排澇泵站兩種出水形式的比較分析

陳 研 陳友國 黃德元

（1.南京振高建設(shè)有限公司，江蘇 南京 211300；2.浦口區(qū)水利局，江蘇 南京 211800；3.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210022）

浦口區(qū)的沿江、沿滁圩區(qū)現(xiàn)有重點(diǎn)穿堤排澇泵站70 多座，總排澇能力近250 m3/s。圍繞水利現(xiàn)代化要求，浦口區(qū)近年來加大了農(nóng)村重點(diǎn)排澇站改造力度，對原有的排澇格局進(jìn)行規(guī)劃調(diào)整，將一些小站合并，減少并優(yōu)化站點(diǎn)布局，同時(shí)逐步淘汰落后泵型，減少設(shè)備臺套，提高單機(jī)排澇能力。在設(shè)計(jì)排澇泵站的出水形式時(shí)，多選用了虹吸式出水和壓力水箱出水兩種。筆者結(jié)合近年來的工程實(shí)踐，對這兩種出水形式設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行方面的情況進(jìn)行比較與分析。

1 概述

長江南京下關(guān)段的歷史最高水位為10.22 m，滁河曉橋段的最高水位12.63 m。按照長江委長江流域規(guī)劃和滁河近期治理規(guī)劃的標(biāo)準(zhǔn)，浦口區(qū)自2011年開始對境內(nèi)的長江、滁河段堤防進(jìn)行了工程綜合整治，經(jīng)加固后的長江主堤及通江河堤頂高11.8～13.0 m，寬8 m，局部高程不足的增設(shè)了擋浪墻，堤內(nèi)一級平臺高10.0～10.5 m，寬4 m；滁河主堤及通滁河堤頂高13.5～14.7 m，寬8 m。沿江、沿滁圩區(qū)的內(nèi)圩農(nóng)田地（田）面高程一般為6.5～7.2 m，主堤內(nèi)的地（田）面高程相對較低。

浦口區(qū)近年更新改建的圩區(qū)重點(diǎn)排澇泵站大多選用潛水混（軸）流泵，采用軟啟動(dòng)技術(shù)，墩墻式濕室型泵室（房），每座站都建有相對封閉的管理區(qū)。與傳統(tǒng)的臥式混流泵相比，潛水式泵站具有結(jié)構(gòu)簡單且便于施工、單機(jī)排澇流量大、操作簡便、對堤防振動(dòng)破壞小等優(yōu)點(diǎn)。泵站的設(shè)計(jì)水位5.70～6.20 m，配套功率90～110 kW，實(shí)際凈揚(yáng)程5～8 m。泵站規(guī)模以?。?）型為主，每座站的排澇能力為3～10 m3/s，總裝機(jī)功率在1000 kW以下。每座站的裝機(jī)數(shù)為2～4 臺套，每臺套機(jī)泵的單機(jī)排澇能力為1～3 m3/s，單機(jī)投資規(guī)?？刂圃?20萬元左右。

2 工程實(shí)例

2.1 壓力水箱出水

圖1 為浦口區(qū)沿江地區(qū)2013年原址拆建的一座排澇站縱剖面圖。該站排澇能力9.6 m3/s，選用3 臺2.7 m3/s和1 臺1.5 m3/s 的潛水混流泵，總功率910 kW，進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位5.7 m，開機(jī)、關(guān)機(jī)水位分別為6.5 m、5.2 m。其出水部分的壓力水箱采用了“出水前池+箱涵管道+閘門井”的形式，出水池與水泵的出水鋼管連接，閘門下為消力池。整個(gè)壓力水箱為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，穿堤部分基礎(chǔ)處理采用了Φ600 mm 灌注樁，樁長13.5 m，總數(shù)26 根。壓力水箱底板厚度0.6 m，側(cè)墻厚0.4 m，底板高程6.6 m，底板部分不設(shè)坡坎，為平順直流。前池順?biāo)鞣较蜷L13 m，凈寬10.2～2.5 m，水箱前池沿軸線設(shè)有導(dǎo)流墻，為便于檢修，前池頂部設(shè)有檢修孔。壓力箱涵凈斷面為2.5 m×2.5 m，長15 m，分2節(jié)，前池與箱涵之間以及箱涵與箱涵之間均設(shè)有紫銅片止水。閘門井為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用潛孔平面定輪直升鋼閘門控制，閘門尺寸與箱涵相同，配100 kN 單吊點(diǎn)手電兩用螺桿啟閉機(jī)1 臺，上設(shè)啟閉機(jī)房。

