高揚(yáng)程長距離灌溉泵站設(shè)計要點(diǎn)

沈煥珍

（山西省臨汾市水利勘測設(shè)計院，041000，臨汾）

自2010年起，山西引黃泵站工程、中部引黃縣域小水網(wǎng)工程相繼啟動了規(guī)劃設(shè)計工作，這兩個工程的共同特點(diǎn)是：均位于山西省中南部的臨汾市西山區(qū)，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，山高溝深，地形復(fù)雜，水資源匱乏，多數(shù)是從黃河或水庫提水后，采用高揚(yáng)程、長距離的多級泵站提水灌溉。因此，灌溉泵站設(shè)計的重點(diǎn)是如何針對這些特點(diǎn)，因地制宜，揚(yáng)長避短，通過優(yōu)化設(shè)計，提高泵站的出力和經(jīng)濟(jì)效益。

一、工程特點(diǎn)及存在問題

1.工程特點(diǎn)

（1）揚(yáng)程高，變幅大

①灌溉泵站從黃河或水庫取水，因來、用水量不均勻，取水位變幅大，灌溉垣面高差大又導(dǎo)致出水水位變幅大；②取水點(diǎn)與灌溉垣面地形高差大，加之長距離輸水造成較大的水頭損失，使水泵總揚(yáng)程高。

（2）距離長

取水點(diǎn)與灌溉垣面距離遠(yuǎn)，蜿蜒曲折的道路、起伏不平的地面、縱橫交錯的溝壑三者疊加，更加大了輸水管道長度。

（3）地形復(fù)雜

泵站取水點(diǎn)位于低洼的黃河或水庫內(nèi)，灌溉區(qū)則位于較遠(yuǎn)的垣地上，管道多數(shù)是沿溝道而行，道路坡度緩，彎道多。

（4）地質(zhì)條件差

泵站地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)，主要出露第四系中更新統(tǒng)離石組(Q2)及上更新統(tǒng)馬蘭組(Q3)黃土，分布于塬、梁、峁上中部，為黃土狀堆積地層。在自重應(yīng)力和建筑物壓應(yīng)力共同作用下，土層浸水后結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，從而發(fā)生顯著壓縮變形，變形多是局部和突然發(fā)生。且具有不均勻性，對建筑物破壞大，危害嚴(yán)重。

2.建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)

（1）級站確定

泵站揚(yáng)程高，變幅大，輸水距離又長，級站確定是控制投資的關(guān)鍵，也是今后運(yùn)行管理的基礎(chǔ)，級站劃分與站址選擇是設(shè)計工作的基礎(chǔ)。

（2）機(jī)組配套及壓力管道

機(jī)組配套、壓力管道是泵站工程的主體和核心，不僅關(guān)系著工程投資，而且影響著工程效益與工程壽命，做好機(jī)組選型與配套、管路設(shè)計是設(shè)計工作的重點(diǎn)。

（3）預(yù)防水錘現(xiàn)象

在高揚(yáng)程、長距離的壓力管道中，當(dāng)發(fā)生閘閥突然關(guān)閉、機(jī)組突然停車等情況時，管內(nèi)水流速突然發(fā)生變化從而引起壓力急劇升高和降低的交替變化，可引起管道破裂、管道癟塌、損壞閥門和固定件等危害。

（4）地基濕陷性黃土

泵站的進(jìn)出水池、廠房不可避免地會集水、滲漏水，其濕陷性黃土地基遇水時發(fā)生不均勻沉陷，若處理不當(dāng)，會使建成的泵站建筑物輕者沉陷、裂縫，重者傾斜、倒塌。

二、泵站設(shè)計要點(diǎn)

1.站級確定

級站劃分與站址選擇應(yīng)從七方面考慮：①滿足灌溉規(guī)劃要求；②結(jié)合地形條件力求做到自流輸水、自流灌溉、高低水灌溉；③級站不宜過多，以投資省、施工方便、運(yùn)行費(fèi)用低、總功率最小為原則；④站址有利于控制提灌范圍，輸水系統(tǒng)布置較為經(jīng)濟(jì)；⑤站址宜選在地形開闊、岸坡適宜、利于工程布置的地點(diǎn)；⑥站址處巖土堅實，應(yīng)避開濕陷性黃土、雜填土、坡積土、斷裂構(gòu)造帶等不良地基；⑦從黃河取水時站址宜選在主流穩(wěn)定、泥沙量少的凹岸，從水庫取水時站址宜選在岸坡穩(wěn)定、取水方便、少受淤積的地點(diǎn)。

2.機(jī)組配套

（1）一級泵站

①從水庫取水時，一級泵站設(shè)計流量特別是配套功率不宜過大，配套機(jī)組數(shù)量宜為單數(shù)，以減小泵車或浮船振動以及防止抽水時傾斜角度過大；②從水庫或壩后取水時，宜選擇“效率曲線”平緩的水泵，配套電機(jī)功率宜略大于最大揚(yáng)程時水泵軸功率，以保證機(jī)組在平均揚(yáng)程時在高效區(qū)工作，在最大、最小揚(yáng)程時能夠工作。

（2）二級及以上泵站

①分垣面、按高程范圍分組統(tǒng)計灌溉面積，進(jìn)而確定設(shè)計流量，按組內(nèi)設(shè)計流量及最大揚(yáng)程配套水泵，可適當(dāng)增加水泵數(shù)量，以適應(yīng)揚(yáng)程變化大的要求，達(dá)到節(jié)約電能、降低運(yùn)行費(fèi)用目的；②下一級站的抽水流量宜與上一級站的供水流量相近，以免出現(xiàn)棄水過大或“大馬拉小車”的現(xiàn)象。

