第七節　水錘計算

一、概述

（一）為什么要進行水錘計算

在壓力管道中，由于水流外界條件變化引起管道流速變化，造成管路中壓力迅速交替升降的現象，稱為水錘。

由于流速和壓強的迅速變化引起的水錘現象，使管網產生強烈振動、噪聲和氣穴，甚至管道受到破壞。因此，在壓力管網設計時，應該進行水錘計算，以判定水錘引起的最高壓力和最低壓力是否超出允許的范圍，以便采取相應安全措施，保證系統安全運行。

（二）噴微灌系統水錘發生的原因

在噴微灌系統中，水錘產生一般有下列情況：

（1）水泵啟動時產生的啟動水錘。

（2）關閉閥門產生的關閥水錘。

（3）停泵產生的停泵水錘，尤其是事故停泵水錘可能危險性最大。

水錘壓力的大小取決于流速變化大小和變化快慢，并與水流邊界條件密切相關。當噴微灌工程設計時，是否需進行水錘計算，以及選定計算工況，都需通過分析確定。根據經驗，下列情況一般需進行水錘計算：

（1）輸配水管道布置有易滯留空氣和可能產生水柱分離的部位。

（2）閥門開閉時間小于水錘波傳播的一個往返周期（水錘相時）。

（3）對于設有逆止閥（或單向閥）的上坡干管，應計算事故停泵的水錘壓力；沒有逆止閥（單向閥）的，應計算事故停泵水泵機組的最高反轉轉速。

（三）水錘防護措施

下列情況管道應采取相應的水錘防護措施：

（1）水錘壓力超過管道承壓能力；

（2）水泵最高轉速超過額定轉速1.25倍；

（3）管道水壓力接近汽化壓力；

（4）《微灌工程技術規范》（GB/T　50485—2009）的規定，“當計入水錘后的管道工作壓力大于塑料管允許壓力的1.5倍或超過其他管材試驗壓力時，應采取水錘防護措施。”

二、水錘計算參數

（一）水錘波傳播速度

水錘波傳播速度由式（5-39）計算。

關于式（5-39）的說明：在不同的文獻中，公式分子有兩種取值，有的采用“1435”，有的采用“1525”。例如，《微灌工程技術規范》（GB/T　50485—2009）中采用“1435”，而在《噴灌工程技術規范》（GB/T　50485—2009）中采用“1425”。經查證，當水溫10℃時為1435；當水溫低于10℃時，在同樣壓強條件下，則此值減小，有文獻建議采用1425（吳持恭主編《水力學教材》下冊，高等教育出版社，2012年第四版）。考慮到灌溉水的溫度一般高于10℃，故本書采用前者。

（二）水錘相時

水錘波在管中來回傳播一次所需的時間稱為水錘相時。

（三）管道特性常數

（四）管道中水柱惰性時間常數

式中　Tb——水錘惰性時間常數，s；

其余符號意義同前。

三、關閥水錘壓力計算

下面對關閉閥門水錘計算作簡要分析介紹。對于事故停泵水錘計算比較復雜，如有必要，可參考相關文獻。

關閉閥門的速度和管道長度對產生的水錘性質和水錘壓力大小關系極大。若以Ts表示關閥歷時，則：

當Ts≤u時，稱為瞬時關閥，其所產生的水錘稱為直接水錘。

當Ts＞u時，稱為緩慢關閥，其所產生的水錘稱為間接水錘。

《噴灌工程技術規范》（GB/T　50085—2007）的規定，時，可不驗算關閥水錘壓力；《微灌工程技術規范》（GB/T　50485—2009）的規定采用聚乙烯管材時，可不進行（關閥）水錘驗算，其他管材當關閥歷時大于水錘相長的20倍時，也可不驗算關閥水錘。

（一）瞬時關閉管道末端（下游）閥門的水錘計算

瞬時關閉管道末端（下游）閥門，在閥門前產生的最大壓力：

其余符號意義同前。

（二）緩慢關閉管道末端閥門的水錘計算

當緩慢關閉管道末端閥門時，在閥門前產生的最高壓力水頭按式（5-44）計算。

（三）瞬時關閉水泵出口閥門水錘計算

瞬時關閉水泵出口閥門時，閥門后產生的壓力水頭計算如下。

1.最小壓力水頭

2.最大壓力水頭

（四）緩慢關閉水泵出口處閥門水錘計算

緩慢關閉水泵出口處閥門，閥后產生的壓力水頭：

【計算示例5-7】

某噴灌系統主干管直徑280mm，內經D＝262.8mm，壁厚8.6mm，流量Q＝150m3/h，閥門前初始水頭為25m，管道長度L＝250m。要求計算末端閥門1s、關閉后流速為初始流速的1/2倍和0倍時和5s關閉閥門時閥門前水錘壓力。

解：

（1）計算管道初始流速：

（2）計算關閥后速度：

當為初速度1/2倍時，

當為初速度0倍時，v1＝0

（3）計算水錘傳播速度：

取常溫時水的體積彈性模數K＝2.025GPa；查表5-5聚氯乙烯管縱向彈性模量E＝2.8GPa；管徑D＝0.263m；管壁厚度e＝0.0086m；管材系數c＝1，代入式（5-39）：

（4）計算水錘相時，按式（5-40）計算水錘相時：

（5）水錘壓力計算。

①關閥時間1s小于水錘相時的瞬時水錘按式（5-43）計算閥門前產生的水錘壓力：

②關閥時間Ts＝5s大于水錘相時u＝1.7s緩慢關閉出口閥門按式（5-42）計算水錘惰性常數：

按式（5-44）閥門前水錘壓力：

上面論述和計算示例表明，關閥情況產生的水錘壓力大小與管道長度、閥門啟閉速度、啟關閥門后的流速等因素有密切關系。閥門啟閉速度越快，管道長度越大，啟閉閥門后流速越大，產生的水錘壓力越大。因此，在噴微灌系統運行中，控制輸水干管閥門的啟閉速度是防止產生過高水錘壓力的關鍵。對于采用人工啟閉閥門的噴微灌系統，只要設計合理，配置必要的安全調節設備，并遵循正確的操作程序，一般可把水錘壓力控制在安全的范圍內。由此可以認為，盡管有壓管網水錘是不可避免的，但不是每一處噴微灌系統都必須進行水錘計算。

目前，大多數噴微灌的文獻在論述噴微灌系統水力計算時，只給出直接水錘計算公式是不全面的。在噴微灌工程設計中，進行管網水錘計算時，首先應分析確定計算工況；然后，針對不利工況進行水錘計算。