圖1 壓力水箱出水泵站縱剖面示意圖

出水前池與箱涵連接漸變段的平面收縮角為40°，在泵站滿負(fù)荷運(yùn)行工況、箱涵淹沒過流狀態(tài)下的流速為1.47 m3/s，均滿足規(guī)范要求。

2.2 虹吸式出水

圖2 為2012年滁河主堤防上新建的泵站縱剖面圖。設(shè)計(jì)排澇流量3.9 m3/s，選用ZQ2850A-4 型潛水泵3 臺套，總功率480 kW，進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位6.8 m，開機(jī)、關(guān)機(jī)水位分別為7.3 m、6.3 m，設(shè)計(jì)揚(yáng)程9.3 m。虹吸部分出水管道通過柔性接頭與水泵連接。穿堤部分在管道彎曲處設(shè)置鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩之間以支墩支撐管道，整個(gè)穿堤部分設(shè)3 處鎮(zhèn)墩、1 處支墩。鎮(zhèn)墩采用分立式，平面尺寸為2 m×2 m，高3 m，混凝土標(biāo)號為C25。堤頂高14.7 m，虹吸頂部駝峰處管道軸線高14.25 m，管道頂部設(shè)真空破壞閥，管道出口消力池處設(shè)拍門。

圖2 虹吸式駝峰管道出水形式縱剖面示意圖

為與水泵管道出口相適應(yīng)，出水鋼管的出水直徑為800 mm，壁厚按δ≥D/130（D 為管道內(nèi)徑）的要求取8 mm，通過管道內(nèi)的最大流速為2.58 m/s。出水管進(jìn)入外河部分采用出水池消能形式，淹沒出流，出水池淹沒面高9 m。

3 兩種出水形式的比較分析

3.1 工程施工

壓力水箱出水形式施工較為復(fù)雜，屬穿堤建筑物，施工要求高。一般情況下，泵站工程施工都在冬季枯水期，堤防開挖深度與內(nèi)、外河水位接近，有時(shí)甚至低于外河水面，開挖斷面大，施工作業(yè)面狹窄。樁基礎(chǔ)施工周期長，施工期間對整個(gè)堤防基礎(chǔ)的擾動(dòng)破壞明顯。出水部分為長期隱蔽工程，出水前池、箱涵、閘門等部位混凝土用量大，包括連接段的止水防滲處理，施工要求都很高，是整個(gè)工程質(zhì)量控制的關(guān)鍵部分，對施工立模、混凝土澆筑及振搗、養(yǎng)護(hù)等具體環(huán)節(jié)均必須從嚴(yán)控制。回填土方施工應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范要求采用一定比例的水泥土，分層碾實(shí)。

虹吸式出水施工中，一是虹吸管道多為沿坡面爬行或貼坡淺埋，布置時(shí)應(yīng)盡量考慮減少出水管道的變向彎曲段，避免大角度轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎角宜小于45°，以保持出水流態(tài)的平順穩(wěn)定，減小水頭損失；二是管道焊接要嚴(yán)格按規(guī)范操作，控制質(zhì)量，同時(shí)管道堤頂部分的土層埋深不得小于0.6 m，避免車輛碾壓破壞；三是大部分泵站為原址拆建，原先深埋的穿堤管道被拆除后，在新的回填土基礎(chǔ)上增設(shè)鎮(zhèn)墩支撐管道時(shí)，極易產(chǎn)生沉陷，嚴(yán)重的會(huì)將管道連接段法蘭撕裂。為控制鎮(zhèn)（支）墩的沉降，在保證回填土密實(shí)度的同時(shí)，可考慮在鎮(zhèn)墩底部用木樁基礎(chǔ)進(jìn)行擠實(shí)加固處理，或者通過適當(dāng)控制鎮(zhèn)（支）墩混凝土材料用量、提高混凝土標(biāo)號的方式，減小鎮(zhèn)（支）墩自重。

