試論排澇泵站布置在隧洞進(jìn)口的優(yōu)勢(shì)

梁一欖，何震洲

（1.中原大學(xué)，臺(tái)灣 中壢 32023；2.浙江省錢塘江管理局，浙江 杭州 310016）

1 問題的提出

浙江省平原地區(qū)經(jīng)濟(jì)要素集聚，很多區(qū)域排澇能力明顯與經(jīng)濟(jì)發(fā)展不匹配，需新建排澇泵站。與泵站配套的輸水河道因城市用地緊張而難以實(shí)施，近期出現(xiàn)了長(zhǎng)距離壓力隧洞穿越山體直排承泄區(qū)的線路方案。

典型的排澇泵站輸水河道系統(tǒng)，排水區(qū)內(nèi)明渠匯集澇水，排澇泵站建在承泄區(qū)側(cè)的堤岸上[1]；典型的供水泵站管路系統(tǒng)，供水泵站建在取水點(diǎn)，即布置在壓力輸水管道進(jìn)水口側(cè)，通過壓力管道向供水區(qū)供水[2]。在泵站與隧洞工程組合中，站址是選在隧洞進(jìn)口（排水區(qū)側(cè)）還是隧洞出口（承泄區(qū)側(cè)）成為一個(gè)新的課題，值得進(jìn)一步探討。

本文用水力學(xué)方法，推求2站址方案的泵站揚(yáng)程、水泵安裝高程，并分析站址對(duì)泵站、隧洞工程的影響；剖釋隧洞進(jìn)口建站具有優(yōu)勢(shì)，分析隧洞長(zhǎng)度、泵站年運(yùn)行時(shí)間，這2個(gè)獨(dú)立變量對(duì)優(yōu)勢(shì)強(qiáng)度的影響；最后以工程實(shí)例量化分析隧洞進(jìn)口建站的優(yōu)勢(shì)，使結(jié)論更加明晰。

2 站址對(duì)泵站、隧洞工程的影響

此處隧洞為長(zhǎng)距離有壓隧洞。為便于論述，設(shè)計(jì)工況下流量、水位過程均設(shè)為定值。

2.1 站址布置方案

隧洞進(jìn)口建站:泵站建在隧洞進(jìn)口，隧洞出口設(shè)防洪閘（見圖1）。隧洞出口建站:泵站建在隧洞出口，隧洞進(jìn)口設(shè)防洪閘（見圖2）。

在隧洞進(jìn)口前設(shè)斷面1 - 1（該斷面的參數(shù)設(shè)下標(biāo)1，下同），隧洞出口后設(shè)斷面2 - 2。斷面1 - 1上的水位為Z1，斷面2 - 2上的水位為Z2，有Z1＜Z2。圖中Q為設(shè)計(jì)排澇流量，m3/s；l為隧洞長(zhǎng)度，m；測(cè)管水頭為，m；基準(zhǔn)面0 - 0取在水位Z1處。

圖1 隧洞進(jìn)口建站布置概化圖

圖2 隧洞出口建站布置概化圖

2.2 泵站輸出揚(yáng)程推求

在斷面1 - 1和斷面2 - 2間建立有能量輸入的能量方程，2方案均可寫成如下方程:

式中:h凈為隧洞進(jìn)出口水位差，m，該值在設(shè)計(jì)工況下為定值。泵站輸出揚(yáng)程為隧洞進(jìn)出口水位差與隧洞水頭損失之和。

2.3 站址對(duì)水泵安裝高程的影響

把泵站概化為具有水泵安裝高程，帶前池、出水池的裝置。隧洞進(jìn)口建站泵站前池水位Z進(jìn)1= Z1，在泵站出水池與斷面2 - 2間建立能量方程，求得出水池水位Z出1= Z2+hW1-2；隧洞出口建站泵站出水池水位Z出2= Z2，在斷面1 - 1與泵站前池間建立能量方程，求得前池水位Z進(jìn)2= Z1- hW1-2。2方案以水位Z1為基準(zhǔn)面（見圖3）。

圖3 水泵安裝高程比較圖

圖3 中hs1、hs2分別為隧洞進(jìn)口建站和出口建站的水泵安裝高程，m。由于泵站的設(shè)計(jì)流量和揚(yáng)程相同，2方案水泵淹沒水深取同一值h淹。隧洞進(jìn)口建站水泵安裝高程hs1=Z進(jìn)1- h淹= Z1- h淹，隧洞出口建站水泵安裝高程hs2= Z進(jìn)2-h淹= Z1- hW1-2- h淹。

