對大型排澇站的設(shè)計要點分析

徐醒敏

（惠州市華禹水利水電工程勘測設(shè)計有限公司，廣東 惠州 516003）

1 工程概況

新建排澇站位于廣東省惠州市惠城區(qū)西枝江下游末端、西枝江與新開河交匯處，排澇站功能是排除筷子堤倉內(nèi)澇水，控制集雨面積為82.96km2，排澇標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇24h 暴雨所產(chǎn)生的徑流量1d 排干。排澇站設(shè)計總排澇流量為139.25m3/s，總裝機容量為6×1000kW，泵站規(guī)模為大（2）型。泵站由引水渠、進水池、泵房、出水池幾部分組成。泵房內(nèi)布置6臺斜15 安裝半調(diào)節(jié)軸流泵，每臺水泵設(shè)計流量為23.2m3/s，葉輪直徑為2.8m。水泵由電動機通過減速齒輪箱傳遞功率，減速齒輪箱采用一級傳動的平行軸齒輪箱。

2 設(shè)計要點

此排澇站設(shè)計要點主要有：①機組選型。排澇站的設(shè)計凈揚程為0.81m，設(shè)計揚程為1.98m，最高揚程為4.36m，為典型的大流量超低揚程排澇站，選型時圍繞此特點進行；②總體布置，包括對比堤身式和堤后式的優(yōu)缺點、具體布置方案等。

3 機組選型

適應(yīng)本泵站特低揚程可供選用的水泵型式主要有貫流泵、臥式軸流泵和斜式軸流泵。雖然貫流泵在特低揚程時的水力性能很好，但由于水泵制造技術(shù)要求高，機組造價高，運行管理經(jīng)驗缺乏，機組維修麻煩，目前大口徑貫流泵在國內(nèi)很少使用。

臥式軸流泵，其水流在立體上無轉(zhuǎn)彎，在平面上出水流道呈S 形彎曲，導(dǎo)致在一定程度上增加了流道水力損失。同時，臥式軸流泵的電機需布置在S 形彎曲處，空間狹窄，低轉(zhuǎn)速大容量電機無法布置，因此，臥式軸流泵單泵口徑不宜做得太大，據(jù)國內(nèi)知名水泵廠提供的業(yè)績，臥式軸流泵最大口徑為1.7m.本泵站設(shè)計流量大，如選用臥式軸流泵，機組臺數(shù)過多，投資不經(jīng)濟，泵站效率也會降低。

斜式軸流泵在國內(nèi)應(yīng)用已有近20年，目前在長江三角洲、珠江三角洲等平原地區(qū)低揚程泵站用得較多，其主要優(yōu)點歸納起來有4點：

3.1 水流平穩(wěn)，裝置效率高。斜式軸流泵水流可以直接進入水泵葉輪，減少了立體和平面拐彎，彎曲半徑也增加，流速分布更加均勻，水流平穩(wěn)，既提高了效率又改善運行穩(wěn)定性。以順德市樂從鎮(zhèn)逕口二站為例，該站選用4臺斜30安裝半調(diào)節(jié)軸流泵，葉輪直徑為1.8m，經(jīng)現(xiàn)場測試，效率達(dá)到67%，效率提高12%，流量也比設(shè)計提高15%，振動也明顯減少。再比如浙江鹽官下河泵站，該站選用4臺斜15 安裝全調(diào)節(jié)軸流泵，葉輪直徑為3.8m，經(jīng)河海大學(xué)現(xiàn)場測試，泵站效率為72%。

3.2 開挖量減少：由于流道中心與葉輪軸線一致，開挖只要滿足葉輪的淹沒深度就可以，立式泵的底板一般在葉輪中心2 倍直徑以下，要挖得很深，以順德市樂從鎮(zhèn)逕口二站為例，該站水泵葉輪直徑為1.8m，如果立式泵要挖至-5.8m，而斜30 泵只需到-3.5m，土方開挖減少14%，填方減少10%，既減少造價，運行時又不易淤積。

3.3 基礎(chǔ)應(yīng)力變得更加均勻：電機和水泵是分開壓在基礎(chǔ)底板上的，不象立式泵那樣集中壓在一處，從而減輕了基礎(chǔ)處理的難度，日后也不易發(fā)生不均勻沉陷。

