王笑飛，崔 寒，劉元元

河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州 450000

1 現(xiàn)有工程情況

南水北調(diào)中線總干渠在J市城區(qū)設(shè)27號、28號2個分水口門，其中27號口門設(shè)計分水流量為4m3/s，年分配水量為9600萬m3，規(guī)劃配套建設(shè)配套水廠向J市提供生活用水。后期由于規(guī)劃變動，配套水廠遷址，為給配套水廠輸水，在原規(guī)劃水廠處新建1座泵站，泵站裝機5臺，4用1備，泵站設(shè)計揚程為28.53m，設(shè)計流量為3.4m3/s。目前該泵站已建設(shè)完成。泵站后接新建DN1800輸水管道3.5km，輸水入新建配套水廠。

遠期情況下，配套水廠規(guī)模達到26萬m3/d，泵站設(shè)計流量為3.4m3/s，口門仍有富裕流量0.6m3/s。因此，決定新建工程從配套管線中取水至新建調(diào)蓄工程，為J市進行生態(tài)補水，并提高其供水保證率。

2 新建工程情況

J市新建調(diào)蓄工程從南水北調(diào)中線總干渠27號分水口門取水，利用配套水廠DN1800PCCP供水管線輸水至J市公路局機械工程處西側(cè)，配套泵站控制閥井下游側(cè)約30m位置。調(diào)蓄湖連接工程于南水北調(diào)27號口門配套輸水DN1800PCCP工程接入，終點為調(diào)蓄湖。連接工程線路近期設(shè)計流量為1.3m3/s，遠期設(shè)計流量為0.6m3/s，為重力自流輸水，采用地埋管道輸水，管道采用K9級DN1200球墨鑄鐵管（DIP）。

3 計算模型

根據(jù)現(xiàn)有及規(guī)劃工程實際布置情況，此次計算模型如圖1所示。

圖1 供水工程模型示意圖

工程從總干渠27號口門A點利用現(xiàn)有DN1800PCCP管道取水，在現(xiàn)狀泵站場地內(nèi)B點分支為兩條DN1800PCCP管道，分別向現(xiàn)狀泵站進水池C點及調(diào)蓄湖E點輸水。由于連接現(xiàn)有DN1800PCCP管道，泵站場地內(nèi)B點至D點仍采用DN1800PCCP管道連接，D點后設(shè)計采用DN1200球墨鑄鐵管。

（1）水位選取。①南水北調(diào)27號口門水位：根據(jù)多年運行資料，南水北調(diào)27號口門水位取105.82m，此水位也作為此次計算的起推水位。②現(xiàn)有泵站進水池水位：根據(jù)最不利工況計算原則，泵站進水池水位取進水池最高水位，即105.39m。③調(diào)蓄湖水位：為計算DE段最大過流流量，根據(jù)調(diào)蓄湖處出水池堰頂確定調(diào)蓄湖水位為103m。

（2）水頭損失。此次計算沿程水頭損失采用海曾-威廉（Hazen-Williams）公式計算：

式中：i為單位管段沿程水頭損失，m/m；q為管段流量，m3/s；dj為管道計算內(nèi)徑，m；Ch為海曾-威廉系數(shù)，與管道材料有關(guān)，此次球墨鑄鐵管道取Ch=130，PCCP管取Ch=130。

此次計算局部水頭損失采用局部水頭損失公式計算：

式中：ζ為局部損失系數(shù)，可參照相關(guān)參數(shù)；ν為管道流速，m/s；g為重力加速度，取9.81m/s2；hj為局部水頭損失，m。

4 管道計算內(nèi)容

27號口門輸水系統(tǒng)屬于長距離多支線復(fù)雜重力流輸水系統(tǒng)，輸水系統(tǒng)干線設(shè)置了穩(wěn)壓措施，支線設(shè)置了多個閥門操作系統(tǒng)，計算內(nèi)容如下：復(fù)核最不利水位下，三通至泵站段管線（以下簡稱水廠管線）及三通至調(diào)蓄湖管線（以下簡稱調(diào)蓄湖管線）的最大流量；復(fù)核最不利水位下，調(diào)蓄湖管線增加調(diào)流調(diào)壓閥限制流量后，水廠管線的最大流量；復(fù)核調(diào)蓄湖管線起點處控制閥門突然關(guān)閉的情況下對調(diào)蓄湖管線的影響；復(fù)核調(diào)蓄湖管線起點處控制閥門突然打開的情況下對水廠管線的影響。

考慮到此次調(diào)蓄湖管線全程壓力較低（全線均小于10m），此次不再進行正水錘復(fù)核，即不再考慮調(diào)蓄湖管線末端閥門關(guān)閉時的水錘工況。

此次計算模擬采用水利行業(yè)廣泛采用的美國Bentley公司出品的Hammer軟件進行計算模擬。

（1）工況一。計算目的：該工況旨在復(fù)核最不利水位條件下（南水北調(diào)水位最低，水廠進水池管線最高的條件下），水廠管線及調(diào)蓄湖管線的最大流量是否滿足設(shè)計要求。

經(jīng)過計算，水廠管線末端泵站進水池流量為2.42m3/s，大于近期規(guī)劃水廠供水流量1.7m3/s，小于遠期規(guī)劃水廠供水流量3.4m3/s。調(diào)蓄湖管線末端出水池流量為1.39m3/s。

