重力輸水

重力輸水又稱自流輸水。用無壓管渠借管底坡度以重力流力式輸水。適用於水源位置於水廠(或給水區)，例如自水庫取水，克根據地形和地質條件，採用重力管(渠)輸水。當用水渠輸水時，又有敞開的明渠和有頂蓋派的暗渠之分。

基本介紹

• 中文名：重力輸水
• 外文名：Gravity water
• 學科：土木工程
• 領域：建築工程
• 領域：水資源
• 別稱：自流輸水

簡介

隨著重力輸水系統的不斷增多，人們對其研究也不斷地深入，其現狀與存在的問題如下：①主觀輕視：與泵系統相比重力輸水相對傳統，工程規模小，主觀存在簡易的錯覺。因此在初期的工程當中存在明顯的“功課不足”的問題。主要表現為：流速過快（2.5～3.0 m/s）， 流量波動較大， 可能出現突發的爆管。②經驗不足：由於時間、投資、地形等限制，在設計中，習慣水泵輸水計算（阻力為主導因素，決定揚程）的設計人員往往不能熟練掌握重力流水力計算（水頭為主導因素，決定阻力與流量），在下坡段局部突起部分，可能會出現半管流、虹吸等情況，但設計階段並未發現，使得實際運行過程中出現流量變化。③控制不當：過分注重關閥水錘的水力計算，而疏於對水錘的本質理解，造成教條性的操作失誤，引起水力激盪，甚至管線的破壞。④不加控制：對長距離輸水管線無控制的變化流量，使管道長期處於壓力陡變狀態。因此，對重力輸水系統進行安全性分析和考慮是非常必要的。

基本原理及理論思想

無論是長距離重力輸水還是水泵輸水，單從安全的角度講，宜採用恆定流的供水方式，即從甲地到乙地供水周期穩定，流量儘可能保持不變。但由於對項目的“經濟效率”的重視，使得越來越多的系統末端直接與用戶連線，流量處於不斷變化中。客觀上，國內管材、附屬檔案、設備等已經達到變流量長距離輸水的基本要求，可以完全實現系統的調節功能，但是主觀上還缺少認識和掌控。

1. “開放式”長距離輸水的運行特徵

結合工程實例對變流量長距離輸水特性進行分析說明，西北地區某輸水工程，管線長約十多公里，中間有支線分出，但分出水量很少。起始端1km管徑為800mm，其餘管徑均為600mm。末端為一工業水池，用水量變化較大。

如果管線覆設得異常完美，則會出現近一半管段的“虹吸”工況，即系統在後段的高點段產生虹吸供水工況，此時管線中流量將非常大，可達到設計流量的4倍之多。

然而，理論上的長距離虹吸現象難以實現，同時，實踐當中必須避免的工況。因為有太多基礎原因會造成系統虹吸的破壞，或者系統本身的破壞。實際工況下，由於空氣閥的套用，系統不會出現局部的“虹吸”，在此工況下，“自由流量”也是非常大的，大約是設計供水量的3倍之多。而末端用戶之前的背壓幾乎在140m水頭與數米水頭之間的變化，相應的流量變化將異常劇烈。假設最小流量幾乎為零時，末端水池前端的閥門背壓大約為140 m；而如果下一時段需水量增加，此時一旦打開閥門，在如此高壓差的工況下，實際過閥流量將遠遠超過需水量本身，甚至超出想像。反之，關閥的末段時刻會出現流量劇變，這可能會帶來安全隱患（壓力波動）。管線距離越長，引發的壓力波動將越大。

當然，實際工況下由於末端水池有一定的貯水量，開關閥門的操作存在一定的直觀經驗，所以文字敘述的所謂“劇烈變化”可能不太會被觀察到或者重視到，但當考察系統的流量記錄時，會發現如下雜亂無章的曲線。該曲線印證了上述的闡明，該系統的流量變化是巨大的，由零到系統極限。

2.水錘以及預防水錘的必要條件

系統的壓力變化正比於流量變化，流量變化越大，壓力波動也就越大。當系統流量變化與時間成簡單的一次線性關係則運行穩定，即在單位時間內流量均勻變化，而不是急劇的驟然變化，則系統安全。這是控制系統的基本法則。

3.“減壓閥”套用討論

在上述法則指導下，對這樣的系統進行有效控制，使其流量隨時間直線變化。絕大多數工程人員想到了減壓閥調節，即通過對壓力的控制來保護系統。遺憾的是首推的減壓閥方案並沒有解決問題。系統隨之出現了爆管以及減壓閥閥後水柱拉斷的現象。

