改造虹吸式出水流道，提高泵站運(yùn)行效率

代 艷

（益陽市明山電排管理站 益陽市 413204）

蔡 雙

（益陽水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院 益陽市 413000）

因?yàn)橐簤壕彌_裝置和快速拍門技術(shù)沒有出現(xiàn)，20 世紀(jì)湖南省湖區(qū)建成的大型排澇泵站出水流道多采用虹吸式。下面以某泵站過去運(yùn)行的實(shí)例與改為直管式后的效果比較，充分說明湖區(qū)大型排澇泵站技術(shù)更新改造的必要性和重要性。

1 存在的主要問題

（1）虹吸式出水流道，機(jī)組啟閉過程復(fù)雜。虹吸式出水流道運(yùn)行中需要配套真空泵系統(tǒng)和低壓氣機(jī)系統(tǒng)，通過閘閥控制抽取流道內(nèi)空氣和破壞流道內(nèi)真空。機(jī)組啟動(dòng)前，關(guān)閉真空閥，啟動(dòng)真空泵將出水流道內(nèi)的空氣排出，在大氣壓力下使流道內(nèi)的內(nèi)外水位抬高，流道內(nèi)形成虹吸，真空度根據(jù)內(nèi)外河水位差計(jì)算，或者由人工通過駝峰頂透視有機(jī)玻璃壓板觀察外河水位升高至漫過駝峰頂時(shí)停止抽真空，啟動(dòng)機(jī)組。正常抽取真空時(shí)間每臺一般需要（20～30）min，如流道漏氣則需要（1～2）h。機(jī)組正常停機(jī)，由主水泵機(jī)組斷路器輔助觸點(diǎn)聯(lián)動(dòng)啟動(dòng)真空破壞閥，利用低壓氣機(jī)頂開真空破壞閥門后向流道內(nèi)補(bǔ)氣，促使出水流道的水以駝峰頂分界斷流。停機(jī)過程中，往往由于電磁閥拒動(dòng)或者低壓供氣不足而導(dǎo)致真空破壞閥不能打開，外河水倒灌使機(jī)組飛速反轉(zhuǎn)，必須由人工迅速用大錘敲碎駝峰頂有機(jī)玻璃壓板破壞真空。在電網(wǎng)突然停電情況下，幾臺主機(jī)組同時(shí)停機(jī)，副廠房真空破壞閥全部開啟，瞬間空氣大量吸入，影響設(shè)備和人身安全。

（2）外河超限水位下，泵站安全受到威脅。某泵站虹吸式出水流道設(shè)計(jì)外河最高洪水位33.4 m（駝峰頂高程33.8 m），外河最低運(yùn)行水位27.8 m（出水口頂高程27.6 m）。由于湖區(qū)水文條件逐年變化，要求在外河極限水位下運(yùn)行情況時(shí)有發(fā)生，當(dāng)外河水位低于27.8 m 以下，虹吸式流道出水口露在水面而無法形成真空，當(dāng)外河水位高于33.8 m時(shí)，流道無法抽取真空，兩種極端情況下因?yàn)樗眠\(yùn)行揚(yáng)程太高而不能開機(jī)。當(dāng)外河水位低于運(yùn)行水位時(shí)，泵站必須組織人員在外渠臨時(shí)筑壩灌水淹沒出水口滿足抽取真空條件，一般要延誤開機(jī)運(yùn)行時(shí)間數(shù)天，造成內(nèi)漬。最為嚴(yán)重的是外河超駝峰水位情況下不能開機(jī)，比較典型的超駝峰漫水年份為1988年、1996年、1998年、2002年，每當(dāng)外河超高水位時(shí)，正是內(nèi)澇最為嚴(yán)重的時(shí)候，外河水位超駝峰漫水，泵站人員必須拆除有機(jī)玻璃壓板進(jìn)入駝峰頂部，用人工搬運(yùn)泥袋設(shè)壩攔堵，避免洪水倒灌損壞機(jī)組。一旦外河水位消退至駝峰頂以下時(shí)，立即清除泥土，恢復(fù)真空設(shè)施，迅速準(zhǔn)備開機(jī)排漬。以上情況的出現(xiàn)，對垸內(nèi)防洪安全、泵站設(shè)備及操作人員的安全帶來很大的威脅。