2.4 站址對(duì)泵站、隧洞工程影響的結(jié)論

2方案在隧洞規(guī)模相同情況下，有如下結(jié)論。

2.4.1 對(duì)泵站的影響

（1）2方案泵站輸出揚(yáng)程相同，均為Hm= h凈+ hW1-2。

（2）隧洞進(jìn)口建站水泵安裝高程不受hW1-2影響，出口建站水泵安裝高程需降低一個(gè)hW1-2，即隧洞進(jìn)口建站泵站建基面高程（不包括泵站出水池部分，下同）不受hW1-2影響，出口建站泵站建基面高程需降低hW1-2；隧洞出口建站出水池建基面高程受Z2控制，進(jìn)口建站出水池建基面高程可以比出口建站抬高一個(gè)hW1-2。

（3）2方案的泵站設(shè)計(jì)流量與揚(yáng)程一致，可以認(rèn)為主泵房平面尺寸一致，與主泵房相銜接的前池、出水池進(jìn)出水面寬一致。

（4）前池:泵站前池對(duì)進(jìn)水流態(tài)有嚴(yán)格要求。隧洞出口建站，前池岸墻頂高程由承泄區(qū)高水位確定，隧洞出口有壓流須在前池內(nèi)轉(zhuǎn)化為明流，需更長(zhǎng)流程擴(kuò)散整流，所以出口建站比進(jìn)口建站前池更長(zhǎng)，岸墻更高。

（5）出水池:隧洞進(jìn)口建站出水池蛻變?yōu)楦呶痪?，泵站出水流道排水入高位井，再壓入隧洞進(jìn)水口，運(yùn)行期高位井內(nèi)水位為(Z2+ hW1-2) 。出口建站方案出水池為主泵房與承泄區(qū)河道間的過渡段，長(zhǎng)度由泵站總體布置確定，極端情況主泵房的出水流道直排承泄區(qū)河道。

（6）運(yùn)行期，在隧洞進(jìn)口建站方案中，如高位井與主泵房合建，2方案泵站擋內(nèi)外水位差相同，均為(Z2- Z1) +hW1-2，如高位井與主泵房分建，則高位井成為一個(gè)獨(dú)立的擋水建筑物，而主泵房不再擋承泄區(qū)側(cè)高水位，因高位井建基面較高，水位差減小。

2.4.2 對(duì)隧洞的影響

（1）運(yùn)行期，隧洞進(jìn)口建站隧洞處在(Z2+ hW1-2) ～ Z2壓力，出口建站方案隧洞處在Z1～ (Z1- hW1-2)壓力區(qū)。兩者測(cè)壓管水位差為(Z2- Z1+ hW1-2)，進(jìn)口建站方案隧洞更有可能向排水區(qū)滲水，對(duì)山體或洞壁防滲要求更高。

（2）為滿足隧洞處于有壓流狀態(tài)，出口建站方案隧洞埋深需降低(Z2- Z1+ hW1-2)，不利于清淤維護(hù)。

3 隧洞進(jìn)口建站的優(yōu)勢(shì)分析

3.1 隧洞規(guī)模與隧洞水頭損失的關(guān)系

決定隧洞規(guī)模的參數(shù)主要為隧洞長(zhǎng)度和洞徑，隧洞水頭損失為[3]:

式中:hf1-2為沿程水頭損失，m；Σhj為局部水頭損失，m；λ為沿程阻力系數(shù)；l為隧洞長(zhǎng)度，m；d為圓形隧洞內(nèi)徑，m；ζ為局部損失系數(shù)；C為謝才系數(shù)，m0.5/s；n為糙率；R為水力半徑，m；y為巴甫洛夫公式中的指數(shù)（在大直徑隧洞中應(yīng)用此式）。

3.2 泵站裝機(jī)、年運(yùn)行時(shí)間與用電量的關(guān)系

泵站裝機(jī)功率、年運(yùn)行時(shí)間與年用電量關(guān)系為:

式中:N為裝機(jī)功率，kW；ρ為水的密度，kg/m3；Q為泵站設(shè)計(jì)流量，m3/s；Hm為泵站輸出揚(yáng)程，m；E為年用電量，kW · h；T為年運(yùn)行時(shí)間，h；η裝為裝置效率。

