水锤产生的条件、危害及防护措施
水锤简介
水锤又称水击。是指水或其他液体输送过程中，由于阀门突然开关、水泵骤然启停等原因，流速突然变化且压强大幅波动的现象。说的通俗些：突然停电或阀门关闭太快，由于压力水流的惯性，产生水流冲击波，就象锤子敲打一样，我们称之为水锤。
供水管道壁光滑，后续水流在惯性的“帮凶”下，水力迅速达到最大，所以容易造成破坏作用（如破坏阀门和水泵等），这就是水力学中的“水锤效应”，也叫正水锤；相反，阀门或水泵突然开启，也会产生水锤效应，叫负水锤。这种大幅波动的压力冲击波，极易导致管道因局部超压而破裂、损坏设备等。所以水锤效应防护是供水管道工程设计施工中必须要考虑的关键因素。
水锤产生的条件：
1、阀门突然开启或关闭；
2、水泵机组突然停车或开启；
3、单管向高处输水（供水地形高差超过20米）；
4、水泵总扬程（或工作压力）大；
5、输水管道中水流速度过大；
6、输水管道过长，且地形变化大。
7、不规范的施工是给水管道工程存在的隐患
7.1 如三通、弯头、异径管等节点的水泥止推墩制作不符合要求。
按照《埋地硬聚氯乙烯给水管道工程技术规程》规定：φ≥110mm以上管道的三通、弯头、异径管等节点，应设置水泥止推墩，防止管道推移，“止推墩混凝土不宜低于C15级，并现场浇筑在开挖的原状土地基和槽坡上”。有些施工方对止推墩所发挥的作用，引不起足够的重视，他们在管道旁钉个木桩或楔个铁橛充当止推墩，有时水泥墩的体积太小或未浇筑在原状土上，有的止推墩的强度不够，结果管道运行中，止推墩无法发挥作用形同虚设，造成三通、弯头等管件推移错位后而损坏。
举例说明：假设一条φ500×16.8mm的管线上有一个90°的弯头，当管道工作压力0.4MPa时，那么90°弯头处的推力就是：
T=1.57×dn2×Fwd×Sin(a/2)
=1.57×46.642×4×Sin(90/2)
=9658Kg
式中dn:管道内径cm
Fwd:内水压力Kg
a:弯头转角
由此可见，当φ500mm的管线运行压力0.4Mpa时，那么90°弯头处就产生9.6T的推力，如果此处水泥止推墩的强度不够，抗不住9.6T的推力而破碎，此处的弯头在失去止推墩保护的前提下，也会跟着破损；在给水管道事故中，因止推墩不符合要求而导致管件破损的现象相对较多，对此,施工方应给予高度的重视。
7.2 未安装自动排气阀或安装的位置不合理
根据水力学的原理，起伏较大的山区或丘陵，在管道的高点，应设计安装自动排气阀，即使是地形起伏不大的平原地区，也要在挖槽时，人为的将管线设计出起伏，呈循环上升或下降，坡度不小于1/500，在每公里的最高处设计1-2个排气阀。
因为管道在输水过程中，管道中气体会逸出在管道高起部位积累起来，甚至形成气阻，管道中水的流速发生波动时，隆起部位形成的气囊将不断被压缩、扩张，气体被压缩后所产生的压强要比水被压缩后产生的压强大几十倍甚至上百倍，此时，这段存在隐患的管道，可能会导致下列情况的发生：
⑴管道上游通水后下游滴水不见，这是因为管道内的气囊阻断水流，形成水柱分离。
⑵管道内被压缩的气体，压缩到最大极限，急速膨胀，导致管道破裂。
⑶当高处水源的水，利用重力流按一定的速度向下游输送时，急速关闭上游的阀门后，由于落差及流速的惯力，管道内上游的水柱并没有立即停止，它仍按一定的速度向下游流动，此时管道内因无法及时补气形成真空，造成管道被负压吸瘪而破损。
7.3 沟槽与回填土不符合规定
沟槽不合格的情况在山区经常看到，主要是个别地段的石头较多，沟槽的开挖由人工凿成或炸药炸出，槽底严重不平并且有锋利的石头凸出，遇到这种情况，按有关规定，沟槽底部的石块应该清除并铺垫15公分以上的沙土，然后才能铺设管道，可施工人员不负责任或偷工减料，不铺垫沙土或者象征性铺垫点沙土,就直接把管道铺设在石块上面,当回填完毕通水运行后，由于管道本身的重量、竖向土压力、管线上面的车辆荷载,重力叠加,由管道底部一个或几个锋利凸起的石块支撑着,过分的应力集中,管道极有可能会在这个点处硌伤破损并沿着这个点直线开裂,这就是人们常说的“刻痕效应”。
常见的回填不合格,一是用较大的砖瓦石块当回填土直接抛砸在管道上;二是回填后不按《埋地硬聚氯乙烯给水管道工程技术规程》的规定，做夯实处理；一次数九寒冬的季节在东北某省施工，管道安装完毕后，由监狱里服刑的犯人进行回填，回填土都是几十斤重的大冻土块，甭说回填的密度无法保证，仅这几十斤重的大冻土块直接抛砸在管道上，就已经留下不安全因素了，因为PVC-U管道的抗冲击性能与温度有关，温度越高，管材的抗冲击性能越强，温度越低，管材的抗冲击性能越差，所以，《埋地硬聚氯乙烯给水管道工程技术规程》中规定：温度低于-5℃时禁止施工，这样的违章施工，无疑为以后的管道安全运行埋下隐患。
