长距离管道输水工程的安全性及水锤危害防护技术
中国市政工程华北设计研究总院顾问总工 陈湧城
我国幅员广阔，水资源、人口分布和经济发展皆不均衡。改革开放以来经济发展迅速，人民生活水平的提高和城镇化建设加快使需水量骤增，原来缺水的西北、华北、东北地区与经济发达的东南沿海地区水资源更短缺，目前已形成史无前例的长距离输（调）水高潮。已建成知名大型长距离管道输水工程如表1。
表1 长距离管道输水工程
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名称
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规模
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管材、管径、长度
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工作压力（Mpa）
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| 哈尔滨磨盘山水库供水工程 |
90×104m3/d
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PCCP：2×DN2200、l=176.2km |
0.6、0.8、1.0
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| 南水北调(中线)北京段供水工程 |
自流20m3/s
加压提升50m3/s
加大流量60m3/s
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PCCP：2×DN4000、l=56.4km |
0.4、0.6、0.8
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| 辽宁大伙房水库输水工程 |
一步327×104m3/d
二步504×104m3/d
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PCCP：2×DN3200、l=32km
2×DN2400、l=122.6km
RPMP：DN1800、l=31.7km
DN1400、l=45.4km
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0.4、0.6
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| 广州西江供水工程 |
近期250×104m3/d
远期350×104m3/d
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PCCP：2×DN3600、l=46.6km
DN3200、l=8.39km
DN2400、l=12.85km
2×DN2000、l=2.62km
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0.4、0.6
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近期在建长距离管道输水工程也很多，如南水北调（中线）输水工程河南省、河北省及京津地区配套工程，辽西北输水工程等。长距离管道输水工程基本都以解决城市用水为主，其工程特点为规模大、距离长、管径大，工作压力为0.4～1.0Mpa，主管材多选用预应力钢筒混凝土管（PCCP）。为推动长距离管道输水工程健康发展，针对国内工程现状和长距离管道输水的特点，拟在保障工程安全，尤其在水锤危害防护技术方面进行探讨和研究。
1 输水工程水质、水量、水压的可靠性
长距离管道输水工程应连续不断地向城镇供应符合《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）并满足用户需要的水量和压力，在管道事故期间需保证供水量也不应低于设计水量的70%。
供水系统采用多水源或工程设置了调蓄设施并能保证事故期间供水量达到设计水量70%以上时，可采用单管；否则应采用2条以上输水管道，并应在管道之间设置连通管，保证在其中一条管道事故时，仅关闭事故段管道，管道系统供水量不低于设计水量70%以上。设置连通管需增加投资，大口径管道连通管配备的阀门操作困难，因此建成多水源供水系统是今后的发展方向。
2 管道设计内水压力合理取值
管道承受的荷载种类很多，但最复杂、最重要的是合理的确定管道设计内水压力。国内外工程界在确定内水压力时，都要研究工作压力、瞬时（水锤）压力、试验压力，区别仅在荷载组合方式和荷载系数的取值方面不尽相同。工作压力是最基本的荷载，瞬时压力和试验压力的取值也往往与工作压力相关。