N與Hm呈線性關(guān)系，E與N、T均呈線性關(guān)系。

3.3 影響隧洞進(jìn)口建站優(yōu)勢(shì)的主要因素

根據(jù)上述結(jié)論，隧洞進(jìn)口建站泵站建基面高程不受hW1-2影響，出口建站需降低一個(gè)hW1-2。影響隧洞進(jìn)口建站優(yōu)勢(shì)的主要因素有:

（1）站址位置。①隧洞進(jìn)口建站具有天然的位置優(yōu)勢(shì):隧洞進(jìn)口建站比隧洞出口建站泵站建基面高一個(gè)hW1-2，只要hW1-2不趨近于零，泵站土建工程更省。②隧洞進(jìn)口建站更有優(yōu)化潛力:當(dāng)泵站與隧洞作為一個(gè)體系優(yōu)化時(shí)，隨著隧洞洞徑縮小，hW1-2值增大，該值傳導(dǎo)至泵站，導(dǎo)致泵站對(duì)輸出揚(yáng)程的需求增大。隧洞進(jìn)口建站，泵站僅需增加水泵揚(yáng)程，水泵部分只涉及葉輪翼型、轉(zhuǎn)速，電工部分涉及配套功率及電工一次容量增加，年運(yùn)行費(fèi)用以用電量增加為主。隧洞出口建站尚導(dǎo)致泵站建基面降低和隧洞埋深增加，增加泵站土建工程量，進(jìn)而制約體系優(yōu)化。由于隧洞進(jìn)口建站泵站建基面高程不受hW1-2影響，使泵站揚(yáng)程與隧洞洞徑間優(yōu)化更有潛力。

（2）隧洞長(zhǎng)度（l）。l越長(zhǎng)，hf1-2越大，hW1-2相應(yīng)增大，隧洞進(jìn)口建站與隧洞出口建站泵站建基面高程差加大，所以對(duì)長(zhǎng)距離隧洞，隧洞進(jìn)口建站更有優(yōu)勢(shì)。

（3）泵站年運(yùn)行時(shí)間（T）。T越短，裝機(jī)功率N增大對(duì)年用電量增加越不敏感，N可以取用較大值，使泵站以較高輸出揚(yáng)程與較小隧洞洞徑相適配。由于隧洞進(jìn)口建站泵站建基面高程不受hW1-2影響，在泵站揚(yáng)程與隧洞洞徑間優(yōu)化時(shí)，更能適應(yīng)以增加泵站揚(yáng)程換取隧洞洞徑縮小。

綜上所述，隧洞進(jìn)口建站具有天然的位置優(yōu)勢(shì)，泵站土建工程更省，泵站揚(yáng)程與隧洞洞徑間優(yōu)化更有潛力。隧洞越長(zhǎng)、泵站年運(yùn)行時(shí)間越短，這種優(yōu)勢(shì)越大。

4 工程實(shí)例量化分析隧洞進(jìn)口建站優(yōu)勢(shì)

上述定性分析了隧洞進(jìn)口建站的優(yōu)勢(shì)，由于邊界條件眾多，難以給出定量結(jié)論。下面以實(shí)際出現(xiàn)的某案例與文中擬定的優(yōu)化方案比較，進(jìn)一步說明站址對(duì)工程及費(fèi)用的影響程度。

4.1 某案例概況與優(yōu)化方案

4.1.1 某案例

泵站布置在隧洞出口，年運(yùn)行時(shí)間200 h，泵站設(shè)計(jì)流量200 m3/s。壓力隧洞內(nèi)徑11.00 m，全長(zhǎng)11 km，進(jìn)口局部損失系數(shù)ζ1= 0.20，出口局部損失系數(shù)ζ2= 0.20（洞徑漸擴(kuò)回收部分動(dòng)能），洞壁用混凝土襯砌，粗糙系數(shù)n=0.012 5。隧洞工程費(fèi)用為20億元。

4.1.2 優(yōu)化方案

考慮到某案例具有隧洞距離長(zhǎng)、泵站年運(yùn)行時(shí)間短的特性，把泵站布置在隧洞進(jìn)口后，通過增加泵站輸出揚(yáng)程減小隧洞洞徑，有減少工程費(fèi)用的潛力，擬定如下方案。

