高寒地區(qū)多級(jí)泵泵站設(shè)計(jì)與施工技術(shù)

李中校 蔣有能

（1. 迪慶州水利水電勘察設(shè)計(jì)所 香格里拉 674400； 2. 云南省水利水電科學(xué)研究所 昆明 650200 )

1 工程概況

香格里拉滑雪場(chǎng)位于香格里拉縣尼西鄉(xiāng)哈拉村，地處東經(jīng) 93°10′～ 94°27′,北緯 56°21′～ 57°43′之間。泵站是為滑雪場(chǎng)提供人工造雪的供水工程，工程分為二級(jí)泵站提水，一級(jí)站從尼西鄉(xiāng)湯滿河龍?zhí)?2733m高程處提水到湯滿上村，設(shè)計(jì)流量0.132 m3/s，裝機(jī)容量2×710 kW，提水揚(yáng)程274.5m，管路長(zhǎng)4528m；二級(jí)站從一級(jí)站出水池提水到哈拉村3299.6m處20000m3的蓄水池內(nèi)，設(shè)計(jì)流量0.126 m3/s，裝機(jī)容量2×710 kW，提水揚(yáng)程 292.65m，管路長(zhǎng) 3923m，工程總投資1382.05萬(wàn)元。

2 工程設(shè)計(jì)及要點(diǎn)

2.1 水泵臺(tái)數(shù)

考慮泵站的工程投資和運(yùn)行費(fèi)用，并滿足優(yōu)化調(diào)度及長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃的要求，確定泵站的裝機(jī)臺(tái)數(shù)。由于滑雪場(chǎng)是迪慶州政府招商引資的重點(diǎn)項(xiàng)目，為確?；﹫?chǎng)正常用水，設(shè)計(jì)安裝2臺(tái)水泵，單機(jī)供水，備用（輪換）機(jī)組1臺(tái)，2臺(tái)機(jī)組串連共用一根供水管道。

2.2 水泵型號(hào)選擇

水泵選型應(yīng)滿足設(shè)計(jì)流量和揚(yáng)程的要求，并使水泵在設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)工作效率最高，在校核揚(yáng)程時(shí)亦能保證正常供水。泵型力求高效、節(jié)能、新型，做到型號(hào)統(tǒng)一，便于維修管理。根據(jù)國(guó)際國(guó)內(nèi)水泵生產(chǎn)系列，目前可供選擇的水泵有IS、S型離心泵和D 型多級(jí)離心泵。IS、S型離心泵最高揚(yáng)程均在140m以下，加上管路損失需要 5～6級(jí)泵站提水，其工程投資大，運(yùn)行成本高；D 型多級(jí)離心泵揚(yáng)程在650m以下，加上管路損失需要2級(jí)泵站提水， 與IS、S型離心泵相比較，D 型多級(jí)離心泵工程投資小、運(yùn)行成本低，因此選擇水泵型號(hào)為D 型多級(jí)離心泵。初選水泵的性能參數(shù)見表1。

表1 D型多級(jí)離心泵工作性能參數(shù)表

2.3 站級(jí)劃分

泵站地形揚(yáng)程 567.15 m，管路總長(zhǎng) 8451 m，要求設(shè)計(jì)流量為0.125 m3/s，按水泵進(jìn)、出口管徑250 mm計(jì)算，總的管路損失377.4 m。水泵總揚(yáng)程944.55 m，按加大進(jìn)、出口管徑為 300 mm計(jì)算，總的管路損失142.9m，水泵總揚(yáng)程710.05 m。根據(jù)D 型多級(jí)離心泵的工作性能特性，確定泵站設(shè)計(jì)規(guī)模為二級(jí)泵站提水。根據(jù)水泵型號(hào)、地形揚(yáng)程、管路安裝等情況，建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，確定泵站的位置，得到分級(jí)泵站的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

2.4 管路設(shè)計(jì)

2.4.1 管路布置

國(guó)內(nèi)外有關(guān)試驗(yàn)表明：在50m以下?lián)P程泵站中，管路設(shè)計(jì)可不考慮在事故停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的水錘壓力與水泵、電機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速問題，設(shè)計(jì)僅在水泵出口設(shè)置電動(dòng)工作閘閥。50m以上地形揚(yáng)程的泵站中安裝逆止閥，以防止意外事故的發(fā)生，且最好安裝在泵房外。在高揚(yáng)程、長(zhǎng)管路泵站設(shè)計(jì)中，有關(guān)文獻(xiàn)資料目前還沒有較好的解決辦法，我們根據(jù)分段減壓理論，設(shè)計(jì)在100m揚(yáng)程內(nèi)設(shè)置1個(gè)逆止閥，以解決事故停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的水錘壓力和水泵、電機(jī)的飛逸轉(zhuǎn)速問題。為解決鋼管中水體的冰凍問題，在逆止閥后設(shè)置1個(gè)排水閘閥。為有效防止溫度變化對(duì)管道的破壞作用，設(shè)計(jì)在管路中按150～200m管長(zhǎng)設(shè)置1個(gè)套管式伸縮節(jié)。