3.4 安裝檢修方便：斜式泵從進水錐管、動葉外圈、導(dǎo)葉體、出水彎管均設(shè)計成上下剖分結(jié)構(gòu)，當(dāng)拆去泵的上半部殼體后，泵的轉(zhuǎn)子部件即可裝入或拆去，當(dāng)需要改變?nèi)~片角度時，在停機情況下，可通過改變泵葉片定位銷孔的位置，重新固定，并擰緊葉片螺母即可。同時，電機與水泵不在同一立面，不用挪動電機就能拆卸水泵，安裝檢修就變得十分方便，特別是運行過程出現(xiàn)故障要緊急搶修水泵，可以減少一半的工作量。以浙江鹽官下河泵站為例，該站更換水導(dǎo)軸承從關(guān)閉檢修閘門抽水開始，僅需1～2d，即使大修大軸、轉(zhuǎn)子體、軸承部件的拆裝，在預(yù)先做好準(zhǔn)備的情況下，也只需1 周的時間，這在立軸泵是不可能的。

綜上所述，斜式軸流泵具有良好的水力性能，以及較經(jīng)濟的土建投資和方便的安裝檢修性。這些優(yōu)點在國內(nèi)已有斜式泵機組的泵站設(shè)計、制造、使用中得到初步的肯定。因此，本泵站推薦選用斜式軸流泵。

斜式軸流泵典型安裝角度一般采用15°、30°或45°。在選擇安裝角度時，應(yīng)在滿足方便出水流道、電機布置的前提下，盡量選擇較小的安裝角度，以便減小水流拐彎，提高泵站效率。排澇站采用肘形漸擴式出水流道，電機通過減速器與水泵軸聯(lián)接，電機體積小，布置空間不受限制，因此，水泵采用15°小角度安裝。

4 排澇站布置型式的選擇

進行排澇站型式選擇時，對堤后式和堤身式兩種結(jié)構(gòu)型式加以比較，擇優(yōu)取用。

4.1 堤后式方案

該段新建堤防頂寬12m，堤頂高程19.82m（已加30cm 高的防浪墻），背水坡坡度為1:2.5，占地寬10m，堤內(nèi)坡腳向內(nèi)依次是24m 寬的市政道路，路面高程為15.53m，綠化帶寬10m，其后為建筑紅線?？紤]泵站出水箱涵上裝有拍門的進人孔，有巡視檢修要求，宜預(yù)留5m 寬的通道，因此泵房背面墻邊應(yīng)建在離堤中心線至少56m 處。根據(jù)泵房布置計算，主、副廠房總寬為31.8m，長51.1m，占地面積為1337m2。建筑面積1885m2。廠房上游進水流道為6 孔5.8m×8.8m 箱涵，箱涵長15m。出水流道總長102.3m，其中廠房內(nèi)鋼筋混凝土圓管段直徑為2.4m～3.6m，長20.5m，鋼筋混凝土箱涵段為3 孔7.5m×4.5m，長81.8m。在圓管段安裝浮箱拍門，在箱涵末端安裝了防洪工作閘門及配套的啟閉機室。

4.2 堤身式方案

堤身式是將引水箱涵穿越綠化帶、公路和堤防，在堤外的灘地上興建泵房。泵房兩側(cè)翼墻與堤防相接。泵房直接擋水。堤身式泵站將副廠房布置在主廠房的下游側(cè)，為兩跨框架結(jié)構(gòu)，廠房總長51.1m，寬28m。占地面積為1430m2，建筑面積2146m2。引水箱涵為6 孔5.8m×8.0m，長66m。出水流道總長46.3m，其中鋼筋混凝土圓管段直徑為2.4m～3.6m，長20.5m，鋼筋混凝土箱涵段為3 孔7.5m×4.5m，長24.8m。在直管段安裝浮箱拍門，在箱涵末端安裝防洪工作閘門及配套的啟閉機室。

4.3 方案比較

4.3.1 地形條件：堤身式泵房占據(jù)外江灘地若不設(shè)置導(dǎo)墻，則水泵出水口水流紊亂，輕者影響水泵的出力和效率，重則造成水泵振動損傷，危及水泵的安全運行。如設(shè)置導(dǎo)墻，雖然可減輕水流紊動對水泵的不利影響，但也會影響西枝江行洪。泵房若建在堤身，管養(yǎng)房必須建在綠化帶以內(nèi)，增大了運行管理難度。另外堤身式泵站會使堤防在泵站處間斷，不利于堤防管理和綠化。而堤后式泵站則無此類問題。

4.3.2 工程地質(zhì)條件：根據(jù)地質(zhì)勘察資料得知，泵房處地基為粉質(zhì)粘土，滲透性較弱，對泵房的滲透穩(wěn)定影響不大。主要是浮托力對泵站的影響較大，當(dāng)泵站進水池最低水位為11.8m，西枝江百年一遇的洪水位18.85m，其水頭差（加安全超高）達(dá)8.05m。泵房底面積為1430m2，由于巨大的浮托力和傾覆力作用，為使泵房滿足穩(wěn)定要求，將增加很大的投資。而堤后式泵站不直接擋水，浮托力相對很小，泵房很容易滿足穩(wěn)定要求，相對堤身式而言，泵房會輕巧許多。