優(yōu)化方案:泵站布置在隧洞進(jìn)口，隧洞內(nèi)徑7.78 m（斷面面積為某案例的1/2），其余條件與某案例相同。

4.2 某案例與優(yōu)化方案的工程差異

由公式（3）計(jì)算某案例與優(yōu)化方案的隧洞水頭損失，成果見表1。優(yōu)化方案比某案例隧洞水頭損失增加11.21 m，其中hf1-2由2.11 m增加到13.05 m。

（1）隧洞洞徑。某案例隧洞洞徑為11.00 m；優(yōu)化方案隧洞洞徑為7.78 m。

（2）泵站。①主泵房:某案例與優(yōu)化方案主泵房平面尺寸均為80.00 m×49.00 m（進(jìn)水面寬×順?biāo)蜷L(zhǎng)度，下同）。某案例建基面高程-15.70 m，廠房地坪高程10.00 m。優(yōu)化方案建基面高程-13.50 m，廠房地坪高程6.50 m。②前池:某案例須在前池內(nèi)由有壓流轉(zhuǎn)化為明流，前池更長(zhǎng)，前池平面尺寸為80.00 m×100.00 m，底板頂高程-12.70 m，岸墻須抵擋承泄區(qū)高水位，頂高程為9.30 m；優(yōu)化方案前池平面尺寸為80.00 m×70.00 m，底板頂高程-10.50 m，岸墻受場(chǎng)地地坪高程控制，頂高程為6.00 m。③出水池:某案例出水池平面尺寸為80.00 m×20.00 m，出水池底板頂高程-2.00 m，岸墻、導(dǎo)墻頂高程為9.30 m；優(yōu)化方案的出水池蛻變?yōu)楦呶痪?，與主泵房分建，運(yùn)行期獨(dú)立承擔(dān)擋(Z2+ hW1-2)高水位任務(wù)，可免除主泵房擋高水位，高位井平面尺寸為80.00 m×30.00 m，優(yōu)化方案隧洞水頭損失hW1-2= 13.41 m，高位井底板高程可以比某案例抬高一個(gè)hW1-2，受場(chǎng)地地坪高程限制，底板頂高程取6.00 m，高位井頂高程須比某案例抬高一個(gè)hW1-2，取23.00 m。

（3）優(yōu)化方案泵站配套功率與年用電量增量。由公式（4）計(jì)算優(yōu)化方案比某案例泵站配套功率增量（N增）和年用電量增量（E增）。參數(shù)取值如下:

式中:η電機(jī)為電機(jī)效率，取值0.93；η水泵為水泵效率，取值0.88；η流道為流道效率，因流速不變，故取值1.00。經(jīng)計(jì)算，成果如下:

4.3 某案例與優(yōu)化方案的費(fèi)用比較

4.3.1 某案例與優(yōu)化方案泵站工程費(fèi)用比較

（1）主泵房:某案例與優(yōu)化方案主泵房面積均為3 920 m2，某案例建基面至廠房地坪高度25.70 m，優(yōu)化方案高度20.00 m，優(yōu)化方案土建費(fèi)用省。

（2）前池:某案例前池面積8 000 m2，岸墻高度22.00 m。優(yōu)化方案前池面積5 600 m2，岸墻高度16.50 m。優(yōu)化方案比某案例前池面積小，池更淺，土建費(fèi)用省。

（3）出水池:某案例出水池面積1 600 m2，岸墻高度11.30 m。優(yōu)化方案高位井面積2 400 m2，岸墻高度17.00 m。優(yōu)化方案的高位井為鋼筋混泥土結(jié)構(gòu)，工程量和單價(jià)都比某案例高，某案例土建費(fèi)用省。

從某案例與優(yōu)化方案泵站結(jié)構(gòu)體積及結(jié)構(gòu)圍護(hù)體積來(lái)看，某案例遠(yuǎn)大于優(yōu)化方案，某案例泵站建基面低，相比優(yōu)化方案來(lái)說，以挖建為主，單價(jià)更高。優(yōu)化方案在運(yùn)行期高位井擋承泄區(qū)側(cè)高水位，非運(yùn)行期防洪閘擋承泄區(qū)高水位，跟某案例整個(gè)泵站擋承泄區(qū)高水位相比，前者工程體量更小，防御承泄區(qū)河道水流沖刷、風(fēng)浪的工程費(fèi)用也更省?？傮w認(rèn)為，優(yōu)化方案比某案例泵站土建費(fèi)用省。