（1）工作压力应根据工程设计水量、加大流量、小流量、事故供水量（重力流应考虑静水压）等各种可能出现的运行工况进行水力计算，绘制出管道的最大内水压力包络线，再结合管道纵向布置分段确定。
（2）瞬时压力应对输水工程采用了水锤防护措施情况下，进行非稳定流（暂态）水力过渡过程分析计算，选取瞬时压力为0.3～0.5倍工作压力和相应的水锤防护措施。
（3）试验压力可根据管道相关的施工验收规范规定选择。
我国《给水排水管道结构设计规范》（GB50332）规定以工作压力为基础，考虑和协调瞬时压力与试验压力，对工作压力增加一定富裕量来确定设计内水压力标准值。国外多采用分别列出工作压力、瞬时压力、试验压力，结构设计按照不同工况进行荷载组合。
3 预应力钢筒混凝土管（PCCP）关键技术研究
PCCP已成为国内长距离输水工程的主管材，现国内制管厂家颇多，设计执行标准不统一。
3.1 PCCP设计、制造验收标准的采用
我国在20世纪80年代中期由美国引进PCCP制管技术和设备，设计采用《预应力钢筒混凝土压力管设计标准》（ANSI/AWWA C304），产品采用《预应力钢筒混凝土压力管》（ANSI/AWWA C301）标准制造。2002年国内制定中国工程建设标准化协会标准《给水排水埋地管芯缠丝预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管管道结构设计规程》（CECS140:2002）,又在2011年修定为《给水排水工程埋地预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管管道结构设计规程》（CECS140:2011）。另外行业标准《城镇给水预应力钢筒混凝土管管道工程技术规程》已完成报批稿。《预应力钢筒混凝土管》（GB/T 19685）产品标准也在2005年颁发，已被普遍采用。
PCCP设计标准的采用现在有三种方式。第一种方式仍沿用ANSI/AWWA C304标准；第二种方式采用国内标准CECS140:2011；第三种方式ANSI/AWWA C304标准与标准CECS140:2011并用，并规定国内外两个标准都应满足。
设计标准ANSI/AWWA C304与国内标准CECS140:2011均采用极限状态设计方法，仅在荷载计算方法、工况组合方式、内力分析及截面计算等方面存在差异。选取若干等直径PCCP管段，采用相同的内水压力与外荷载，依据ANSI/AWWA C304标准UDP V1.8版程序和CECS140:2011规定分别计算，计算出配筋成果相近，总体上按照CECS140:2011标准计算出配筋略多，但一般不超过5%。广州西江引水工程采用DN3600PCCP，结构设计规定执行ANSI/AWWA C304与CECS:2011两种规范，管道结构计算成果经过第三方有设计资质单位验算，证明上述结论的可靠性。
ANSI/AWWA C304计算方法非常复杂,PCCP-E的一个断面需要计算14种工况，而CECS140:2011仅需计算4种工况，在结构计算时与之配套相关规范的应用也方便，预应力钢筒混凝土管设计规范国产化是大势所趋。
PCCP的施工安装验收普遍采用《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268-2008）。
3.2 PCCP耐久性探讨
3.2.1PCCP防腐蚀机理
PCCP是由混凝土管芯、钢筒、预应力钢丝和水泥砂浆保护层组成的承插式复合管。外层砂浆层厚20 mm，强度不低于45 Mpa，吸水率平均值不超过9%，单个值不超过11%。吸水率是检验和保证水泥砂浆层密实性的重要指标。
PCCP外层水泥砂浆一方面隔离了钢丝与腐蚀介质的直接接触，保护了钢丝，另一方面砂浆层中硅酸盐水泥中的纯石灰与水反应生成PH>12.5的氢氧化钙，在高碱性环境中金属钝化形成的氧化铁保护膜，能更有效的保护预应力钢丝。因此一般条件下埋地PCCP耐久性能够保证。
3.2.2埋设在腐蚀环境中的PCCP应采取保护措施
长输管道工程为线性工程，埋设环境千变万化，应特别关注埋设PCCP水和土的腐蚀性。判别埋设PCCP水和土腐蚀性的第一步测量土质电阻率，AWWA《混凝土压力管手册》M9规定土质电阻率小于15Ω.m为腐蚀环境。第二步对腐蚀性环境水、土再进一步的测量腐蚀性盐类含量，并根据腐蚀盐类种类和含量采取相应保护措施，其做法见表2。
表2 腐蚀环境及安全措施
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名称
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腐蚀环境性质
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采取保护措施
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氯离子
