雪靜（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院陜西西安710001）

橡膠壩充排水泵站布置及選型設(shè)計(jì)探究

雪靜
（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院陜西西安710001）

本文通過天水藉河二期程中的充排水泵站，探究了橡膠壩工程中充排水泵站的布置及選型設(shè)計(jì)，以期為類似案例提供借鑒。

橡膠壩；充排水；泵站；選型；水力計(jì)算

1　概況

天水藉河二期工程集防洪、蓄水及景觀美化于一體，規(guī)劃對(duì)左、右岸堤防進(jìn)行達(dá)標(biāo)治理，河道生態(tài)水景觀治理首先建立在左右岸堤防的達(dá)標(biāo)治理基礎(chǔ)上。本工程治理河段全長(zhǎng)9.6km，蓄水區(qū)共布置6座橡膠主壩，泄洪槽進(jìn)口2座副壩，各橡膠壩的主要參數(shù)見表1。

藉河河道縱坡陡，汛期洪水水流速度大，本工程區(qū)上游只有幾座滾水壩，沒有調(diào)蓄滯洪能力，為了充分保證城市防洪安全，在上游發(fā)出超5年一遇洪水預(yù)警后，要求橡膠壩必須快速塌壩排空，以保證河道全斷面行洪。由于橡膠壩不具備完全自流排水條件，且自排時(shí)間長(zhǎng)，一般滿足不了防洪要求，因此，通過修建泵站利用水泵強(qiáng)制抽排，將壩袋內(nèi)部水短時(shí)間內(nèi)排空，滿足河道行洪要求。根據(jù)國(guó)內(nèi)已建橡膠壩工程的統(tǒng)計(jì)，其充壩時(shí)間為2h～3h，坍壩時(shí)間為1h～1.5h［1］。天水藉河二期工程橡膠壩參數(shù)表見表1。

2　站址選擇及方案布置

泵站工程是橡膠壩的控制系統(tǒng)，主要任務(wù)是滿足橡膠壩充水立壩及坍壩排水。結(jié)合實(shí)際地形、地質(zhì)條件及工程特點(diǎn)，橡膠壩充水時(shí)通過水井內(nèi)安裝潛水泵提水立壩，排水時(shí)通過安裝在泵站廠房?jī)?nèi)的離心泵坍壩，即泵站的主要任務(wù)是排水坍壩。根據(jù)工程布置情況，設(shè)計(jì)從泵站水源、運(yùn)行管理及工程投資等方面對(duì)泵站站址及布置方案進(jìn)行選擇比較。充排水泵站的布置首先考慮橡膠壩的位置及規(guī)模，有1站控制1壩、1站控制2座壩、1站控制3座或多座壩的布置型式。

方案一：1站控制1座橡膠壩方案。該方案采用一座橡膠壩布設(shè)一座泵站進(jìn)行控制，各泵站位置均選擇在各橡膠壩軸線一側(cè)，優(yōu)點(diǎn)是每座泵站規(guī)模小，管路系統(tǒng)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是占地多，運(yùn)行費(fèi)用較高，管理不便，影響堤防整體綠化效果。

方案二：1站控制2座橡膠壩方案。該方案考慮兩壩之間間距0.6km左右，可以將泵站布設(shè)在下級(jí)蓄水區(qū)靠近下游橡膠壩，這樣一座泵站可控制其相鄰的2座橡膠壩。每座泵站規(guī)模適中，管路系統(tǒng)相對(duì)單一，工程運(yùn)行、管理、檢修都很方便。

方案三：1站控制3座橡膠壩方案。該方案采用一座泵站分別對(duì)3座橡膠壩的充排水行控制，泵站位置選擇在偏向下游的兩座橡膠壩軸線之間，其特點(diǎn)是充排水管線長(zhǎng)，管路系統(tǒng)復(fù)雜且水泵運(yùn)行工況繁瑣，水泵運(yùn)行容易偏離高效區(qū)，使水泵發(fā)生故障。泵站座數(shù)減少，但泵站規(guī)模大，相對(duì)方案一、二來(lái)說(shuō)其廠房埋深較深。

表1　橡膠壩主要參數(shù)表

對(duì)于天水藉河二期工程，有兩座進(jìn)口副壩，壩袋容積不足其他橡膠壩壩袋容積的十分之一，若與其他橡膠壩合并一個(gè)泵站來(lái)控制充排水系統(tǒng)，造成泵站廠房挖深大，投資太大，同時(shí)水泵運(yùn)行不均衡，故擬用一個(gè)泵站單獨(dú)運(yùn)行。經(jīng)過方案比較以及本工程的實(shí)際情況，本次采用方案一與方案二相結(jié)合的運(yùn)行方式較為合適，即1#泵站控制1#進(jìn)口副壩，2#泵站控制1#和2#橡膠壩，3#泵站控制3#和4#橡膠壩，4#泵站控制2#進(jìn)口副壩，5#泵站控制5#和6#橡膠壩。這樣既解決方案一站點(diǎn)多管理不便的缺點(diǎn)，又避免了方案三管路系統(tǒng)復(fù)雜及水泵運(yùn)行工況繁瑣的缺點(diǎn)。每座泵站規(guī)模適中，土建工程投資?。磺夜芾磉\(yùn)行方便。