（2）工況二。計算目的：該工況旨在復(fù)核最不利水位條件下（南水北調(diào)水位最低，水廠進水池管線最高，調(diào)蓄湖管線增加調(diào)流調(diào)壓閥的條件下），水廠管線是否滿足遠期流量要求，在水廠管線滿足流量要求的條件下，調(diào)蓄湖管線最大流量是多少。

經(jīng)過計算，在調(diào)蓄湖管線完全關(guān)閉的條件下，水廠管線最大引水流量為3.73m3/s，大于規(guī)劃水廠遠期引水水量3.4m3/s；在調(diào)蓄湖管線打開，流量為0.35m3/s流量的條件下，水廠管線引水流量為3.4m3/s，等于規(guī)劃水廠遠期引水水量。

（3）工況三。計算目的：該工況旨在分析調(diào)蓄湖管線首部閥門突然關(guān)閉的條件下，對調(diào)蓄湖管線的影響（負壓復(fù)核）。

經(jīng)過計算，調(diào)蓄湖管線起點處關(guān)閉在滿足前30s關(guān)閉80%，后30s關(guān)閉100%，總關(guān)閥時間≥60s的情況下，調(diào)蓄湖段管線未產(chǎn)生正水錘及負壓。

（4）工況四。計算目的：該工況旨在分析調(diào)蓄湖管線首部閥門突然打開的條件下，對泵站運行的影響。與此同時，該工況即復(fù)核在調(diào)蓄湖管線起點處控制閥門突然打開的情況下對水廠管線的影響，是項目在進行專家評審時，評審專家專門提出來要求進行驗證的，專家當時最擔(dān)心的就是發(fā)生泵站進水池倒流現(xiàn)象。經(jīng)過討論，相關(guān)人員提出對速度這一矢量進行模擬，能夠較為明顯地看出在閥門突然打開的情況下是否出現(xiàn)流速由正轉(zhuǎn)負的情況。經(jīng)過模擬，BC段在閥門打開時流速變化均勻，沒有出現(xiàn)逆流或大的震動，由于時間關(guān)系，且調(diào)蓄湖管線末端有溢流堰限制了最大水位差，故并沒有考慮調(diào)蓄湖管線流量增加對BC段的影響。

經(jīng)過計算，調(diào)蓄湖管線起點處關(guān)閉在滿足前30s打開20%，后30s關(guān)閉100%，總關(guān)閥時間≥60s的情況下，水廠管線內(nèi)流速平穩(wěn)地從1.47m/s降低至1.15m/s，在開閥的60s及閥門完全打開后60～180s內(nèi)泵站管線流速未發(fā)生突變。

5 計算結(jié)論和建議

（1）在增加調(diào)蓄湖管線的情況下，即使情況最不利，即南水北調(diào)水位最低，泵站水池水位最高，調(diào)蓄湖水位最低的工況下，水廠管線依然滿足配套水廠近期引水1.7m3/s的要求且富余量較大。建議水廠遠期擴建之前，可暫時不安裝調(diào)流調(diào)壓閥，近期調(diào)蓄湖引水不影響水廠的正常運行。

（2）在完全關(guān)閉調(diào)蓄湖管線，最不利水位條件下，水廠管線最大引水流量為3.73m3/s，大于規(guī)劃水廠遠期引水水量3.4m3/s；在調(diào)蓄湖管線打開，流量為0.35m3/s的流量條件下，水廠管線引水流量為3.4m3/s，等于規(guī)劃水廠遠期引水水量。建議遠期水廠擴建時，增加調(diào)蓄湖管線首部調(diào)流調(diào)壓閥控制引水流量，且引水流量不應(yīng)大于0.3m3/s，為水廠配套泵站安全運行提供條件或合理安排泵站引水與調(diào)蓄湖引水的分時運行。

（3）調(diào)蓄湖管線首部閥門開啟和關(guān)閉在滿足合理運行曲線的條件下不影響調(diào)蓄湖管線和水廠管線的安全運行，在閥門突然開啟的條件下，泵站進水池入流變化平穩(wěn)未出現(xiàn)倒流現(xiàn)象。建議調(diào)蓄湖管線首部關(guān)閉曲線為前40s關(guān)閉80%，后40s關(guān)閉100%，總關(guān)閉時間≥80s；建議調(diào)蓄湖管線首部開啟曲線為前40s開啟80%，后40s開啟100%，總開啟時間≥80s。

6 結(jié)束語

現(xiàn)在泵站一般采用變頻運行，能輸出一個較為恒定的流量，但是其進水池的水位是從一個啟泵前的靜水位（與南水北調(diào)水位相同）慢慢下降，在與南水北調(diào)水位慢慢拉大之后，其管道流量也慢慢增加，當泵站進水池來水流量等于去水流量時，進水池水位保持穩(wěn)定，即進水池水位與南水北調(diào)水位之差保持恒定（假設(shè)過程中南水北調(diào)水位不變）。但是這是一個變化的過程，對于Bentley Hammer而言，無法對變化的水位進行模擬，即僅用該軟件的邊界條件無法模擬出進水池最終的水位。筆者在計算時，也是采用不斷變化進水池的水位方式試算進水管道的流量，在多次試算后，得出在進水管道與泵站流量相同時記錄當前的水位，希望能起到拋磚引玉的效果。