2.4.2 管材、管徑、管壁厚

輸水管道要求具有足夠的耐壓強(qiáng)度、水力損失小、安裝運(yùn)輸方便。根據(jù)香格里拉縣交通路途遙遠(yuǎn)，運(yùn)輸費(fèi)用高，管路安裝坡度陡、工作壓力大等特點(diǎn)，為減少管道投資，管路分三段選用卷板焊接鋼管制作，管壁厚度按下式計(jì)算：

表2 分級(jí)泵站的設(shè)計(jì)參數(shù)

式中：a為管壁厚度，mm；D為管道內(nèi)徑，m；H為靜水頭與水錘壓力水頭之和，m；i為接縫強(qiáng)度系數(shù)。

取D=0.30m； i =0.9；H =400、500、600m（按分段壓力計(jì)算），分別計(jì)算得管壁厚度 a =6.83、8.55、10.26mm，管道設(shè)計(jì)使用年限為20年，考慮銹蝕作用，管路自上而下分別采用管壁厚度為 8、10、12mm。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查，a =12 mm鋼管采用無(wú)縫鋼管，規(guī)格Φ325×12，材質(zhì)Q235A, 工作壓力8.5MPa；a =8mm、a =12 mm鋼管采用高壓焊接鋼管，規(guī)格Φ325×10、Φ325×8，材質(zhì) Q235H, 工作壓力6.9MPa。

2.5 水泵工作點(diǎn)計(jì)算

根據(jù)所選水泵的工作性能表（性能曲線）、地形揚(yáng)程、管路布置，泵站采用單機(jī)運(yùn)行（輪換備用）的方式供水，進(jìn)出口管徑均為 300 mm的鋼管，計(jì)算得水泵工作點(diǎn)和泵站裝置效率見表3。

計(jì)算結(jié)果表明：泵站裝置效率、能源單耗均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，水泵在高效率區(qū)工作，水泵選型合理，流量、揚(yáng)程配置適當(dāng)。

2.6 水泵安裝高程計(jì)算

按水泵樣本提供的氣蝕余量為4m，考慮在裝置點(diǎn)海拔高程的大氣壓力情況計(jì)算水泵的吸程，決定泵軸中心線的安裝高程，水泵吸程按下式計(jì)算：

式中：H吸為吸水揚(yáng)程，m；HS為水泵的氣蝕余量，m；P氣/g為裝置點(diǎn)的大氣壓力水頭，m；P汽/g為工作水溫下的水蒸氣壓力水頭，m；v2/2g為水泵進(jìn)口處流速水頭m；h吸損為吸水管路水頭損失，m。

表3 水泵工作點(diǎn)計(jì)算成果

一級(jí)站正常水位 2733.0 m，泵房地面高程2732.55 m，水泵設(shè)計(jì)安裝高程2733.11 m，計(jì)算安裝高程2734.66m，水泵吸程可滿足設(shè)計(jì)要求；二級(jí)站正常水位 3006.95 m，最高水位 3007.95 m，泵房地面高程3006.50 m，水泵設(shè)計(jì)安裝高程3007.21 m，計(jì)算安裝高程 3008.44m，并在最高水位時(shí)可負(fù)值吸水。

3 工程施工及要點(diǎn)

3.1 泵站施工

（1）一級(jí)泵站位于湯滿龍?zhí)栋哆叄帻埗纯?0 m，泵房、進(jìn)水池基礎(chǔ)下開挖有大量的地下水涌出，施工在基礎(chǔ)下1.5 m處采用塑料薄膜黏土、礫石進(jìn)行封壓處理。

（2）泵房外的管路由于日溫差較大，致使管路變形，水泵產(chǎn)生2～3cm位移，通過在泵房外1.0m處和在管路的轉(zhuǎn)角處設(shè)置鎮(zhèn)墩處理，有效地避免了水泵位移現(xiàn)象。

（3）停機(jī)后泵房外的逆止閥中的水體長(zhǎng)時(shí)間保留在管道中，在冬季不提水時(shí)（7天以上）易發(fā)生冰凍現(xiàn)象，致使機(jī)組不能正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)在逆止閥后安裝一個(gè) 50mm高壓排水閘閥，將管中的水體排除。