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潮湿环境下C1-＞1000mg/L |
1.砂浆外层采用隔离层；
2.管材需安装电流连接装置，进行腐蚀监测。
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| 干湿交替环境下C1-＞150mg/L | ||
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硫酸盐
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水溶性硫酸盐含量＞2000mg/L环境下 | 管材制作采用铝酸钙[Ca3(AlO4)2]含量＜5%水泥。 |
| 水溶性硫酸盐含量＞5000mg/L环境下 |
1.管材制作采用铝酸钙[Ca3(AlO4)2]含量＜5%水泥。
2.管道外层砂浆采用隔离措施保护。
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二氧化碳
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水和土壤中侵蚀性CO2含量高时 | 管道外层砂浆采用隔离层保护。 |
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强酸条件
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环境为粘性土，pH＜4时 | 管道外层砂浆采用隔离层保护 |
| 环境为砂性土，pH＜5时 |
3.2.3管道受到杂散电流干扰时，应研究安全保护措施
埋设PCCP附近有电气化铁路、高压输电线路、电解工厂等应考虑外来直流电流引起的电化学腐蚀。PCCP外层采用了保护层的管段，保护层增加了管道绝缘电阻，可有力抵制外部流失的电流流入管道产生电化学腐蚀，如果安装电流连接装置仍能监测到杂散电流时，应采取阴极保护。
PCCP的阴极保护机理与钢管不同，若阴极保护不当会使管道的预应力钢丝发生氢脆性破坏，加速PCCP的腐蚀破坏，起到适得其反的负作用。
美国《预应力钢筒混凝土管道的阴极保护》(NACERP-0100-2004)标准和AWWA《混凝土压力管手册》M9规定下述两项准则有效且安全，已普遍被国内外采用。
(1）阴极极化值至少100mv准则：PCCP中被保护的预应力钢丝应至少阴极极化100mv；
(2）阴极极化电位避免低于-1000mv准则：应避免极化电位（CSE）比-1000 mV更低，防止预应力钢丝的氢蚀及脆化破坏。
3.2.4电磁探测和声发监测技术可有力保证管道运行安全
自1987年始，国内已,敷设一万余公里以上的PCCP，早期埋设的管道普遍没有涉及防腐蚀保护，随着时间推移，管道安全性日益突出。加拿大开发PCCP的P-wave和Pipe Diver电磁探测技术、Soundprint AFO声发监测技术已成功对世界上最大输水工程——利比亚大人工河PCCP进行了检测。近期利用电磁探测法对国内西北某地区2005年敷设DN2 200长26 km PCCP检测，发现近5%管道出现不同程度的断丝，已经危及管道运行安全。电磁探测和声发监测技术成熟，对已建和在建PCCP管道检测、监测，研究采用断丝爆管预警技术，对管道进行风险管理，保护管道运行安全意义重大。
《城镇给水排水技术规范》（GB50788-2012）强制规定“地下干管其结构设计使用年限不应低于50年”，因此PCCP耐久性应引起设计充分重视，必须认真研究管道埋设环境，采取相应保护措施。
4 水锤危害的防护技术
4.1 压力管道的水锤水力特性
水锤是压力管道中水流速度剧烈变化引起管路压力交替升降的水力冲击现象。发生水锤时管道水流属非稳（恒）定流。压力管道易发生启动水锤、停泵水锤、关阀水锤及伴生的管道断流弥合水锤，其中停泵水锤和断流弥合水锤危害最大。
水锤引起管路瞬时压力升降值很大，国内检测到瞬时压力达到2～4倍工作压力，国外资料提供数值更大，因此必须采取消减水锤危害的防护措施。
4.2 水锤防护机理与防护的安全准则
（1）水锤防护机理可归纳出以下几个方面：控制或减小水流速度的变值；采用水锤波速低的管材；缩短水锤波传播距离，尽快的形成水锤波的反射和干涉；在管道特征点布置泄流降压设施；采用空气垫降低水锤冲击能量等。
（2）水锤防护技术的安全准则：最高压力限制不超过工作压力的1.3～1.5倍；控制管道任何部位不出现水柱拉断；压力流管路离心泵最高反转速不超过额定转速的1.2倍，且超出额定转速持续时间不应超过2 min。
4.3 水锤防护措施
4.3.1 防护设施
（1）双向调压塔（井）。双向调压塔（井）具有在干管出现负压时向管道注水，干管压力超出设定值时，塔内溢流管泄水降压作用。同时具有缩短水锤波传播距离，以便尽快形成水锤反射波和干涉波降低瞬时压力的功能。双向调压塔（井）可设置在管路水柱易拉断的驼峰点、膝点，设定的溢流口标高应略高于正常水位，溢流管道出口应采取防止水流冲刷破坏的消能功。