水锤效应的危害
水锤引起的压强升高，可达管道正常工作压强的几倍，甚至几十倍。这种大幅度的压强波动，对管路系统造成的危害主要有：
1、引起管道强烈振动，管道接头断开；
2、破坏阀门，严重的压强过高造成管道爆管，供水管网压力降低；
3、反之，压强过低又会导致管子的瘪塌，还会损坏阀门和固定件；
4、引起水泵反转，破坏泵房内设备或管道，严重的造成泵房淹没，造成人身伤亡等重大事故，影响生产和生活。
消除或减轻水锤的防护措施
对于水锤的防护措施很多，但需根据水锤可能产生的原因，采取不同的措施。
1、降低输水管线的流速，可在一定程度上降低水锤压力，但会增大输水管管径，增加工程投资。输水管线布置时应考虑尽量避免出现驼峰或坡度剧变
减少输水管道长度，管线愈长，停泵水锤值愈大。由一个泵站变两个泵站，用吸水井把两个泵站衔接起来。
停泵水锤的大小主要与泵房的几何扬程有关，几何扬程愈高，停泵水锤值也愈大。因此，应根据当地实际情况选用合理的水泵扬程。
事故停泵后，应待止回阀后管道充满水再启动水泵。
启泵时水泵出口阀门不要全开，否则会产生很大的水冲击。很多泵站的重大水锤事故多在这种情况下产生。
2、设置水锤消除装置
（1）采用恒压控制技术：
采用PLC自动控制系统，对机泵进行变频调速控制，对整个供水泵房系统操作实行自动控制。由于供水管网压力随着工况的变化而不断变化，系统运行过程中经常出现低压或超压现象，容易产生水锤，导致对管道和设备的破坏，采用PLC自动控制系统，通过对管网压力的检测，反馈控制水泵的开、停和转速调节，控制流量，进而使压力维持一定水平，可以通过控制微机设定机泵供水压力，保持恒压供水，避免了过大的压力波动，使产生水锤的概率减小。
（2）安装水锤消除器
该设备主要防止停泵水锤，一般安装在水泵出口管道附近，利用管道本身的压力为动力来实现低压自动动作，即当管道中的压力低于设定保护值时，排水口会自动打开放水泄压，以平衡局部管道的压力，防止水锤对设备和管道的冲击，消除器一般可分为机械式和液压式两种，机械式消除器动作后由人工恢复，液压式消除器可自动复位。
（3）在大口径的水泵出水管上安装缓闭止回阀
可有效的消除停泵水锤，但因阀门动作时有一定的水量倒流，吸水井须有溢流管。缓闭止回阀有重锤式和蓄能式两种。这种阀门可以根据需要在一定范围内对阀门关闭时间进行调整。一般在停电后3～7s内阀门关闭70％～80％，剩余20％～30％的关闭时间则根据水泵和管路的情况调节，一般在10～30s范围。值得注意的是，当管路中存在驼峰而发生弥合水锤时，缓闭止回阀的作用就十分有限.
（4）设置单向调压塔
在泵站附近或管道的适当位置修建，单向调压塔的高度低于该处的管道压力。当管道内压力低于塔内水位时，调压塔向管道补水，防止水柱拉断，避免弥合水锤。但其对停泵水锤以外的水锤如关阀水锤的降压作用有限。此外单向调压塔采用的单向阀的性能要绝对可靠，一旦该阀门失灵，可能导致发生较大的水锤。
（5）在泵站内设置旁通管（阀）
在泵系统正常运行时，由于水泵压水侧水压高于吸水侧的水压，止回阀关闭。当事故断电突然停泵后，水泵站出口处压力急剧降低，而吸水侧压力则猛升。在此差压下，吸水总管中的瞬态高压水即推开止回阀阀板流向压水总管的瞬态低压水，并使该处低水压有所升高；另一方面，使水泵吸水侧的水锤升压也得到降低。这样一来，水泵站两侧的水锤升、降压都得到控制，从而有效地减少和防止了水锤危害。
（6）设置多级止回阀
在较长的输水管路中，增设一个或多个止回阀，把输水管划分成几段，每段上均设止回阀。当水锤过程中输水管中水倒流时，各止回阀相继关闭把回冲水流分成数段，由于每段输水管（或回冲水流段）内静水压头相当小，从而降低了水锤升压。此项防护措施，可有效的用于几何供水高差很大的情况；但不能消除水柱分离的可能性。其最大的缺点是：正常运行时水泵电耗增大、供水成本提高。
应用实例
安康铁路水厂改造工程：
设计水泵扬程80m，地形高差68.4m，设计流量850m3/h，管口径DN400，管长为6.0km,设计流速0.50—1.20m/s,C=980.4m/s,水锤波相长T为12.2s,Ts=2.25T=30s时，理论上，产生间接水锤的峰值为1.34Mpa,安装多功能水泵控制阀后，产生的停泵水锤压力峰值为0.98Mpa；安装普通止回阀停泵水锤压力峰值则为1.88MPa。据现场测试，安装JD745X—10DN400多功能水泵控制阀，缓闭时间为30s时，停泵压力峰值为0.95MPa，小于1.20Mpa，而原配置为电动蝶阀和微阻缓闭蝶阀，停泵压力峰值为1.2～1.4MPa。停泵后水泵最大反转速度为600r/min，与原配置相同。经多处实践使用证明，多功能水泵控制阀具有良好的水锤防护作用。