3.2 運(yùn)行管理

采用壓力水箱出水，出水流態(tài)平順穩(wěn)定，水泵揚(yáng)程低，運(yùn)行效率較高，排澇成本低。即使在滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，由于整個(gè)出水部分基礎(chǔ)穩(wěn)定，水流落差小，構(gòu)建體自重大，堤防安全也不會(huì)受到影響。停泵水錘壓力小，對整個(gè)出水部分及泵體的破壞作用不明顯。外河水位較高時(shí)，應(yīng)停止開機(jī)，并關(guān)閉閘門防止河水倒灌。閘門、壓力箱涵及出水前池等建筑物，在長期運(yùn)行老化后易出現(xiàn)斷裂、沉降及人為損壞等。汛期外河長時(shí)間高水位時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)沿箱涵方向建筑物側(cè)壁滲水現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)險(xiǎn)情。運(yùn)行維護(hù)方面，應(yīng)定期對閘門井進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容包括：門槽軌道是否完好，門體有無破損，螺桿的潤滑保養(yǎng)情況。每年結(jié)合防汛檢查和汛后消險(xiǎn)，對出水前池和箱涵內(nèi)的完好情況應(yīng)至少安排兩次以上專項(xiàng)檢查。

虹吸式出水采用管道爬坡的形式，一泵一管出水，結(jié)構(gòu)簡單，管道糙率小，運(yùn)行安全，對堤防的擾動(dòng)和振動(dòng)破壞小。運(yùn)行維護(hù)方便，重點(diǎn)是管道表面可定期防銹，可定期檢查真空破壞閥門。盡管虹吸管的駝峰位置高，水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程較大，但實(shí)際運(yùn)行中的有效揚(yáng)程依然為外河出水口處淹沒水面與進(jìn)水口處水位的高差。通常情況下，水泵總是在外河水位低于最高水位的狀態(tài)下運(yùn)行，在滿足水泵的設(shè)備效率和最大流量時(shí)，水泵的實(shí)際運(yùn)行功率低于額定值。外河水位較高但低于最高設(shè)計(jì)水位時(shí)，在駝峰作用下，水泵仍然可以在高效率區(qū)正常運(yùn)行，這有利于主汛期時(shí)圩區(qū)的及時(shí)排澇。而當(dāng)外河出現(xiàn)超歷史水位時(shí)，則可以通過關(guān)閉出水口的拍門和開啟駝峰頂處真空破壞閥的雙重保險(xiǎn)方式，防止水流倒灌。停泵水錘的壓力破壞作用，可以通過軟啟動(dòng)與軟停車過程化解。采用淹沒出流形式，既可以保證形成虹吸作用，降低正常情況下的水泵運(yùn)行功率，也可獲得消能和防沖刷的效果。

3.3 工程投資

虹吸式出水的堤防開挖斷面少，耗用材料相對單一，施工靈活簡單，周期短，建成后運(yùn)行維護(hù)簡單，工程隱患少。壓力水箱出水形式施工包括堤防深切面開挖、基礎(chǔ)處理、穿堤建筑物及防滲處理、閘門井及土方回填等部分，施工周期長，施工過程相對復(fù)雜，質(zhì)量控制要求高。從近年投資建設(shè)泵站的造價(jià)分析來看，出水部分投資采用壓力水箱出水比采用虹吸式出水約高出30%～40%。

4 結(jié)語

壓力水箱出水和虹吸式出水是目前農(nóng)村排澇泵站設(shè)計(jì)中較為常見的出水形式。壓力水箱屬穿堤建筑物，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，施工要求高，工程造價(jià)較高，但運(yùn)行狀態(tài)平穩(wěn)，適合于排澇能力較強(qiáng)、任務(wù)重、經(jīng)常處于滿負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行的泵站。虹吸式出水的出水管道爬坡起伏大，管內(nèi)水流流速變幅大，但結(jié)構(gòu)形式簡單，對堤防振動(dòng)破壞小，施工簡便，節(jié)省投資，便于運(yùn)行管理和維護(hù)保養(yǎng)，對于在中等規(guī)模以下的排澇站中運(yùn)用具有明顯的優(yōu)勢。