多目标输水过程水锤数值模拟分析

王笑飞，崔 寒，刘元元

河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450000

1 现有工程情况

南水北调中线总干渠在J市城区设27号、28号2个分水口门，其中27号口门设计分水流量为4m3/s，年分配水量为9600万m3，规划配套建设配套水厂向J市提供生活用水。后期由于规划变动，配套水厂迁址，为给配套水厂输水，在原规划水厂处新建1座泵站，泵站装机5台，4用1备，泵站设计扬程为28.53m，设计流量为3.4m3/s。目前该泵站已建设完成。泵站后接新建DN1800输水管道3.5km，输水入新建配套水厂。

远期情况下，配套水厂规模达到26万m3/d，泵站设计流量为3.4m3/s，口门仍有富裕流量0.6m3/s。因此，决定新建工程从配套管线中取水至新建调蓄工程，为J市进行生态补水，并提高其供水保证率。

2 新建工程情况

J市新建调蓄工程从南水北调中线总干渠27号分水口门取水，利用配套水厂DN1800PCCP供水管线输水至J市公路局机械工程处西侧，配套泵站控制阀井下游侧约30m位置。调蓄湖连接工程于南水北调27号口门配套输水DN1800PCCP工程接入，终点为调蓄湖。连接工程线路近期设计流量为1.3m3/s，远期设计流量为0.6m3/s，为重力自流输水，采用地埋管道输水，管道采用K9级DN1200球墨铸铁管（DIP）。

3 计算模型

根据现有及规划工程实际布置情况，此次计算模型如图1所示。

图1 供水工程模型示意图

工程从总干渠27号口门A点利用现有DN1800PCCP管道取水，在现状泵站场地内B点分支为两条DN1800PCCP管道，分别向现状泵站进水池C点及调蓄湖E点输水。由于连接现有DN1800PCCP管道，泵站场地内B点至D点仍采用DN1800PCCP管道连接，D点后设计采用DN1200球墨铸铁管。

（1）水位选取。①南水北调27号口门水位：根据多年运行资料，南水北调27号口门水位取105.82m，此水位也作为此次计算的起推水位。②现有泵站进水池水位：根据最不利工况计算原则，泵站进水池水位取进水池最高水位，即105.39m。③调蓄湖水位：为计算DE段最大过流流量，根据调蓄湖处出水池堰顶确定调蓄湖水位为103m。

（2）水头损失。此次计算沿程水头损失采用海曾-威廉（Hazen-Williams）公式计算：

式中：i为单位管段沿程水头损失，m/m；q为管段流量，m3/s；dj为管道计算内径，m；Ch为海曾-威廉系数，与管道材料有关，此次球墨铸铁管道取Ch=130，PCCP管取Ch=130。

此次计算局部水头损失采用局部水头损失公式计算：

式中：ζ为局部损失系数，可参照相关参数；ν为管道流速，m/s；g为重力加速度，取9.81m/s2；hj为局部水头损失，m。

4 管道计算内容

27号口门输水系统属于长距离多支线复杂重力流输水系统，输水系统干线设置了稳压措施，支线设置了多个阀门操作系统，计算内容如下：复核最不利水位下，三通至泵站段管线（以下简称水厂管线）及三通至调蓄湖管线（以下简称调蓄湖管线）的最大流量；复核最不利水位下，调蓄湖管线增加调流调压阀限制流量后，水厂管线的最大流量；复核调蓄湖管线起点处控制阀门突然关闭的情况下对调蓄湖管线的影响；复核调蓄湖管线起点处控制阀门突然打开的情况下对水厂管线的影响。

考虑到此次调蓄湖管线全程压力较低（全线均小于10m），此次不再进行正水锤复核，即不再考虑调蓄湖管线末端阀门关闭时的水锤工况。

此次计算模拟采用水利行业广泛采用的美国Bentley公司出品的Hammer软件进行计算模拟。

（1）工况一。计算目的：该工况旨在复核最不利水位条件下（南水北调水位最低，水厂进水池管线最高的条件下），水厂管线及调蓄湖管线的最大流量是否满足设计要求。

经过计算，水厂管线末端泵站进水池流量为2.42m3/s，大于近期规划水厂供水流量1.7m3/s，小于远期规划水厂供水流量3.4m3/s。调蓄湖管线末端出水池流量为1.39m3/s。