3.管路設(shè)計

（1）管路布設(shè)

在平面布置上，管路基本沿現(xiàn)有道路而行，局部地段裁彎取直。最大優(yōu)點(diǎn)是：現(xiàn)有的道路可為材料運(yùn)輸與設(shè)備進(jìn)出場提供有利條件，便于機(jī)械化施工，減輕施工協(xié)調(diào)任務(wù)并降低費(fèi)用，為今后運(yùn)行管理打下基礎(chǔ)。在立面布置上，管路基本平行于地面布設(shè)，要求管道埋入當(dāng)?shù)刈畲髢鐾辽钜韵?。其?yōu)點(diǎn)在于：一是有效防止了管道凍脹破壞；二是減小了因水錘產(chǎn)生的管道振動；三是便于管路附件設(shè)置，防止自然和人為破壞。

（2）管徑及管材

①管徑根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速確定，不宜大于2 m/s，以減少水頭損失從而降低運(yùn)行費(fèi)用；②管材按管道工作壓力并結(jié)合管徑確定。根據(jù)以往經(jīng)驗，壓力大于2.0 MPa時一般選用鋼管，壓力為0.6～2.0 MPa時可選用球磨鑄鐵管或預(yù)應(yīng)力混凝土管，壓力小于0.6 MPa時可選用聚乙烯塑料管或玻璃鋼管。在滿足工作壓力的情況下，直徑大于1.2 m的管道可選用預(yù)應(yīng)力混凝土管，直徑為0.6～1.2 m的管道可選用球磨鑄鐵管，直徑小于0.6 m的管道可選用聚乙烯塑料管、聚氯乙烯塑料管或玻璃鋼管。

（3）管路附件

為保證管道正常運(yùn)行，方便工程維護(hù)與管理，在輸水管道上設(shè)管路附件。在管道隆起的部位設(shè)自動排氣閥；結(jié)合工程情況，在管路低處設(shè)泄水閘，閘后設(shè)泄水管道，泄水閘處設(shè)閘閥井；在管路經(jīng)過的灌溉垣面或附近適當(dāng)位置設(shè)分水閘并配套閘閥井，井內(nèi)設(shè)分水閘、節(jié)制閘、消能閥、流量表等；結(jié)合彎道布置，間隔150～200m設(shè)活接頭一個；結(jié)合彎道及活接頭布置設(shè)置檢修井。

4.水錘現(xiàn)象預(yù)防

（1）延長開關(guān)時間

在壓力管道出水側(cè)安裝微阻緩閉止回閥或手動閘閥，通過延長開閘和關(guān)閘時間，來預(yù)防水錘的發(fā)生。

（2）設(shè)自動排氣閥

在長距離輸水管道的隆起部位設(shè)自動排氣閥以排除管道內(nèi)的空氣，使管道內(nèi)充滿水后再開啟水泵。

（3）設(shè)“薄弱段”

在進(jìn)水池附近主壓力管道上設(shè)“薄弱段”，其管徑同主管道，工作壓力為設(shè)計工作壓力的1.2～1.4倍，當(dāng)“薄弱段”管內(nèi)壓力超過其允許的工作壓力時即發(fā)生崩裂，水從此處流出。該處設(shè)有引水設(shè)施，將水引入泵站進(jìn)水池，進(jìn)水池的側(cè)墻上設(shè)溢流堰，堰后依次設(shè)溢流渠、消能設(shè)施，將水排走。

5.地基處理

當(dāng)泵站建筑物進(jìn)出水池、廠房無法回避坐落于濕陷性黃土地基上時，需從如下三方面著手處理。

（1）預(yù)浸水處理

預(yù)浸水處理共分三步：①按建筑物的基礎(chǔ)輪廓適當(dāng)外延確定浸水范圍后，開挖土坑至建基面以下1.5～2.0 m，并在附近設(shè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)以觀測地表及土坑沉陷變形情況；②往土坑內(nèi)注水，初期水位不宜過高，待周圍地表出現(xiàn)環(huán)形裂縫后再提高水位；③土坑內(nèi)設(shè)觀測點(diǎn)定期觀測，并繪制沉陷量—時間關(guān)系曲線，當(dāng)沉陷基本穩(wěn)定時即可停止注水。

（2）素土墊層處理

由于建筑物對地基承載力要求不高，故采用就地取材、施工簡便、費(fèi)用少的素土夯實法，其單層夯填高度不小于30 cm，壓實度不小于0.96,填土前應(yīng)將土坑晾曬至最優(yōu)含水量以下，以免夯實出現(xiàn)彈簧土。

（3）地基防滲處理

建筑物側(cè)墻與底板采用防滲效果好的混凝土整體結(jié)構(gòu)，伸縮縫、沉陷縫處要做好止水處理，同時做好周邊一定范圍內(nèi)硬化與排水，以防雨水侵入。

三、結(jié) 語

對于高揚(yáng)程、長距離灌溉泵站的設(shè)計，“級站確定”應(yīng)著重從灌溉規(guī)劃、地形條件、地質(zhì)條件、水文及水力條件、工程投資、運(yùn)行費(fèi)用等方面考慮；“管路設(shè)計”應(yīng)從管路的平面及立面布置、管徑及管材方面進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)實際情況設(shè)置管路附件；“水錘現(xiàn)象預(yù)防”宜采用延長開關(guān)時間、設(shè)自動排氣閥、主壓力管道上設(shè)“薄弱段”的綜合方法；“地基處理”則應(yīng)依次采用預(yù)浸水處理、素土墊層處理、地基防滲處理的綜合處理方法。采取以上優(yōu)化設(shè)計有利于提高泵站的經(jīng)濟(jì)效益。