第七节　水锤计算

一、概述

（一）为什么要进行水锤计算

在压力管道中，由于水流外界条件变化引起管道流速变化，造成管路中压力迅速交替升降的现象，称为水锤。

由于流速和压强的迅速变化引起的水锤现象，使管网产生强烈振动、噪声和气穴，甚至管道受到破坏。因此，在压力管网设计时，应该进行水锤计算，以判定水锤引起的最高压力和最低压力是否超出允许的范围，以便采取相应安全措施，保证系统安全运行。

（二）喷微灌系统水锤发生的原因

在喷微灌系统中，水锤产生一般有下列情况：

（1）水泵启动时产生的启动水锤。

（2）关闭阀门产生的关阀水锤。

（3）停泵产生的停泵水锤，尤其是事故停泵水锤可能危险性最大。

水锤压力的大小取决于流速变化大小和变化快慢，并与水流边界条件密切相关。当喷微灌工程设计时，是否需进行水锤计算，以及选定计算工况，都需通过分析确定。根据经验，下列情况一般需进行水锤计算：

（1）输配水管道布置有易滞留空气和可能产生水柱分离的部位。

（2）阀门开闭时间小于水锤波传播的一个往返周期（水锤相时）。

（3）对于设有逆止阀（或单向阀）的上坡干管，应计算事故停泵的水锤压力；没有逆止阀（单向阀）的，应计算事故停泵水泵机组的最高反转转速。

（三）水锤防护措施

下列情况管道应采取相应的水锤防护措施：

（1）水锤压力超过管道承压能力；

（2）水泵最高转速超过额定转速1.25倍；

（3）管道水压力接近汽化压力；

（4）《微灌工程技术规范》（GB/T　50485—2009）的规定，“当计入水锤后的管道工作压力大于塑料管允许压力的1.5倍或超过其他管材试验压力时，应采取水锤防护措施。”

二、水锤计算参数

（一）水锤波传播速度

水锤波传播速度由式（5-39）计算。

关于式（5-39）的说明：在不同的文献中，公式分子有两种取值，有的采用“1435”，有的采用“1525”。例如，《微灌工程技术规范》（GB/T　50485—2009）中采用“1435”，而在《喷灌工程技术规范》（GB/T　50485—2009）中采用“1425”。经查证，当水温10℃时为1435；当水温低于10℃时，在同样压强条件下，则此值减小，有文献建议采用1425（吴持恭主编《水力学教材》下册，高等教育出版社，2012年第四版）。考虑到灌溉水的温度一般高于10℃，故本书采用前者。

（二）水锤相时

水锤波在管中来回传播一次所需的时间称为水锤相时。

（三）管道特性常数

（四）管道中水柱惰性时间常数

式中　Tb——水锤惰性时间常数，s；

其余符号意义同前。

三、关阀水锤压力计算

下面对关闭阀门水锤计算作简要分析介绍。对于事故停泵水锤计算比较复杂，如有必要，可参考相关文献。

关闭阀门的速度和管道长度对产生的水锤性质和水锤压力大小关系极大。若以Ts表示关阀历时，则：

当Ts≤u时，称为瞬时关阀，其所产生的水锤称为直接水锤。

当Ts＞u时，称为缓慢关阀，其所产生的水锤称为间接水锤。

《喷灌工程技术规范》（GB/T　50085—2007）的规定，时，可不验算关阀水锤压力；《微灌工程技术规范》（GB/T　50485—2009）的规定采用聚乙烯管材时，可不进行（关阀）水锤验算，其他管材当关阀历时大于水锤相长的20倍时，也可不验算关阀水锤。

（一）瞬时关闭管道末端（下游）阀门的水锤计算

瞬时关闭管道末端（下游）阀门，在阀门前产生的最大压力：

其余符号意义同前。

（二）缓慢关闭管道末端阀门的水锤计算

当缓慢关闭管道末端阀门时，在阀门前产生的最高压力水头按式（5-44）计算。

（三）瞬时关闭水泵出口阀门水锤计算

瞬时关闭水泵出口阀门时，阀门后产生的压力水头计算如下。

1.最小压力水头

2.最大压力水头

（四）缓慢关闭水泵出口处阀门水锤计算

缓慢关闭水泵出口处阀门，阀后产生的压力水头：

【计算示例5-7】

某喷灌系统主干管直径280mm，内经D＝262.8mm，壁厚8.6mm，流量Q＝150m3/h，阀门前初始水头为25m，管道长度L＝250m。要求计算末端阀门1s、关闭后流速为初始流速的1/2倍和0倍时和5s关闭阀门时阀门前水锤压力。

解：

（1）计算管道初始流速：

（2）计算关阀后速度：

当为初速度1/2倍时，

当为初速度0倍时，v1＝0

（3）计算水锤传播速度：

取常温时水的体积弹性模数K＝2.025GPa；查表5-5聚氯乙烯管纵向弹性模量E＝2.8GPa；管径D＝0.263m；管壁厚度e＝0.0086m；管材系数c＝1，代入式（5-39）：

（4）计算水锤相时，按式（5-40）计算水锤相时：

（5）水锤压力计算。

①关阀时间1s小于水锤相时的瞬时水锤按式（5-43）计算阀门前产生的水锤压力：

②关阀时间Ts＝5s大于水锤相时u＝1.7s缓慢关闭出口阀门按式（5-42）计算水锤惰性常数：

按式（5-44）阀门前水锤压力：

上面论述和计算示例表明，关阀情况产生的水锤压力大小与管道长度、阀门启闭速度、启关阀门后的流速等因素有密切关系。阀门启闭速度越快，管道长度越大，启闭阀门后流速越大，产生的水锤压力越大。因此，在喷微灌系统运行中，控制输水干管阀门的启闭速度是防止产生过高水锤压力的关键。对于采用人工启闭阀门的喷微灌系统，只要设计合理，配置必要的安全调节设备，并遵循正确的操作程序，一般可把水锤压力控制在安全的范围内。由此可以认为，尽管有压管网水锤是不可避免的，但不是每一处喷微灌系统都必须进行水锤计算。

目前，大多数喷微灌的文献在论述喷微灌系统水力计算时，只给出直接水锤计算公式是不全面的。在喷微灌工程设计中，进行管网水锤计算时，首先应分析确定计算工况；然后，针对不利工况进行水锤计算。