（3）虹吸管流道斷裂，運(yùn)行效率明顯下降。由于湖區(qū)地質(zhì)條件差，該泵站建于20 世紀(jì)70年代，出水流道基礎(chǔ)處理時(shí)，采取了回填新土夯實(shí)的方式，夯壓不實(shí)，填土后立即澆筑墊層及結(jié)構(gòu)混凝土等原因，出水流道出現(xiàn)不均勻沉降，流道出現(xiàn)裂紋，在冬季低溫季節(jié)受氣溫低收縮的作用，裂縫部位逐步擴(kuò)展至內(nèi)坡段的駝峰附近，加之由于泵站在運(yùn)行時(shí)振動(dòng)較大，進(jìn)一步加劇了出水流道的裂縫擴(kuò)張。針對這一情況，曾經(jīng)兩次采用深孔高壓灌漿辦法對出水流道進(jìn)行了基礎(chǔ)加固處理，基本每年在流道內(nèi)對裂縫進(jìn)行環(huán)氧樹脂填充修復(fù)，仍收效甚微，未解決根本問題。由于流道裂縫較多、氣密性差，致使每年汛期排澇時(shí)抽排真空時(shí)間逐年加長，機(jī)組運(yùn)行揚(yáng)程升高，振動(dòng)加劇，能耗加大，排水效益降低，設(shè)備故障率高，運(yùn)行成本增加。虹吸式出水流道的斷裂成為了影響泵站機(jī)組安全運(yùn)行，威脅受益區(qū)安全度汛的關(guān)鍵因素。

2 改造方案的選定與實(shí)施

2.1 兩種方案比較

針對虹吸式出水流道存在的不均勻沉降導(dǎo)致斷裂問題，結(jié)合泵站型式和湖區(qū)水文、地質(zhì)條件，可采用以下兩種改造方案：

方案1：對現(xiàn)有出水流道進(jìn)行修復(fù)。工程措施為進(jìn)行基礎(chǔ)整體加固，流道斷裂和裂縫部位處理，出口防洪門改造，真空系統(tǒng)和真空破壞閥系統(tǒng)更新改造。優(yōu)點(diǎn)：部分設(shè)備設(shè)施利舊，節(jié)省改造資金，發(fā)揮虹吸式出水流道在低水頭情況下的運(yùn)行優(yōu)勢。缺點(diǎn)：運(yùn)行操作復(fù)雜，不適應(yīng)內(nèi)外高水位差和外河超限水位情況下的運(yùn)行。

方案2：將虹吸式出水流道改造為直管式出水流道，根據(jù)堤后式泵站的布置型式，結(jié)合內(nèi)外河水文資料，采用直管式出水流道代替虹吸式出水流道。從省內(nèi)外多處大型排澇泵站虹吸式出水流道改直管式出水流道成功經(jīng)驗(yàn)來看，優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行方便，揚(yáng)程損耗小。缺點(diǎn)：拆除新建一次性投入改造資金大。

綜合以上方案進(jìn)行比較，從泵站長遠(yuǎn)整體效益來看，出水流道改造宜選用將虹吸式出水流道改為直管式出水流道方案。

2.2 地質(zhì)條件

該泵站站址系洞庭湖沖湖積平原與構(gòu)造剝蝕殘丘的過渡地帶，是洞庭湖區(qū)難得的巖基出露地帶，泵站基礎(chǔ)系強(qiáng)化灰綠色砂質(zhì)板巖夾黃色千枚狀頁巖，巖層傾向325°，傾角20°，基巖出露高程自東向西及西北傾斜，地層較簡單。

工程區(qū)地表層上部為黃褐～灰黃色粉質(zhì)粘土，可塑狀態(tài)，現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)5～6 擊，厚（1.4～3.3）m 不等。下部為灰黃色粉細(xì)砂與灰黑色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粘土層，其中粉細(xì)砂層結(jié)構(gòu)松散，厚度（0.6～4.9）m，以2～3 層單層與淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層“互層”分布，局部呈透鏡體分布?；液谏倌噘|(zhì)粉質(zhì)粘土層，一般呈軟塑狀態(tài)，力學(xué)性狀較差，現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)3～5 擊，厚度（1.6～7.9）m 不等，主要分布于（18～24）m 高程之間。

2.3 工程設(shè)計(jì)

（1）基礎(chǔ)處理設(shè)計(jì)。由于經(jīng)過多次滲透破壞，閘基下部存在大量空洞，施工時(shí)對原已進(jìn)行漿砌石換基處理的閘基進(jìn)行充填灌漿，對未處理的閘基則采用漿砌石換填處理。閘基下部存在粉細(xì)砂層和粉質(zhì)粘土夾粉細(xì)砂層水平滲透性較好，對其進(jìn)行延長閘前防滲鋪蓋（混凝土結(jié)構(gòu)）、閘后砂石層導(dǎo)濾等防滲處理措施。對下部存在較厚的高壓縮性土層、含水量高的閘基，進(jìn)行深攪樁加固處理。

