厦门市的水源连通以补偿调节连通方式为主,即水源之间通过共同的节点实现供水用户的共享,水源间相互补偿调节。为充分利用外调水源,并发挥蓄水工程的调蓄作用,实现以蓄补引、多源互补、丰枯调剂,全市城镇形成了水源连通互济的供水网络。本工程为莲花水库和汀溪水库的连通输水管道,是厦门市水源连通的重要组成部分;采用双向供水模式,供水规模为双向30万m³/d;管道设计工作压力为0.31MPa;管道总长度4.8km,管道布置和设计见图1。

　　 汀溪水库正常水位70.66m,死水位39.26m。莲花水库正常蓄水位25.50m,死水位16.00m。莲花水库泵站设计地坪标高17.00 m,汀溪水库四林泵站调节池最低水位36.00m,最高水位37.55m。根据两个水库的连通方案,从水位高程看,汀溪水库四林泵站调节池的原水有条件重力流输送到莲花水库泵站吸水井,而莲花水库原水必须通过压力提升才能输送到汀溪水库四林泵站。

　　 本工程有两种工况:工况1,莲花水库泵站向四林泵站调节池供水;工况2,四林泵站调节池向莲花水库泵站吸水井供水,水源连通工程系统见图2。系统最低处,即阀门1和阀门2是输水管道运行时压力最大的点,是本工程压力控制点。工况1莲花水库泵站向四林泵站压力供水的水泵扬程为31m,工况2原水重力流输水时水压最大可达21.5 m。为节约投资,输水管道采用单管,可通过阀门1、阀门2的切换来实现四林泵站及莲花水库泵站水源的连通互济。

　　 工况1及工况2稳态运行时系统总水头线分别见图3、图4。

　　 管道末端阀门的关闭方式、操作时间以及各种水锤防护设备的正确运行对管道安全意义重大,故对水锤进行模拟计算是非常重要的。

　　 本工程包含泵站加压系统和有压重力流系统,采用BENTLEY水锤计算软件Hammer V8,主要进行系统最低处的加压工况(工况1)停泵关阀水锤及有压重力流工况(工况2)关阀水锤的模拟计算,建立管道水锤计算模型,输入原水输水管道的基本参数,考察全线管道在计算时间内产生的最高水锤升压值和最低水锤降压值。经过试算及调试,找到经济合理的关阀水锤解决方案。

　　 原水输水管道的基本参数:流量32.4万m³/d,管线长度约4.87km(单管),管径DN1 800,管材采用钢管,水锤波速1 056.07 m/s,管道工作压力0.31 MPa,管道水压试验压力0.50 MPa,管道纵向起伏的高处、纵向同坡向每隔600 m设置1个进排气阀,进排气阀的空气入流直径为DN200,空气出流直径为DN15^[1],管道出水口处均采用活塞式调节阀调节输水管的输送水量、水压,水泵额定效率90%,转速980r/min。按照前面所述的工况1、2的最大工作压力(最不利情况)进行计算,设置系统最低处阀门1、2为调节阀,调节系统的水量及水压。

　　 分别在工况1、2运行状态下,对关阀水锤进行模拟分析,保证水锤发生时,最高水锤升压值不超过管道最大设计工作压力的1.3倍^[1],全管无超过-6.0m的负压,特别是不能发生危害巨大的弥合水锤。

　　 以阀门1在10s内匀速关闭,30s内匀速关闭,60s内匀速关闭以及60s内分两阶段关闭(前20s相对快速关闭80%;后40s内缓慢关闭20%)为操作条件,对停泵关阀水锤模拟结果进行分析。

　　 阀门1在10s内匀速关闭时的水锤模拟如图5所示。图中可以看出,10s内匀速关闭阀门1,管道升压明显。最高水锤压力不超过管道工作压力的1.3倍,但泵站起端管道负压值达到-10.3m,存在弥合水锤的危险。因此需要寻求更好的停泵关阀方案。