減壓閥閥後水柱拉斷：現場人員有時會發現減壓閥在某些工況下無法調壓。因為此時閥後壓力為零，閥後水流被拉斷，減壓閥不得不全部打開——減壓閥全部失去應有的調壓功能。而此時系統並不因為減壓閥的設定而變得更安全，仍舊隱患不斷，系統脆弱依舊。其原因便是開放式系統的流量不由減壓閥來控制，而更加取決於需水量，即末端用水量。

系統水源的供水不像水泵那樣可以隨管道阻力變化而靈活地調整，它的供水驅動能力只來自於高差，需水量大時系統在高差作用下供應相應的水量，同時壓力線下降；需水量小時，壓力線上升。水源水位無從控制。

在最大用水量的工況下減壓閥只起到降低閥後壓力的作用，閥後壓力因水量增大而減少時，減壓閥只能不斷開啟來滿足需水量；如果減壓閥的反應較慢，閥後的壓力下降較快，會出現閥後水柱“拉斷”的無控制現象。此時，減壓閥將失去其功能。

因此，此處減壓閥並不能進行有效的控制，系統的流量依然決定於管線中需水量（即自由流量），用戶均有機會得到比設計流量更多的水量，系統依然在自流的狀態下工作，流量變化依然劇烈，壓力波動也非常大，這便是爆管的真正原因——減壓閥並沒有對類似系統的危險進行有效防預。因此，“開放式”重力流系統當中，單獨減壓閥措施是於事無補。

4.系統控制思路初探

其控制目標為：①儘量讓壓力線降低，使系統在較低的力下工作；②系統流量不超過設計流量。為了滿足上述要求的，套用調流閥（限流），或者稱為流量控制閥，即在限定最大流量的前提下，像水泵供水系統中的水泵根據流量或壓力來調節系統。這是系統控制的關鍵所在。

其控制方式與熟悉的水泵控制相類似，可分幾個流量階段進行控制，也可如變頻水泵一樣進行流量變化的連續控制。一旦對流量變化進行有效的控制，阻止自由流的工況出現，系統就有可能得到有效的保護。

儘管流量控制閥與減壓閥控制結果看似相同——降低系統壓力，但流量控制閥與減壓閥有著本質的區別。減壓閥僅控制閥後壓力，而閥後壓力由用水量決定，因此減壓閥是被動的控制，能否進行減壓取決於系統自由工況的轉變；流量控制閥則通過對流量控制，間接地控制閥前壓力（即閥前系統壓力線），系統並不能決定流量，更不會出現隨意的自由流工況，而決定流量的是閥門本身，因此其為真正主動型控制。

流量控制的方案

1.全線自動化監控

如在全線均有監控裝置，各調壓點均有流量、壓力的反饋，則各調節點可以進行有效的流量控制，並通過控制系統自動完成流量的變化調節。從上至下，調節閥布置依次可以是：調流閥-調流閥-調流閥。

2.半自動化臨近

如線上只有局部管段可以進行監控，則在臨控段（一般是管線末端）可以進行有效的流量調節，其他上游的調節點可以為自動調節的液力式減壓閥。調節閥布置依次可以是：減壓閥-減壓閥-調流閥。此時，隨著末端調流閥的調節，其上游的減壓閥會感應到閥後的變化，隨即跟隨調節，並影響更上游的第一級減壓閥。通過減壓閥的自動感應調節完成全系統的即時變化。

3.液力自行控制（無自動化參與）

如果系統沒有自動化的參與，全部由系統自身的調節來完成每一次流量變化，可以在末端設定限流型的浮球閥、或者帶有流量控制的可以分段關閉的開關閥。調節閥布置依次可以是：減壓閥-減壓閥-調流型末端浮球、開關閥（水力控制閥為宜）。

4.其他形式

在類似的系統當中，在系統健全的監控的前提下，也可以從上至下做如下的選擇“調流閥-持壓閥-持壓閥”的設計思路。

該方案的優點是：從管線的起端進行控制，後續的閥門如發生卡死不調節等事故，系統壓力線只會下降而不會上升，安全性更高。缺點是：要求末端的運行參數及時進行數據反饋，以防止產生水力滯後現象（流量的變化從上游到下游有一定的時間）。

安全措施建議

系統的安全措施應該是綜合的、整體的。

1.閥門的調節過程

閥門的調節過程必須是“流量與時間”的直線形關係，閥門只有在其局部阻力與管線的沿程阻力抗衡的情況下，其調節參數才可能發生變化，所以一般來說，閥門關閉的最後30%開啟度才是流量變化的真正階段，該段的調節必須有序地進行，或者用自動控制系統進行干預，或者人為地看著閥前壓力表進行規範操作。