（2）施工設(shè)計(jì)。出水流道拆除混凝土至主廠房下游墻外邊線，按主廠房內(nèi)已有出水流道中心線1∶2.0 的坡度趨勢與本次設(shè)計(jì)出水涵管中心線高程30.194 m 以圓弧相交，涵管凈高2.5 m，切點(diǎn)以出主廠房流道內(nèi)邊頂點(diǎn)為控制，中心線圓弧角度為26.57°，圓弧半徑5.606 m。平面上按已有機(jī)組間距及廠房內(nèi)部流道尺寸的擴(kuò)散趨勢，與外部設(shè)計(jì)涵管每孔凈寬為5.8 m 時(shí)相交確定，每孔涵管中設(shè)置隔墩，厚0.4 m、0.5 m 不等，邊墩、縫墩厚度1 m，1#、2#機(jī)組間分縫，縫墩厚度0.6 m。涵管段總長28.70 m，保持原有的流道平面長度不變。

將原有混凝土流道按設(shè)計(jì)流道結(jié)構(gòu)所需尺寸切割完成，剩余的流道孔口、原老閘涵管及右側(cè)經(jīng)現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)確定地基承載120 kPa，不滿足設(shè)計(jì)要求，故采用水墜砂卵石填充；流道左側(cè)1#機(jī)部位現(xiàn)場地基承載力試驗(yàn)數(shù)據(jù)為240 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)地基的不同分類，將出水流道分縫調(diào)整為1#機(jī)1 縫，2#、3#機(jī)1 縫，4#、5#、6#機(jī)1 縫；橫縫按已有涵管下漿砌石基礎(chǔ)墩的不同位置長度設(shè)置；縫縫之間采用橡膠止水帶止水。

閘室底板高程28.644 m，長度7.8 m，閘頂高程36.30 m，靠上游側(cè)設(shè)置進(jìn)人孔兼做通氣孔，3 機(jī)1縫，各機(jī)組間設(shè)置隔墩；每機(jī)考慮2 片拍門，拍門底板高程28.944 m，頂高程32.534 m，中間隔墩支撐。出水流道底板高程28.644 m 與原有消力池底板高程22.60 m 之間，為避免跌坎消能，淘刷閘基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)1∶2.0 的斜坡段銜接，填筑材料為漿砌石，面板為0.5 m 厚防滲抗沖面板。

涵管開挖回填后，要求恢復(fù)其原有的混凝土公路路面及鄰近銜接道路，公路高程36.80 m，寬8 m，上下游坡比1∶2.0，草皮護(hù)坡。

每臺機(jī)組出水流道均分兩孔，孔口尺寸為2-2.65 m×2.2 m（孔數(shù)-寬×高），管道末端裝設(shè)兩扇電動(dòng)油壓拍門控制。拍門垂直方向夾角10°，最大開啟角度70°，可隨機(jī)組同步開啟和關(guān)閉，防止洪水倒灌和機(jī)組反轉(zhuǎn)，確保了機(jī)組安全運(yùn)行。

2.4 施工建設(shè)

由于原倒虹吸混凝土出水流道地板開挖后發(fā)現(xiàn)遺留五孔廢閘，未作處理。經(jīng)過補(bǔ)充勘探地質(zhì)報(bào)告，對原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后的設(shè)計(jì)方案：采用水墜砂礫石回填，預(yù)Ф110 PVC 管埋灌水泥漿的處理辦法。2007年11月5日，在排水措施準(zhǔn)備完畢后，施工人員用人工回填砂礫石并高壓水槍反復(fù)沖墜的辦法回填砂礫石，并按設(shè)計(jì)要求預(yù)埋好Ф110 PVC 管，然后充填灌漿處理。根據(jù)檢測報(bào)告顯示，出水流道水墜砂礫石充填灌漿現(xiàn)場平板載荷試驗(yàn)3 點(diǎn)，地基豎向抗壓承載力滿足出水流道對地基豎向抗壓承載力240 kPa 的設(shè)計(jì)要求。

混凝土澆筑時(shí)巧遇2008年嚴(yán)重冰凍，低溫期間采用稻草布麻袋塑料布三層覆蓋。針對在其迎風(fēng)面和邊角等多處新澆筑混凝土結(jié)構(gòu)呈蜂窩狀和粉未狀等明顯的凍壞痕跡，為了不影響出水流道的整體結(jié)構(gòu)及承載力性能，采取了風(fēng)鉆、人工等方式加班加點(diǎn)，及時(shí)進(jìn)行拆除和修復(fù)。