3.2 管路施工

（1）在管路的水平轉(zhuǎn)角和軸向轉(zhuǎn)角處設(shè)置 1個(gè)鎮(zhèn)墩，在2個(gè)鎮(zhèn)墩之間設(shè)置1個(gè)套管式伸縮節(jié)，以限制溫差引起管道的伸縮量在5～10cm內(nèi)，防止伸縮量過大引起管道接頭破壞，使管道漏水。直管段要求 150～200m設(shè)置鎮(zhèn)墩和套管式伸縮節(jié)各 1個(gè)。

（2）坡頂轉(zhuǎn)角向下的彎管，由于受力集中，接頭要求焊接處理。

（3）管道接頭止水墊片，按工作壓力在0.5MPa以內(nèi)采用橡膠止水墊片；0.5～1.0MPa采用石棉止水墊片；1.0～2.0MPa采用橡膠金屬絲止水墊片；2.0MPa以上采用金屬止水墊片。

（4）在高揚(yáng)程、長(zhǎng)管路的安裝過程中，要求在1000m或揚(yáng)程在100m內(nèi)利用空壓機(jī)打壓試驗(yàn)1次，以防止試機(jī)時(shí)爆管、漏水和發(fā)生意外事故。

3.3 20000m3蓄水池施工

（1）池底板采用鋼筋混凝土框架式彈性地基梁設(shè)計(jì)，在地基梁的框架內(nèi)自然分塊，各單元塊內(nèi)的混凝土不設(shè)鋼筋。在地基梁邊沿設(shè)沉陷縫，采用聚氯乙烯膠泥填縫，高標(biāo)號(hào)砂漿覆蓋處理。

（2）邊墻采用鋼筋混凝土重力擋墻結(jié)構(gòu)，25m設(shè)置1條分隔縫，采用橡膠板作止水處理，橡膠板不允許作橫向接頭處理。

（3）蓄水池的施工期為2006年12月～2007年1月，氣溫-18～15℃，土石方開挖量22100 m3，混凝土澆筑量4850m3。由于工期緊，施工任務(wù)重，為確保工程質(zhì)量，在混凝土中加入了減水劑、防凍劑，并要求在氣溫低于 5℃時(shí)，需將混凝土拌和用水加熱到30～35℃，施工區(qū)內(nèi)燃火升溫，當(dāng)氣溫低于0℃以下時(shí)不允許施工。

4 電氣設(shè)備

所選水泵配套710kW/10kv高壓電機(jī)，10 kv電壓直接起動(dòng)，每臺(tái)機(jī)組選擇高壓配電屏一面，型號(hào)為ZYG2-1kW -800kW，屏面上要求設(shè)置電流、電壓、功率因素、計(jì)量監(jiān)測(cè)表，高壓?jiǎn)?dòng)柜（開關(guān)柜）一面。2臺(tái)機(jī)組共用 1面低壓配電屏，型號(hào)為ZYG2-3QW-7.5 kW，設(shè)計(jì)為低壓直接起動(dòng)，要求控制2.5kW電動(dòng)閘閥2個(gè)、SZB-8/3kW真空泵1臺(tái)、SG-3kw電動(dòng)行車1架、生活照明回路1個(gè)，屏面上要求設(shè)置電流、電壓、計(jì)量監(jiān)測(cè)表。

5 工程運(yùn)行及結(jié)論

泵站工程于2007年1月31日竣工，經(jīng)過5天的試運(yùn)行后，于2月8日投入運(yùn)行，至3月30日止，連續(xù)運(yùn)行24小時(shí)，累計(jì)運(yùn)行72小時(shí)以上，提水 45000m3。泵站供水運(yùn)行正常，設(shè)計(jì)達(dá)到國(guó)家有關(guān)規(guī)范要求，可交付建設(shè)單位驗(yàn)收使用。

多級(jí)泵是一種適應(yīng)性很廣（水量、揚(yáng)程）的提水機(jī)械，比較適合我省山區(qū)、半山區(qū)農(nóng)、經(jīng)作物的灌溉及其它用水工程。迪慶州香格里拉滑雪場(chǎng)多級(jí)泵泵站工程的建成，是云南省目前海拔最高（3300m）、氣溫最低（-18℃）、揚(yáng)程最高（567.15m）、管路最長(zhǎng)（8451m）、裝機(jī)容量最大（2840kW）、技術(shù)含量最高的多級(jí)泵泵站，它為我省今后多級(jí)泵泵站的建設(shè)提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 機(jī)電排灌手冊(cè).水利電力出版社，1982.

2 泵站工程技術(shù)手冊(cè).中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1998.

3 泵站與抽水裝置試驗(yàn). 水利電力出版社，1990.

4 水工建筑物.水利電力出版社，1987.

5 水利工程施工.水利電力出版社，1987.