淺談高山丘陵區(qū)多級(jí)提水泵站設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題

田龍

甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 甘肅蘭州 730000

摘要：隨著近年來高山丘陵區(qū)多級(jí)提水泵站工程建設(shè)的增多，逐漸總結(jié)出了一些此類工程經(jīng)驗(yàn)，本文著重介紹了該類型工程中容易被忽視，但對(duì)工程會(huì)造成不同程度不良影響的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、線路選擇、泵站進(jìn)出水建筑物，泵站出水管道等設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：高山丘陵區(qū)；多級(jí)提水泵站；設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

近年來，隨著國(guó)家政策的扶持，高山丘陵區(qū)提水工程逐漸開工建設(shè)或即將開工建設(shè)，高揚(yáng)程多級(jí)提水泵站工程逐漸增多，以下就此類工程的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、線路選擇、泵站進(jìn)出水建筑物，泵站出水管道等在設(shè)計(jì)時(shí)容易被忽視的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法做一論述。

一、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包括工程規(guī)模、建筑物等級(jí)、防洪標(biāo)準(zhǔn)、抗震標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容，對(duì)于高山丘陵區(qū)高揚(yáng)程多級(jí)提水泵站工程，上述各標(biāo)準(zhǔn)如果定的太低，雖說能減少工程投資，但工程效益也會(huì)隨之減小，如果設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)太高，雖能增加工程效益，但工程投資也相應(yīng)增大，所以說設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)整個(gè)工程的投資和工程效益具有決定性的影響，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的選取要有準(zhǔn)確的把握，首先應(yīng)根據(jù)國(guó)家統(tǒng)一編制的規(guī)范，結(jié)合工程任務(wù)和建設(shè)內(nèi)容擬定工程等別及規(guī)模，然后在擬定的工程等別和工程規(guī)模的前提下，結(jié)合泵站管道及泵站建筑物分別所承擔(dān)的工程任務(wù)以及工程特性，確定各建筑物級(jí)別及相應(yīng)防洪標(biāo)準(zhǔn)。在擬定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，泵站建筑物同時(shí)應(yīng)結(jié)合裝機(jī)流量及裝機(jī)功率確定建筑物級(jí)別及防洪標(biāo)準(zhǔn)，按較高的標(biāo)準(zhǔn)及級(jí)別選定。在建筑物抗震設(shè)計(jì)中，抗震設(shè)計(jì)應(yīng)符合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011）和《構(gòu)筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50191）的有關(guān)規(guī)定，同時(shí)需注意，對(duì)于村鎮(zhèn)供水工程，《村鎮(zhèn)供水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 687-2014）中規(guī)定I～I(xiàn)II型供水工程的主要建（構(gòu)）筑物應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高1度采取抗震措施。