　　 阀门1在30s内匀速关闭时的水锤模拟如图6所示。图中可以看出,30s内匀速关闭阀门1,管道升压明显,最高水锤压力不超过管道工作压力的1.3倍,但泵站起端管道负压值仍然达到-10.3m,存在弥合水锤的危险。故需要继续寻求更好的停泵关阀方案。

　　 阀门1在60s内匀速关闭时的水锤模拟如图7所示。图中可以看出,60s内匀速关闭阀门1,管道升压明显,但最高水锤压力不超过管道工作压力的1.3倍,管道负压值为-3.2 m。较前两种速闭工况,管道水锤负压值改善许多,基本消除了关阀水锤,故60s的关阀时间是比较合理的。

　　 阀门1在60s内分两阶段关闭时的水锤模拟如图8所示。图中可以看出,60s内分两阶段关闭阀门1与60s内匀速关闭基本一致,但管道负压值达到-5.0m,较60s匀速关闭阀门更大,因此本工程采用60s内匀速关闭阀门1的方案更为合理、简便。

　　 以阀门2在10s内匀速关闭,30s内匀速关闭,60s内匀速关闭为例,对关阀水锤模拟结果进行分析。

　　 阀门2在10s内匀速关闭时的水锤模拟如图9所示。图中可以看出,10s内匀速关闭阀门2,管道升压明显。最高水锤压力值达到1.83MPa,超过管道工作压力的1.3倍,存在爆管风险,同时管道负压值达到-10.3m,存在弥合水锤的危险。因此需要寻求更好的关阀方案,尽量降低最高水锤压力值,使其在管道设计试验工作压力(0.50 MPa)以下。

　　 阀门2在30s内匀速关闭时的水锤模拟如图10所示。图中可以看出,30s内匀速关闭阀门2,管道升压明显。最高水锤压力值达到1.72MPa,与上述10s内匀速关闭阀门2方案结果基本相同,最高水锤压力值没有得到降低,故需要继续寻求更好的关阀方案。

　　 阀门2在60s内匀速关闭时的水锤模拟如图11所示。图中可以看出,60s内匀速关闭阀门2,管道升压平缓。最高水锤压力值为0.37MPa,较之前两种速闭工况,关阀水锤改善许多,同时管道全程无负压产生,基本消除了关阀水锤,故本工程采用此种关阀方案。

　　 根据以上关阀水锤的模拟分析,管道需要停水检修或工况需要切换时,工况1下采取60s内匀速关闭阀门1,工况2下采取60s内匀速关闭阀门2作为本工程的关阀方案。同时本工程采取其他措施来进一步有效消除关阀水锤。

　　 (1)阀门1、2采用液控蝶阀,能按程序启闭,在正常供电和断电情况下均能自动按照预定时间关闭,可有效消除破坏性水锤,保证管网的安全可靠运行。

　　 (2)本工程进排气阀采用具有高速和微量排气双功能的复合式进排气阀,该阀在充水过程中,无论管内水流处于何种流态,都能够打开大小排气孔高速排气;在管线正常运行过程中,复合式排气阀的大孔关闭,只有小孔在适当的时候自动打开微量排气(只排气不漏水);所有进排气阀在管线处于负压状态时(如泄水检修或由于水锤产生负压时)能够向管内注入空气消除管道内的负压。

　　 (3)在工况1、2的输水管道出水口处均采用活塞式调节阀调节输水管的输送水量、水压;建议制定阀门与水库水位相关联的操作管理规程,并予以制度化,保证沿线水压维持在合理范围内。

　　 (4)重视初次充水,保证初次充水流速不超过0.3m/s,密切关注沿线进排气阀的工作状态,保证其排气通畅^[2]。

　　 本项目通过HAMMER软件对厦门市水库连通工程长距离输水管道进行关阀水锤模拟计算、分析,得出有效的关阀方案,同时采取其他水锤防护设备及操作方法,对长距离输水管道水锤防护的设计及运行管理有一定借鉴意义。