（2）单向调压塔（池）。单向调压塔（池）可在输水管道系统出现负压时向管道注水消除负压，同时也消减断流弥合水锤撞击产生过高压力。单向调压塔（池）设有单向止回阀，只允许塔中水注入管道，安装位置不受管路高程控制，因此这方面优于双向调压塔。
4.3.2 防护设备
（1）调流阀。调流阀有活塞式、多喷孔调节式、固定锥形式。通过调节阀的开度，控制管道流速，限制瞬时压力值；同时可设定开启和关闭阀的时间，使管路系统尽快形成水锤反射波的干涉，达到消减水锤压力值。
（2）两阶段关闭液压可控阀。两阶段关闭液压可控阀在水泵启动时能够先慢后快地自行开启，事故停泵时又能自动快速地关至某一设定角度，余下的角度则以相当慢的速度关闭。无论在正常启闭水泵过程，或突然断电后的水力过渡过程中，既能消除水锤危害，又不出现大量的水倒流使机泵长时间反转。
（3）空气罐。空气罐是内部充有一定压缩气体的金属罐。新型空气罐内设有橡胶囊，囊内装气体，气体与水隔离。空气罐一般安装在泵站出口管路上，在管道发生水锤管路压力升高时，气囊内气体继续被压缩，起到气垫缓冲作用；当管道内出现压力骤降时，甚至发生水柱分离，囊内压缩空气快速膨胀向管路注水，有效消除水锤危害。
（4）水锤泄放阀、水锤预防阀。水锤泄放阀是水力式自动控制阀，当管道水锤压力超过预先设定值，它将迅速开启泄压，当管道压力降到低于设定值后，它又以可调速度缓慢关闭，不会产生二次水锤危害。水锤泄放阀设置在管路易发生水锤的位置。
水锤预防阀是用现代电子技术和压力传感器代替了水力式低压导阀，它感应第一个水锤低压波，在高压波来临之前阀门即开启，提前预防高压波对管道和设备的破坏。水锤预防阀比水锤泄放阀具有更高的防护等级和更灵活控制方式，适用于对水锤防护要求非常严格的工程。
（5）空气阀。低压进排气阀、高压微量排气阀、真空破坏阀是空气阀的三种基本形式，对其改造和组合可形成更多的种类。消减长输管道断流弥合水锤危害可采用三级排气防水锤空气阀和进气微排空气阀。
三级排气防水锤空气阀是对低压进排气部分改进，在低压排气阀内增设限流盘，将低压排气过程分成低压差时全速排气，较高压差对限流盘起动后减少了排气面积，限制排气速度，也就消减水柱弥合冲击量。进气微排空气阀是利用真空破坏阀自动吸气原理，管道出现负压时可自动高速吸气破坏真空，水柱弥合时大孔口自动关闭，限制高速排气，也就降低了水柱断流弥合撞击，消减水锤压力，残留管道内少量空气通过旁通管上微量排气孔排出。
消减管道水锤的防护设备很多，尚有安全泄压多功能阀、水锤消除器、缓闭止回阀等等。
水锤危害很大，是引发长输管道事故的最重要因素，应认真分析研究长输管道系统水力过渡过程，采取经济可靠的防护技术，复杂重要的工程应采取多级综合防护措施，以保证管道安全运行。
5 管道系统功能性试验
《城镇给水排水技术规范》（GB 50788-2012）强制规定“压力管道竣工验收前应进行水压试验。生活饮用水管道运行前应冲洗、消毒。”
该规定更是保证长输管道质量验收和安全运行不可缺少的重要环节。长输管道水压试验可分段进行，每段管道长度宜采用1km左右，也可根据管道布置、地质、地形、水源等适当放宽。水压试验压力等级可根据所选管材种类按照验收规范规定操作。长输管道水压试验段，可采用允许压力降值和允许渗水量值控制。原水管道通水前应冲洗，生活饮用水管道运行前应冲洗、消毒。
6新建长输管道通水运行
新建管道是未经工程实践检验的空管，首次通水事故较多，因此自充水至转入运行应按下列规定方法操作。
（1）认真研究制定“输水管道工程试通水方案”和“输水管道系统通水应急预案”。
（2）充水管道应具备完整的气体进出、分段泄水、充水小流速操作系统。
（3）管道充水可分成“注水”和“升压”两阶段操作。管道注水可自上而下全段操作，自管道的首端慢慢地注水，在管线的低凹处U型槽段注满水，管道末端有水流出，注水阶段结束。升压阶段宜根据管道布置、长度、操作设施等分段进行，当管道内水压力达到工作压力即结束。
（4）管道充水应采用小流速原则，国内外一般都规定充水流速小于0.3m/s，以保证充水期间管道安全。
（5）管道应采用调流阀，压力流可采用单泵启动以及利用控制阀处小口径旁通管的方法充水，控制充水不超过0.3m/s的安全流速。
（6）管道检修、维修期间运行工况切换可参照上述原则操作。
7 结语
改革开放以来经济迅速发展，带来国内大范围、长距离管道输水工程建设的高潮，工程建设的安全性引起各方面高度关注。长输管道工程应连续不间断向用户供应合格的水质、水量、水压的水，满足生产和人民生活的需要是建设的目标。设计内水压力合理取值，PCCP关键技术尤其水锤危害防护技术研究以及管道系统多功能性试验和新建管道工程通水运行都是保障工程安全，保证用户水质、水量、水压达标的十分重要环节，必须认真研究、认真对待。