（2）工况二。计算目的：该工况旨在复核最不利水位条件下（南水北调水位最低，水厂进水池管线最高，调蓄湖管线增加调流调压阀的条件下），水厂管线是否满足远期流量要求，在水厂管线满足流量要求的条件下，调蓄湖管线最大流量是多少。

经过计算，在调蓄湖管线完全关闭的条件下，水厂管线最大引水流量为3.73m3/s，大于规划水厂远期引水水量3.4m3/s；在调蓄湖管线打开，流量为0.35m3/s流量的条件下，水厂管线引水流量为3.4m3/s，等于规划水厂远期引水水量。

（3）工况三。计算目的：该工况旨在分析调蓄湖管线首部阀门突然关闭的条件下，对调蓄湖管线的影响（负压复核）。

经过计算，调蓄湖管线起点处关闭在满足前30s关闭80%，后30s关闭100%，总关阀时间≥60s的情况下，调蓄湖段管线未产生正水锤及负压。

（4）工况四。计算目的：该工况旨在分析调蓄湖管线首部阀门突然打开的条件下，对泵站运行的影响。与此同时，该工况即复核在调蓄湖管线起点处控制阀门突然打开的情况下对水厂管线的影响，是项目在进行专家评审时，评审专家专门提出来要求进行验证的，专家当时最担心的就是发生泵站进水池倒流现象。经过讨论，相关人员提出对速度这一矢量进行模拟，能够较为明显地看出在阀门突然打开的情况下是否出现流速由正转负的情况。经过模拟，BC段在阀门打开时流速变化均匀，没有出现逆流或大的震动，由于时间关系，且调蓄湖管线末端有溢流堰限制了最大水位差，故并没有考虑调蓄湖管线流量增加对BC段的影响。

经过计算，调蓄湖管线起点处关闭在满足前30s打开20%，后30s关闭100%，总关阀时间≥60s的情况下，水厂管线内流速平稳地从1.47m/s降低至1.15m/s，在开阀的60s及阀门完全打开后60～180s内泵站管线流速未发生突变。

5 计算结论和建议

（1）在增加调蓄湖管线的情况下，即使情况最不利，即南水北调水位最低，泵站水池水位最高，调蓄湖水位最低的工况下，水厂管线依然满足配套水厂近期引水1.7m3/s的要求且富余量较大。建议水厂远期扩建之前，可暂时不安装调流调压阀，近期调蓄湖引水不影响水厂的正常运行。

（2）在完全关闭调蓄湖管线，最不利水位条件下，水厂管线最大引水流量为3.73m3/s，大于规划水厂远期引水水量3.4m3/s；在调蓄湖管线打开，流量为0.35m3/s的流量条件下，水厂管线引水流量为3.4m3/s，等于规划水厂远期引水水量。建议远期水厂扩建时，增加调蓄湖管线首部调流调压阀控制引水流量，且引水流量不应大于0.3m3/s，为水厂配套泵站安全运行提供条件或合理安排泵站引水与调蓄湖引水的分时运行。

（3）调蓄湖管线首部阀门开启和关闭在满足合理运行曲线的条件下不影响调蓄湖管线和水厂管线的安全运行，在阀门突然开启的条件下，泵站进水池入流变化平稳未出现倒流现象。建议调蓄湖管线首部关闭曲线为前40s关闭80%，后40s关闭100%，总关闭时间≥80s；建议调蓄湖管线首部开启曲线为前40s开启80%，后40s开启100%，总开启时间≥80s。

6 结束语

现在泵站一般采用变频运行，能输出一个较为恒定的流量，但是其进水池的水位是从一个启泵前的静水位（与南水北调水位相同）慢慢下降，在与南水北调水位慢慢拉大之后，其管道流量也慢慢增加，当泵站进水池来水流量等于去水流量时，进水池水位保持稳定，即进水池水位与南水北调水位之差保持恒定（假设过程中南水北调水位不变）。但是这是一个变化的过程，对于Bentley Hammer而言，无法对变化的水位进行模拟，即仅用该软件的边界条件无法模拟出进水池最终的水位。笔者在计算时，也是采用不断变化进水池的水位方式试算进水管道的流量，在多次试算后，得出在进水管道与泵站流量相同时记录当前的水位，希望能起到抛砖引玉的效果。