泵站供水系統(tǒng)水錘防護(hù)措施優(yōu)化

梅 紅

(浙江水專工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，浙江杭州 310018)

0 引言

供水泵站工程由于水泵的啟動與突然停泵或控制閥的啟閉，造成管路中水流流速的突然變化，進(jìn)而引起管路壓力的急劇上升或降低，導(dǎo)致了泵站的水錘，水泵的流量、揚(yáng)程、轉(zhuǎn)速等參數(shù)也發(fā)生瞬時的變化.水錘是泵站三害之一，國內(nèi)外供水泵站工程中，有不少實(shí)例都是因?yàn)樗N遭受嚴(yán)重破壞［2-3］，因此在泵站設(shè)計中必須認(rèn)真分析研究泵站的水力過渡過程，采取合理可行的水錘防護(hù)措施，確保泵站供水系統(tǒng)的運(yùn)行安全.

1 工程概況

江蘇某沿?；痣娬狙h(huán)水泵站工程由取水管道、前池、泵站、出水池、輸水管道及附屬建筑物等組成.取水管道布置于泵站南側(cè)，采用DN3400鋼管，長160 m，中心高程-1.5 m.前池位于沿江大堤北側(cè)，池長26 m、寬7.5 ～29 m，池底高程 -3.5 m.泵站主泵房內(nèi)安裝4臺1800HDC-14抽芯式混流泵機(jī)組，每臺泵組設(shè)計流量為6.5 m3/s，揚(yáng)程為10.5 m，泵組出水管均采用DN1800鋼管，中心高程4.55 m，每根出水鋼管上設(shè)置1只液控閥HD7X41X-2.5.輸水管道位于主泵房北側(cè)，采用單根DN3500鋼筋混凝土管，長961 m，中心高程-4.0 m，終點(diǎn)分岔通過6個豎向出水口與調(diào)節(jié)水庫相接.

取水口最低取水位1.8 m，最高取水位6.0 m.調(diào)節(jié)水庫設(shè)計高水位8.93 m，正常蓄水位8.3 m，最低水位5.5 m，調(diào)節(jié)庫容約960萬 m3.

泵站液控蝶閥的開閥時間為20～120 s(可調(diào));關(guān)閉分兩段，快關(guān)0°～70°(±10°)時間 2.5 ～25 s(可調(diào))，慢關(guān) 70°(±10°)～90°，時間6 ～90 s(可調(diào)).泵組主要參數(shù)見表1.

泵站工程位于濱海地區(qū)，為海相和海陸過渡相沉積地貌，地面高程5.0～7.0 m.根據(jù)地質(zhì)勘探揭示，地基土層為多元結(jié)構(gòu)，自上而下依次為素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土、粉砂、含礫砂粉質(zhì)粘土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土夾粉土薄層、細(xì)砂、砂礫石等土層，基巖埋藏深60 m以上.其中淤泥質(zhì)土屬于高壓縮性低強(qiáng)度的軟弱土層，力學(xué)性質(zhì)差，細(xì)砂及砂礫石相對較好，是深基礎(chǔ)(如樁基)的良好持力層.

表1 水泵電動機(jī)組主要參數(shù)表

2 水錘防護(hù)措施優(yōu)選

在工程上常用的水錘防護(hù)措施主要有調(diào)壓塔、壓力水箱、進(jìn)排氣閥、液控緩閉閥、水錘消除器等［2-3］.為了確保泵站安全運(yùn)行，結(jié)合本工程實(shí)際情況，對壓力水箱、常規(guī)調(diào)壓塔和溢流式調(diào)壓塔三種水錘防護(hù)措施進(jìn)行了優(yōu)化比選.

2.1 壓力水箱

泵站出水管與輸水管道之間設(shè)置壓力水箱，水箱水錘參照氣墊式調(diào)壓室進(jìn)行計算［5］.壓力水箱平面凈尺寸為23 m ×10 m，底高程為-6.9 m，頂高程6.0 m.

工況KB01和KB02為4臺水泵逐臺開機(jī)情況，每臺水泵開機(jī)間隔時間5 min，開機(jī)時，水箱內(nèi)水位不斷震蕩，待4臺機(jī)全部開啟后，水位震蕩也會衰減，最終穩(wěn)定在正常運(yùn)行的水位;工況 KB03和KB04為4臺水泵同時開機(jī)情況，屬于誤操作，水錘壓力水柱最高達(dá)到160 m，7 min后水面震蕩最終也會衰減;工況TB01和TB02為4臺水泵逐臺關(guān)閉情況，每臺水泵關(guān)閉間隔時間為5 min，關(guān)閉時，水箱內(nèi)水位震蕩不止，震蕩周期約0.5 min，壓力水柱分別在8.98 ～2.89 m 和 16.45 ～4.23 m 之間震蕩;工況TB03和TB04為4臺水泵同時關(guān)閉情況，水箱內(nèi)水位震蕩不止，震蕩周期約0.5 min，壓力水柱分別在8.87～3.54 m 和13.79 ～5.91 m 之間震蕩［1］，表2 為各工況下壓力水箱水錘計算成果表，圖1為壓力水箱在TB04工況時水錘壓力時程線.

表2 壓力水箱水錘計算成果表

圖1 壓力水箱工況TB04水錘壓力時程線

2.2 常規(guī)調(diào)壓塔

泵站出水管與輸水管道之間設(shè)置常規(guī)調(diào)壓塔.調(diào)壓塔平面凈尺寸為 23 m×10 m，底高程為-6.9 m，頂高程16.0 m.