同時，管線上不同段的兩個閥門若步調一致地關閉，所引發的壓力波動則變得更少。如果能從水源地直接控制起端閥門的關閉，則可以最大限度保護系統。

與此同時，所有調節閥應均附帶“防水錘關閉自診斷”功能，即可以自動感應閥前壓力的升高，控制閥門關閉過程，使其在任何調節過程都不會出現突然的壓力波動。

2.管線的流量限制

管線必須對過流量進行限制，不可以讓系統從零流量至最大值之間頻繁變化。在開放式輸水系統當中，設計流量的限制或實踐當中得到的最大流量限制是必須的。縮小流量的變化程度，並在控制過程當中確保系統流量與時間的變化成直線形關係。在管線的初始端或第一個調節點，閥門可以有選擇地進行持壓處理，即閥前壓力如果隨著閥後用水量過大而下降得過低，閥門將自行關閉。這樣的作用是：①在起始端發揮限流作用；②如果管線後段出現爆管，流量過大時，閥門可以自行關閉。

3.減壓閥的安裝

減壓系統前須設定管道過濾器。減壓閥宜大小並聯設定，口徑較小的減壓閥設定值略高，口徑較大的減壓閥設定值略低。在現實當中兩個減壓閥可以自動地互為切換：大流量時，大減壓閥自動投入運行；小流量時，“懶惰的”水流將會自動選擇設定值較高的小減壓閥過流，從而延長減壓閥的工作壽命。

應當說明的是：兩個減壓閥不可設定相同的閥後壓力設定值，否則會出現奇怪的“水力共振”現象，兩個閥門將失去控制功能，閥後系統壓力將不穩定。減壓閥組之後宜設定安全泄閥，以便在減壓閥失靈的事故工況下，閥後壓力升高時，通過泄流來達到保護閥後管道系統的作用。同時也可起到報警作用。

4.安全泄壓的作用

安全泄壓閥（亦稱：超壓泄壓閥）在重力輸水過程當中扮演著保護系統的重要角色。但是實踐發現：安全泄壓閥可以防止系統供水過程當中正常的壓力升高，但不能防範水錘。水錘的發生速度極快，以接近音速在管道內傳播，這與系統當中由於流量緩慢變化而產生的較為緩慢而持續的壓力升高的現象有著本質的區別。世界上沒有一台自立式的安全泄壓閥可以在很短的時間內打開。

真正能起到防範關閥水錘（重力流當中普遍的水錘形式）的方式往往非常昂貴，比如常規的調壓塔等措施。當然，也可以考慮將安全泄壓閥與管線中的閥門進行聯鎖，通過計算決定安全泄壓閥開啟點，比如當主線閥門在關閉10%時，安全泄壓閥隨即打開。如此達到及時開啟的目標。

5.安全監控

重力流系統如果能夠得以全方面的監視控制，將是最好的安全保證。即在運行當中，操作者心裡有數，明確任務以及特點。特別是在已掌握的大量數據進行分析回歸之後，甚至可以預知下一時段可能出現的問題。這將是下一步工程需要全面考慮的。在一些非常重要、或者不利的管段，亦可以考慮兩級或以上監控處理措施，如在金屬管道中首先用遠傳的測漏設備進行較大範圍的預警，再附助正常壓力、流量等數據監控及分析，以提高系統安全等級，確保系統理想運行。

6.即時調節

該種調節適用於“封閉型”重力輸水工程，可以避免重力流輸水經常出現的低流量時系統壓力升高的工況。即時調節是根據流量的變化，在確保管網控制點壓力不變的情況下，對管線進行隨時的調節。在高流量時達到要求的系統壓力，低流量時亦相應地調低系統壓力，使得系統在優良的工作條件下運行，節水並消除隱患。

總結

在“開放式”重力流系統中，由於系統本身的特點造成在輸水過程中可能存在一定的安全隱患。但是，由於以前的泵系統的設計習慣以及認識的不足，造成現階段很多人對其的安全隱患不能引起足夠的認識。

發生事故後，尋找事故原因時必須進行綜合化考量，不能以點代面，即必須從系統本身及運行特徵著手，深入了解，詳細計算，進行多層次的歸納總結，多管齊下。單一方向的思考方式，比如：單純的水錘研究、簡單的閥門操作時間、苛刻的空氣閥特性參數、隨意的減壓需求等均可能使思維變得狹窄模糊，與真相愈走愈遠，不能回歸系統運行的本真，從根本上解決一些潛在的問題。對於可能存在的安全隱患，不能僅僅從簡單的水錘問題簡單的考慮和分析，需要對實際的情況進行具體的分析，通過各種不同的方式對流量進行控制，從而保證系統的安全。