根據(jù)天水藉河二期工程測(cè)量及實(shí)地踏勘，左岸堤防與堤外規(guī)劃路之間綠化帶地形開闊，地勢(shì)平坦，泵站取水方便，滿足建站要求。因此，為了便于管道布置及方便管理，5座泵站站址均選擇在蓄水區(qū)河道左岸堤防外側(cè)。

3　水泵選型

泵站的水泵選型按強(qiáng)制排水工況控制。五座泵站站址均位于河道左岸堤頂外側(cè)，由于橡膠壩設(shè)計(jì)底板高程基本與河道底持平，高程較低，為了滿足泵站自動(dòng)排水啟動(dòng)的運(yùn)行要求，水泵機(jī)組均需布置在地面以下，設(shè)置地下式廠房。地面以上布置設(shè)備吊運(yùn)通道、配電間及管理用房等。在滿足水泵機(jī)組運(yùn)行以及起吊高度要求的前提下，設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能將安裝高程抬高，以減小廠房高度，方便工程管理及減少工程投資。水泵選型參數(shù)詳見表2。

（1）1#泵站和4#泵站分別控制1#進(jìn)口副壩和2#進(jìn)口副壩的充排水，由于進(jìn)口副壩容積小，塌壩時(shí)間控制在1h以內(nèi)，根據(jù)水力計(jì)算，綜合考慮工程管理及投資等因素，確定1# 和4#泵站分別安裝1臺(tái)臥式離心泵，泵站裝機(jī)功率均為22kW，進(jìn)口副壩容積小，不會(huì)造成城市安全問題，所以不設(shè)備用泵。

（2）2#泵站、3#泵站和5#泵站，分別控制相鄰兩個(gè)橡膠壩的充排水，每座橡膠壩同時(shí)塌壩時(shí)間需控制在1h～1.5h以內(nèi)，水泵設(shè)計(jì)流量由兩壩袋總水量和排水時(shí)間綜合確定，根據(jù)選型要求及水力計(jì)算，綜合考慮水泵運(yùn)行、工程管理及投資等因素，確定這三座泵站均位于所控制的下游橡膠壩的附近，每座泵站分別安裝4臺(tái)臥式離心泵，各泵站總裝機(jī)功率均為440kW。為了確保城市防洪安全，水泵互為備用，單機(jī)塌壩排水時(shí)間為88min、89min和88min，滿足排水時(shí)間1h～1.5h的要求。

表2　泵站水泵選型參數(shù)

由表2可以看出，對(duì)于橡膠壩工程的排水泵站，由于在排水過程中，水泵有最大揚(yáng)程Hmax和最小揚(yáng)程Hmin，即橡膠壩充滿水和排空時(shí)引起的壩高水頭差，導(dǎo)致水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程和設(shè)計(jì)流量是個(gè)變化值，所以水泵運(yùn)行高效工況是個(gè)區(qū)間值，這是與一般供水泵站工程的最大區(qū)別。對(duì)于一般橡膠壩的泵站工程，排水時(shí)間短，壩袋容積大，橡膠壩壩高較低，排水一般直接排入下游，排水管出口高程較低，因此導(dǎo)致水泵流量較大，揚(yáng)程較低，在實(shí)際設(shè)計(jì)選型時(shí)比較困難。為了運(yùn)行管理操作方便，泵站內(nèi)盡可能選擇同型號(hào)的水泵，同時(shí)，對(duì)于一站控制多個(gè)橡膠壩的布置形式中，每個(gè)橡膠壩的排水時(shí)間不宜差別太大。

4　管路水力計(jì)算

橡膠壩的充排系統(tǒng)利用次數(shù)較少，在管路系統(tǒng)布置時(shí)常將充脹和排空的管路合二為一，通過啟閉管路系統(tǒng)中不同位置的閘閥，利用同一管路進(jìn)行壩袋的充脹和坍壩排空的目的。管路的布置力求總長(zhǎng)度最短，彎頭最少，盡量減少管路阻力損失水頭。管路阻力損失水頭是由管路的沿程摩擦損失水頭和管路形狀變化或管路附件而產(chǎn)生的局部損失水頭所組成。當(dāng)水泵的管路確定后，則管路損失水頭與通過管路的流量平方成正比。h損=SQ2（h損為管路阻力損失，m；S為沿程和局部阻力參數(shù)之和，s2/m5；Q為流量，m3/s）。