水泵逐臺開機(jī)，塔內(nèi)水位波動一般3 min左右就衰減［3］;4臺水泵同時開機(jī)，屬于誤操作，塔內(nèi)水位波動也只有3 min左右;水泵逐臺關(guān)機(jī)后，塔內(nèi)水位震蕩不止，水位變幅0.8 m左右，震蕩周期4.5 min，TB01和TB02工況塔內(nèi)水位分別在5.15～5.90 m和8.55～9.30 m之間震蕩;4臺水泵同時關(guān)機(jī)后，塔內(nèi)水位震蕩不止，水位變幅超過1.1 m，震蕩周期4.5 min，TB03和TB04工況塔內(nèi)水位分別在4.90 ～6.63 m 和 8.30 ～9.46 m 之間震蕩，各工況的常規(guī)調(diào)壓塔水錘計算成果見表3，TB04工況下水錘壓力時程線，見圖2.

表3 常規(guī)調(diào)壓塔水錘計算成果表

圖2 常規(guī)調(diào)壓塔工況TB04水錘壓力時程線

2.3 溢流式調(diào)壓塔

泵站出水管與輸水管道之間設(shè)置溢流式調(diào)壓塔.調(diào)壓塔平面凈尺寸為23 m×10 m，底高程為0.7 m，頂高程14.0 m，塔頂設(shè)置溢流堰，堰頂高程13.3 m，堰長23 m.

水泵逐臺開機(jī)，不出現(xiàn)溢流，塔內(nèi)水位波動與常規(guī)調(diào)壓塔一致，3 min左右就衰減;4臺水泵同時開機(jī)，屬于誤操作，塔內(nèi)水位波動也只有3 min左右;水泵逐臺關(guān)機(jī)后，塔內(nèi)水位升高直至超過溢流堰頂后向外溢流，水位很快穩(wěn)定，KB03和KB04工況最大溢流量分別為16.35 m3/s和18.84 m3/s，溢流時間分別為57 s和84 s;4臺水泵逐臺關(guān)機(jī)和同時關(guān)機(jī)后，塔內(nèi)水位震蕩不止，未出現(xiàn)溢流，與常規(guī)調(diào)壓塔一致，溢流式調(diào)壓塔水錘計算成果見表4.

表4 溢流式調(diào)壓塔水錘計算成果表

2.4 水錘防護(hù)措施優(yōu)選

壓力水箱方案停泵水錘壓力大，要求水箱頂板結(jié)構(gòu)和輸水管道承壓能力高，需要內(nèi)襯鋼板.水箱頂高程與原地面基本齊平，可以保持原地面風(fēng)貌，箱頂進(jìn)行種草植樹綠化，景觀效果較好.與調(diào)壓塔相比，壓力水箱停泵水錘震蕩歷時長，鋼材用量大，工程投資較大.

常規(guī)調(diào)壓塔與溢流調(diào)壓塔方案水錘壓力較小，但是塔頂高于原地面，外露建筑體量大，建筑立面需要進(jìn)行美觀處理，才能與周邊城市建設(shè)協(xié)調(diào).結(jié)合輸水管道頂管施工，調(diào)壓塔采用沉井基礎(chǔ).溢流堰下方地面設(shè)置排水溝和護(hù)坦.

經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，泵站工程推薦采用溢流式調(diào)壓塔作為供水系統(tǒng)水錘防護(hù)措施.

表5 泵站工程供水系統(tǒng)水錘防護(hù)措施綜合比選表

3 溢流式調(diào)壓塔設(shè)計

溢流式調(diào)壓塔平面總尺寸為24.6 m×11.6 m，塔頂高程14.0 m，底板頂高程-6.9 m.調(diào)壓塔分為三格，中間以隔墻相連，以增強(qiáng)平面框架剛度.為了滿足出水管與砼輸水管道之間的連接，調(diào)壓塔下部采用沉井基礎(chǔ)，沉井平面尺寸與調(diào)壓塔一致，同時利于減小地基應(yīng)力.中隔墻上設(shè)置四排1.2 m×1.0 m連通孔，中心高程分別為 -4.5 m、0.5 m、4.5 m和10.0 m，每排三孔，使邊格室和中格室水體整體升降［4］.

調(diào)壓塔遠(yuǎn)離泵房側(cè)塔頂設(shè)溢流堰，堰頂高程13.3 m，堰長21.4 m.溢流堰下方地面設(shè)置1.0 m ×0.8 m排水溝及時排除外溢水，同時采用混凝土護(hù)坦做好地面防沖保護(hù).

4 結(jié)語

緊鄰泵房設(shè)置調(diào)壓塔是非常必要的，可以消減水泵開停機(jī)引起的水錘壓力，保護(hù)泵站供水系統(tǒng)的安全運(yùn)行.泵站運(yùn)行中應(yīng)避免四臺水泵同時開機(jī)，并應(yīng)在計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)作出明確規(guī)定.

如采用氣墊式壓力水箱，水錘壓力大，必須加強(qiáng)供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度.如果出水管與輸水管道之間直接采用岔管連接，輸水系統(tǒng)水錘壓力將超過壓力水箱，這種連接結(jié)構(gòu)是不可取的.

泵站工程已經(jīng)于2010年底完工，并經(jīng)試運(yùn)行實(shí)踐，溢流式調(diào)壓塔和供水系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，與設(shè)計工況基本吻合.

［1］丁 浩.水電站有壓引水系統(tǒng)非恒定流［M］.北京:中國水利電力出版社，1984.

［2］中華人民共和國水利部.GB 50265-2010泵站設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，1997.

［3］王文全，張立翔，閆 妍.長距離輸水系統(tǒng)停泵水錘的數(shù)值模擬［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2010，41(11):63-66.

［4］武漢水利電力學(xué)院水力學(xué)教研室.水力計算手冊［M］.北京:中國水利電力出版社，2006.

［5］楊開林，董興林.水電站長輸水道管流氣泡動力特性研究［J］.水利學(xué)報，1998(11):6-14.