二、線路布置

在高山丘陵區(qū)多級(jí)提水泵站中，泵站管道適應(yīng)地形能力較強(qiáng)，線路布置時(shí)在避開不良地質(zhì)條件的前提下，首先應(yīng)結(jié)合規(guī)劃提水的各供水點(diǎn)位置，優(yōu)先考慮線路最短方案，并結(jié)合交通、供電、施工、運(yùn)行方便等條件，比選線路確定最優(yōu)方案。需特別說明的是，在高山丘陵區(qū)布置泵站線路時(shí)，泵站線路起點(diǎn)至泵站供水點(diǎn)中間如遇高嶺、深溝地段需穿（跨）越時(shí)，不應(yīng)單純的考慮采用泵站上水管道一次性跨越，而應(yīng)結(jié)合工程建設(shè)條件特性，做多方案比選工作，如在取水點(diǎn)至供水點(diǎn)之間從在較高的山嶺阻隔時(shí)，如只采用泵站提水跨過高點(diǎn)的方案時(shí)，因多級(jí)泵站運(yùn)行期間耗電量較高，會(huì)增加不必要的運(yùn)行成本，而結(jié)合隧洞穿越方案時(shí)，可能會(huì)增加工程一次性投資，但因提水揚(yáng)程的大幅度降低，運(yùn)行期費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)降低，所以首先根據(jù)提水泵站方案、提水泵站結(jié)合隧洞方案的工程投資、需根距不同方案的提水總揚(yáng)程、裝機(jī)總功率，年耗電量、結(jié)合當(dāng)?shù)靥崴妰r(jià)，計(jì)算出供水總成本費(fèi)用、年運(yùn)行費(fèi)、單方水成本及單方水運(yùn)行成本等參數(shù)、從而得出單方水投資差額投資內(nèi)部收益率，并與社會(huì)折現(xiàn)率進(jìn)行比較、結(jié)合線路施工條件、環(huán)境影響、征地移民、建設(shè)工期要求等多個(gè)方面分析不同方案的存在的優(yōu)缺點(diǎn)比選出最優(yōu)方案，而不能單從一次性投資多少的角度選取方案。如遇切割較深的溝道，管道從溝底穿越時(shí)，隨著溝道深度的增加，泵站水錘壓力增大，泵站出水管道承壓等級(jí)增加，相應(yīng)增加工程投資，在溝道深度超過一定范圍時(shí)，如采用結(jié)合渡管等方案跨越，則有可能會(huì)優(yōu)于管道布置方案，所以同樣需從工程總投資、環(huán)境影響、征地移民、施工條件、建設(shè)工期要求等多個(gè)方面比選確定最優(yōu)方案。

三、泵站建筑物布置

多級(jí)提水泵站建筑物一般由泵房與進(jìn)出水建筑物組成，泵站進(jìn)水建筑物一般由引水渠（涵）、進(jìn)水池、前池等組成，出水建筑物一般為出水池，以下就泵站建筑物在引水渠、進(jìn)水池型式、進(jìn)水池容積、溢流建筑物設(shè)置等幾個(gè)方面設(shè)計(jì)時(shí)容易忽視的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行論述。

1、引水渠設(shè)計(jì)：多級(jí)提水泵站中一般在上級(jí)泵站出水池后接引水渠道至下級(jí)泵站建筑物前池，受地形條件限制，泵站引水渠有時(shí)需布置彎道，彎道半徑一般不小于水面寬的3倍，同時(shí)，彎道終點(diǎn)與前池前池進(jìn)口之間一般設(shè)直線段，長(zhǎng)度大于水面寬的8倍。如引水渠布置不滿足上述規(guī)定時(shí)，有可能會(huì)造成泵站前池、進(jìn)水池的水流流態(tài)不佳而影響泵站正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意。

2、進(jìn)水池設(shè)計(jì)：泵站進(jìn)水池在進(jìn)水池型，有矩形、多邊形、半圓形、圓形、馬鞍形、窩殼型等多種形式，設(shè)計(jì)時(shí)，泵站進(jìn)水池在水流流態(tài)方面最主要的問題是考慮減少旋窩及回流，幾種類型的集水池在這兩方面各有利弊。矩形進(jìn)水池應(yīng)用較廣，其最主要的問題是拐角處容易出現(xiàn)漩渦，為改善流態(tài)，進(jìn)水管應(yīng)盡可能靠近后墻。圓形進(jìn)水池最主要的問題是容易產(chǎn)生回流，需采用改善措施，但因其形式簡(jiǎn)單，便于施工，受力條件好，可節(jié)省工程量，又由于池底沒有死水區(qū)以及在臺(tái)坎下形成以水平線為軸線的旋滾區(qū)，對(duì)含沙水流起攪拌作用，是目前解決泥沙淤積的一種有效形式，所以在多泥沙提水泵站中應(yīng)優(yōu)先選用。其它幾種型式的進(jìn)水池進(jìn)水流態(tài)條件介于矩形進(jìn)水池與圓形進(jìn)水池之間，一般在有特殊要求的工程中選用。