4.3.3 施工條件：堤身式泵站的建設(shè)需要破堤，需建防洪圍堰進行施工。由于泵站容量較大，水下部分的施工約需14個月時間，根據(jù)規(guī)范規(guī)定：施工洪水應(yīng)按20年一遇枯水期洪水位設(shè)計，圍堰堤頂高程筑至17.0m。即外江圍堰長度至少要達(dá)到350m，高6m。內(nèi)河圍堰長200m，高2.5m。土包圍堰方量為19050m3，圍堰長而高。特別在汛期，基坑抽排水量大，揚程高。而堤內(nèi)式泵站，只需將穿堤部分的箱涵及啟閉機室，采用填筑圍堰施工。施工期僅需4個月，施工洪水可按枯水期20年一遇設(shè)計，圍堰堰頂高程筑至13.5m，可利用河灘地形較高的優(yōu)勢，無需填筑圍堰，基坑也只有少量積水。堤后式優(yōu)于堤身式。

綜上所述，堤后式泵站水力條件，泵房工程量小，施工難度小，臨時工程投資少，運行管理方便，環(huán)境優(yōu)雅，作為推薦方案。

5 總體布置

排澇站建筑物包括進水池、泵房、出水管道、防洪閘等。

進水池為正面進水，進水池上游為規(guī)劃公園中的人工湖，進水池底高程為6.07m，進水池寬45.3m，單機進水流道凈寬為5.8m。由于肘型進水流道是逐漸收縮的，流道內(nèi)的水流狀態(tài)較好，水力損失較小，水泵進口采用肘型進水流道，在進水池處設(shè)電動清污機，肘形進口前設(shè)一道鋼格柵，清污機和鋼格柵之間設(shè)檢修閘門槽，并設(shè)置一扇檢修閘門。

泵房為堤內(nèi)式，布置在堤下建筑紅線以外6m 處，泵房軸線平行于文頭嶺堤中心線，泵房四周留5m 寬的巡視、檢修通道。泵房布置分為主、副廠房，主廠房分為流道層、水泵層、安裝檢修層，并安裝了QD20/5 型吊鉤橋式起重機。啟吊件最大長度為8m，最大重量小于20t。主廠房長51.1m，寬21m，在檢修間下面的流道層設(shè)有集水池，通過Φ300 鋼管與各水泵進水流道最低點相連。副廠房均為三層，主廠房的上游側(cè)副廠房為油、氣、水系統(tǒng)，值班、辦公室。下游側(cè)副廠房為電氣一、二次系統(tǒng)，中控室。各層間通過樓梯和通道連接，水泵型號為2400ZXB-2.5 斜式軸流泵。電動機型號為TXZ1000-32/2600，水泵主軸與地面成30°夾角。機組沿軸長方向的總長度為14.6m，安裝后的水平長度為12.6m。

水泵出水采取圓管式出水。排澇站處外江最高水位為18.85m，最低運行水位為11.8m?？紤]水力損失和安全超高等因素，下游水位變幅達(dá)8.9m，加之泵站為堤內(nèi)式，流道長，很難形成虹吸或形成虹吸時間需要很長，不利于水泵的安全運行，因此出水流道型式選擇直管式。根據(jù)水泵運行平穩(wěn)、關(guān)閉可靠、投資節(jié)省的原則，出水流道有20.5m的鋼筋混凝土圓管和81.8m 混凝土箱涵組成。水流過拍門后通過3×7.5m×4.5m(孔數(shù)×寬×高)壓力箱涵采取兩臺機共一個出水流道。

為保護機組安全，各泵站設(shè)置拍門斷流，在箱涵的外江出水口設(shè)防洪工作閘門。圓管尾端接DN3600 浮箱拍門，因水泵口徑大，單機流量大，為增大開啟角，減輕水頭損失和拍門撞擊力，拍門采用雙節(jié)浮箱式。閘門采用平板滑動鋼閘門，尺寸為寬×高=7.9m×4.5m，單扇閘門重10.67t。啟閉機選用QPQ-2×20t 固定卷揚式啟閉機。

結(jié)語

該排澇站已于2009年上半年建成投產(chǎn)，并進行了24h 機組聯(lián)合試運行，試運行過程中，機組軸承溫度最高為40℃，機組振動小、運行平穩(wěn)、噪音小，這些現(xiàn)象說明，泵裝置運行是高效、可靠、穩(wěn)定的，完全達(dá)到了設(shè)計要求。

[1] 孫曲平.南河排澇站的設(shè)計特色與綜合效益[J].江西水利科技,1999-03-30.