一般橡膠壩工程中的充排水泵站管路短，揚(yáng)程較低，流量變化大，故確定分段流量引起的水頭損失是水力計(jì)算的關(guān)鍵。在天水藉河二期工程中以5#泵站為例，探究在橡膠壩排水泵站中分段流量變化對(duì)水頭損失的影響。5#泵站運(yùn)行流程圖見圖1。

對(duì)于6#橡膠壩的最不利工況路線為A-B-C-D-E-F-G-H-I-J-K-L，1臺(tái)水泵運(yùn)行為1各流量Q，則A-B段和D-E-F-G段，流量為1Q，引起h損=SQ2；B-C-D段和G-H段，流量為2Q，引起h損=4SQ2；H-I段，流量為3Q，引起h損=9SQ2；I-J-K-L段，流量為4Q，h損=16SQ2。7#橡膠壩的不利工況路線為A′-B′-C′-N′-M′-D′-E′-H-I-J-K-L，分段引起的損失變化同理。

圖1　泵站流程示意圖

所以對(duì)于泵站充水和排水合二為一的這種特殊性，管路上每段的流量變化引起的損失水頭變化很大，應(yīng)分段計(jì)算，同時(shí)兩個(gè)橡膠壩充排水系統(tǒng)水力計(jì)算應(yīng)單獨(dú)計(jì)算。為了運(yùn)行管理操作方便，泵站內(nèi)盡可能選擇同型號(hào)的水泵，泵站位置盡可能放在控制下游橡膠壩的附近，這樣控制下游橡膠壩水泵選型容易，但導(dǎo)致上游側(cè)出水管路損失很大，水泵安裝較低，泵站投資較大，所以在做此類泵站工程中，應(yīng)方案比選多優(yōu)化，綜合管徑大小，水頭損失大小，一站控制幾個(gè)橡膠壩，投資經(jīng)濟(jì)，以及實(shí)際工程現(xiàn)狀情況，做投資小，效益大的工程。

5　橡膠壩充水

橡膠壩的充水水源要水質(zhì)干凈，否則，應(yīng)先行沉淀或過濾，再充進(jìn)壩袋。

橡膠壩采用動(dòng)力式進(jìn)行充壩時(shí)，壩袋的充脹可采用水泵將水直接充進(jìn)壩袋來(lái)進(jìn)行，也可先將水抽到高位水蓄水池或水箱后在間接充進(jìn)壩袋。有條件的地方，當(dāng)充水量不大時(shí)也可以利用自來(lái)水充壩。甘肅省天水市藉河生態(tài)綜合治理二期工程的橡膠壩是通過打井，潛水泵抽井內(nèi)水，直接充入橡膠壩。在充水時(shí)，無(wú)嚴(yán)格時(shí)間要求注意充水時(shí)間的控制，不宜時(shí)間太長(zhǎng)。

6　結(jié)語(yǔ)

對(duì)于沒有自流排水能力的橡膠壩工程，泵站是橡膠壩的充排水控制系統(tǒng)，任務(wù)是滿足橡膠壩充水立壩及坍壩，泵站的布置方案有1站控制1壩、1站控制2座壩、1站控制3座或多座壩等多種型式，根據(jù)實(shí)際工程可選擇單一方案或多種方案相結(jié)合的方案布置，天水藉河二期工程區(qū)設(shè)有有多座橡膠壩，采用1站控制1壩和1站控制2座相結(jié)合的方式。洪水來(lái)臨，水泵排水過程中，水泵有最大揚(yáng)程Hmax和最小揚(yáng)程Hmin，即橡膠壩充滿水和排空時(shí)引起的壩高水頭差，導(dǎo)致水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程和設(shè)計(jì)流量是個(gè)變化值，所以水泵運(yùn)行高效工況是個(gè)區(qū)間。橡膠壩工程中的充排水泵站管路短，流量變化大，在進(jìn)行水力計(jì)算時(shí)確定分段流量引起的水頭損失是水力計(jì)算的關(guān)鍵。陜西水利

［1］高本虎.橡膠壩工程技術(shù)指南〔M〕.中國(guó)水利水電出版社，2006.

［2］橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范〔M〕.GB50979-2014.

［3］皮積瑞，解廣潤(rùn).機(jī)電灌排設(shè)計(jì)手冊(cè)〔M〕.水利電力出版社，1996.8.

［4］王忠誠(chéng).小埠東橡膠壩充排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，1999.11.

（責(zé)任編輯：暢妮）

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