3 運(yùn)行評價(jià)與建議

（1）出水流道結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便。直管式出水流道設(shè)計(jì)簡單，虹吸式出水流道因形態(tài)復(fù)雜設(shè)計(jì)工作量大，特別在進(jìn)行流量和流態(tài)復(fù)核計(jì)算中，直管式在增加或減少20%流量情況下流態(tài)基本穩(wěn)定，而虹吸式必須要進(jìn)行流道脫流和出口段環(huán)流量模擬測試?，F(xiàn)場施工中直管式出水流道布置簡單，荷載基本均勻，在基礎(chǔ)加固、鋼筋制安、混凝土澆筑等方面施工易于控制質(zhì)量與進(jìn)度。同時(shí)，直管式出水流道還省去了真空系統(tǒng)的配套設(shè)施。改造后投入運(yùn)行的幾年中，僅對出水口拍門進(jìn)行了維修，流道年度維護(hù)、保養(yǎng)要簡單方便很多。

（2）機(jī)組啟動(dòng)過程簡化，運(yùn)行平穩(wěn)。直管式出水流道在開機(jī)前沒有必須抽取真空的環(huán)節(jié)，簡化了開機(jī)準(zhǔn)備程序，節(jié)省了開機(jī)時(shí)間，提高了開機(jī)可靠性。直管式出水流道機(jī)組啟動(dòng)至平穩(wěn)運(yùn)行過程，僅為出水流道內(nèi)出水流勢由紊流趨于常態(tài)的過程，時(shí)間短、機(jī)組振動(dòng)小。

（3）減小出水流道損失，效率提高。針對大型低揚(yáng)程泵站出水流道而言，水力損失占泵站揚(yáng)程的15%～25%，很大程度上影響泵站裝置效率。在某大學(xué)選定的出水流道模型測試中，因?yàn)橹惫苁匠鏊鞯烙幸粋€(gè)90°轉(zhuǎn)向角，與其虹吸式出水流道比較水力損失值要大一些，國內(nèi)一些學(xué)者也極力堅(jiān)持虹吸式出水流道優(yōu)于直管式出水流道，筆者認(rèn)為這是一個(gè)錯(cuò)誤導(dǎo)向。我們在兩種流道形式的水力損失比較中，必須考慮虹吸式出水流道存在的機(jī)組啟動(dòng)過程高揚(yáng)程運(yùn)行水力損失階段和駝峰頂斷面為防止水流態(tài)脫流而將其減少截面所造成的水力損失情況，最為重要的一點(diǎn)，在湖南省乃至全國虹吸式出水流道排澇泵站普遍存在流道裂縫漏氣、漏水現(xiàn)象，導(dǎo)致真空度降低，運(yùn)行揚(yáng)程提高，機(jī)組振動(dòng)增大，而造成出水流道水力損失增加的現(xiàn)實(shí)情況。在本次改造設(shè)計(jì)中，選擇了最大限度減少水力損失的方案，比如：為了減少轉(zhuǎn)向角水力損失，選定轉(zhuǎn)彎半徑為5.606 m，中心線圓弧角度為26.57°；為了減少流道摩阻水力損失，流道漸擴(kuò)段選定最佳不脫流擴(kuò)散角2θ≤12°；為了防止出水環(huán)量水力損失，水泵后導(dǎo)葉按無出流環(huán)量設(shè)計(jì)，出水流道采用由圓形逐漸過渡到2.5 m×5.8 m 凈空矩形斷面，并且中間設(shè)有（0.4～0.5）m 厚隔墻；為了減少管路水力損失，直管式出水流道中心線堅(jiān)持取直線走向，并將其長度縮短至28.7 m；為了減少拍門水力損失，采用電動(dòng)油壓拍門，將其開度角設(shè)定為70°，把拍門水力損失系數(shù)控制在0.1 以下。出水流道改造為直管式以后的運(yùn)行情況為：機(jī)組啟動(dòng)方便，運(yùn)行平穩(wěn)，出水量大，流態(tài)穩(wěn)定，效率提高，實(shí)踐證明直管式出水流道優(yōu)于虹吸式出水流道。

（4）兩種出水流道型式運(yùn)行比較見附表。

附表 兩種出水流道型式效果比較

5 建 議

綜合以上表述，收集多處大型排澇泵站虹吸式出水流道運(yùn)行情況，針對湖區(qū)地質(zhì)基礎(chǔ)較差、外河水位變化較大、啟動(dòng)頻繁的大型泵站，宜采用直管式出水流道結(jié)構(gòu)型式。