（
s
） （
1-14
）。
式中，
Ｑ
０
———管道初始流量（
m
３
/s
）；
Ｈ
０
———管道初始扬程（
m
）；
μ
０
———管道初始流速（
m/s
）；
Ｆ
i
———管道面积（
m
２
）。
（注脚
i
代表不同管段和数值）。
1.4.4
管路常数
2ρ
2ρ
按下式计算，

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