為了滿足泵站正常連續(xù)運(yùn)行的需要，進(jìn)水池水下部分必須保證有適當(dāng)?shù)娜莘e。進(jìn)水池的容積水下容積可按共用該進(jìn)水池的水泵30～50倍設(shè)計(jì)流量確定，既滿足秒換水系數(shù)倍數(shù)的要求，同時(shí)還應(yīng)注意到在確定水下容積時(shí)，泵站水下容積不包含臨界淹沒深度以下部分的容積。因泵站進(jìn)水管口臨界淹沒深度對(duì)水泵進(jìn)水性能具有決定性的影響，如當(dāng)水中混有1%空氣時(shí)，水泵效率下降5%～15%，混入空氣含量達(dá)到10%時(shí)，直接影響水泵不能工作。所以進(jìn)水池容積確定時(shí)要保證在最不利工況運(yùn)行水位時(shí)，進(jìn)水池水面至進(jìn)水管口臨界淹沒深度范圍的容積滿足30～50倍的秒換算系數(shù)。

3、前池溢流設(shè)施，在多級(jí)提水泵站中，如果某一級(jí)提水泵站出現(xiàn)事故，上級(jí)泵站的來水則無處宣泄，所以宜在前池設(shè)置溢流設(shè)施，多級(jí)泵站建筑物布置在流量較小可以用溢流管溢流時(shí)，應(yīng)布置溢流管，在流量較大造成溢流管截面面積較大而布置困難時(shí)，可采用在前池前布置溢流堰的方式進(jìn)行溢流，將非常情況下多余水量泄入附近溝道，各級(jí)泵站出水管最低點(diǎn)處設(shè)排水管，以保證泵站安全。

四、泵站出水管道設(shè)計(jì)

在多級(jí)提水泵站中，一般揚(yáng)程較高，管線較長(zhǎng)，泵站容量較大，泵站出水管道在的管徑所占的投資比例較高，管徑的大小不僅直接決定了工程一次性投資的大小，而且因?yàn)槎嗉?jí)提水泵站一般管線較長(zhǎng)，管徑微小的變化造成泵站總楊程大幅度的變化，直接影響泵站容量的大小，決定運(yùn)行期耗電量即運(yùn)行費(fèi)用的變化。所以在泵站設(shè)計(jì)時(shí)，泵站管徑選擇的合理性是非常重要的一項(xiàng)工作。泵站管徑的選擇一般要根據(jù)年費(fèi)用最小法求得，首現(xiàn)根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速2.5～3.5m/s（小管徑取小值，大管徑取大值）估算管徑，然后根據(jù)求得管徑和根據(jù)工程特性選定的管材糙率，在范圍內(nèi)以50mm為模數(shù)大小浮動(dòng)假定管徑計(jì)算管路阻力參數(shù)值，利用不同管管徑管路阻力參數(shù)值計(jì)算出水泵裝置的總楊程。根據(jù)不同管徑下的總楊程選擇不同的泵站機(jī)組，按照機(jī)組效率與管道效率，計(jì)算出相應(yīng)管徑下的泵站效率，再根據(jù)泵站效率及泵站運(yùn)行時(shí)間計(jì)算出年費(fèi)用。年費(fèi)用包括年耗電費(fèi)及年生產(chǎn)費(fèi)用兩部分，年耗電費(fèi)由水泵運(yùn)行時(shí)間及水泵效率計(jì)算得出，年生產(chǎn)費(fèi)用由管徑、管材價(jià)格、管道長(zhǎng)度、年折舊費(fèi)、機(jī)組臺(tái)數(shù)等計(jì)算得出。然后將根據(jù)上述方法計(jì)算出不同管徑下的年費(fèi)用列表，將列表中得出的年費(fèi)用最小的管徑作為選定管徑。

五、結(jié)語

高山丘陵區(qū)高揚(yáng)程多級(jí)提水泵站工程設(shè)計(jì)中，除上述提到的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)在設(shè)計(jì)中需引起重視外，還需繼續(xù)總結(jié)近年來建成的類似工程的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步研究探索，結(jié)合不同工程自身的特點(diǎn)，多方案比選，精心設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

【1】、取水輸水建筑物叢書--陳德亮主編--北京：中國(guó)水利水電出版社--2002年9月第一版