在此，忽略某案例與優(yōu)化方案泵站土建和防洪閘費(fèi)用差異。

4.3.2 優(yōu)化方案減少隧洞工程費(fèi)用估算

隧洞洞徑由11.00 m縮小到7.78 m，減少隧洞挖方52.3 萬(wàn)m3及相應(yīng)襯砌工程量，現(xiàn)以最保守的洞徑減少比例29.3%折減，某案例中隧洞工程費(fèi)用為20.00億元，則減少工程費(fèi)用5.86億元。

4.3.3 優(yōu)化方案增加電氣設(shè)備費(fèi)用和電費(fèi)估算

優(yōu)化方案比某案例配套功率增加2.69萬(wàn)kW，年用電量增加537萬(wàn)kW · h。工程正常運(yùn)行期按100 a計(jì)，機(jī)電設(shè)備經(jīng)濟(jì)壽命按25 a計(jì)，在運(yùn)行期更新4次，社會(huì)折現(xiàn)率為8%。

（1）優(yōu)化方案增加電氣設(shè)備費(fèi)用估算。功率7 500 kW的TL7500 — 48同步電動(dòng)機(jī)價(jià)格為780萬(wàn)元/臺(tái)[4]，以此推算，2.69萬(wàn)kW電動(dòng)機(jī)費(fèi)用為2 798萬(wàn)元，電氣一次部分費(fèi)用按電動(dòng)機(jī)費(fèi)用50%計(jì)，運(yùn)雜、安裝費(fèi)按20%計(jì)，合計(jì)5 036萬(wàn)元。在運(yùn)行期更新4次，電氣設(shè)備及安裝部分費(fèi)用折算成現(xiàn)值，增加5 750萬(wàn)元。

（2）優(yōu)化方案增加的電費(fèi)估算。年用電量增加537萬(wàn)kW · h，電價(jià) 0.664 4 元 /（kW · h）[5]，則每年增加電費(fèi)357萬(wàn)元。按100 a運(yùn)行期折算成現(xiàn)值，電費(fèi)增加4 461萬(wàn)元。

優(yōu)化方案增加電氣設(shè)備費(fèi)用和電費(fèi)合計(jì)1.02億元，減少隧洞工程費(fèi)用5.86億元，效益顯著。

4.4 優(yōu)化方案比某案例費(fèi)效比低的討論

優(yōu)化方案比某案例體現(xiàn)了更低的費(fèi)效比，主要原因是優(yōu)化方案隧洞進(jìn)口建站，使泵站揚(yáng)程與隧洞洞徑間優(yōu)化更有效率。其次，某案例中隧洞特別長(zhǎng)，排澇泵站年運(yùn)行時(shí)間短，使隧洞進(jìn)口建站的優(yōu)勢(shì)得到了強(qiáng)化。

如按某案例，把泵站布置在隧洞出口，隧洞洞徑縮小到7.78 m后，泵站建基面高程和隧洞埋深需下降11.21m，將極大增加泵站土建工程量，同時(shí)惡化泵站運(yùn)行和隧洞維護(hù)工作條件，洞徑縮小方案就不再成立。

某案例與優(yōu)化方案隧洞水頭損失計(jì)算成果見表1。

表1 某案例與優(yōu)化方案隧洞水頭損失計(jì)算表

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）近期出現(xiàn)的排澇泵站與長(zhǎng)距離壓力隧洞工程組合，屬“典型供水泵站管路系統(tǒng)”類型。不能習(xí)慣性地把排澇泵站站址選在隧洞出口，而應(yīng)把站址選在隧洞進(jìn)口。

（2）無(wú)論站址選在隧洞進(jìn)口還是出口，泵站揚(yáng)程相同，但出口站址泵站建基面高程需降低一個(gè)隧洞水頭損失值，增加泵站土建費(fèi)用，所以隧洞進(jìn)口建站具有天然的優(yōu)勢(shì)。

（3）站址選在隧洞進(jìn)口，把泵站與隧洞作為一個(gè)體系，可以按供水泵站經(jīng)濟(jì)管徑思路，做泵站揚(yáng)程與隧洞洞徑優(yōu)化。隧洞越長(zhǎng)，排澇泵站年運(yùn)行時(shí)間越短，越有優(yōu)化潛力。

（4）優(yōu)化后的泵站，由于以揚(yáng)程增加換取隧洞洞徑縮減，泵站特性由大流量、低揚(yáng)程向大流量、中揚(yáng)程發(fā)展，對(duì)水泵葉輪翼型和大功率同步電機(jī)制造提出了更大挑戰(zhàn)。