“五小水利”工程泵站設(shè)計(jì)

□程新景

（夏邑縣水利局）

1 泵房設(shè)計(jì)

某縣“五小水利”工程共設(shè)計(jì)新建磚混結(jié)構(gòu)泵房2座，其余均采用現(xiàn)有泵房。泵房設(shè)計(jì)為磚混結(jié)構(gòu)，便于水泵控制，后期運(yùn)行好操作，設(shè)計(jì)泵房1 間，面積18.00 m2，布置在水源岸坡階地上，泵房?jī)魧?.00 m，長(zhǎng)4.00 m。泵房?jī)?nèi)放置啟動(dòng)柜、配電柜等一些電器設(shè)備。

泵房穩(wěn)定計(jì)算主要包括抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算。

泵房基礎(chǔ)坐落在土基上，泵房沿基礎(chǔ)底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)按下式計(jì)算：

式（1）中：Kc—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑H—作用于泵房基礎(chǔ)底面以上的全部豎向荷載（KN）；∑H—作用于泵房基礎(chǔ)底面以上的全部水平向荷載（kN）；A—泵房基礎(chǔ)底面積（m2），取20.50 m2；θ0—土基上泵房基礎(chǔ)底面與地基之間摩擦角（°），取23°；C0—土基上泵房基礎(chǔ)底面與地基之間的粘結(jié)力（kPa），取6.20kPa。

泵房為地上式，高于地下水位，作用于泵房的豎向荷載主要為泵房自重，經(jīng)計(jì)算作用于泵房的豎向荷載為94.60kN；作用于泵房的水平荷載只有風(fēng)壓力，經(jīng)計(jì)算風(fēng)壓力為2.30kN；經(jīng)計(jì)算抗滑穩(wěn)定系數(shù)為65.20，遠(yuǎn)＞1.20，故不存在抗滑穩(wěn)定問(wèn)題。

作用于泵房基礎(chǔ)地面以上的水平荷載較小，不存在抗滑穩(wěn)定問(wèn)題，只考慮基底應(yīng)力。

泵房基礎(chǔ)坐落在新生界第四系全新統(tǒng)重粉質(zhì)壤土，經(jīng)壓實(shí)后地基承載力在120～200 kPa，遠(yuǎn)大于泵房平均基底應(yīng)力，基底承載力完全滿(mǎn)足要求。

2 浮船泵站方案比選

2.1 方案一：浮船式泵站

浮船式泵站指水泵裝置及其輔助設(shè)備安放在固定取水點(diǎn)的船上，可隨水源水位變化而浮動(dòng)的泵站，也稱(chēng)泵船。浮船式泵站投資小、風(fēng)險(xiǎn)小、建成快、易于施工（無(wú)水下施工，不需修筑圍堰）、運(yùn)行成本低等特點(diǎn)。利用浮船的機(jī)動(dòng)、靈活、適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，立足主流，抽水輸水，取水有保證，尤其是在抗旱用水高峰期，能最大限度的挖掘可用水資源，達(dá)到抗旱的目的。

浮船式泵站設(shè)計(jì)內(nèi)容包括浮船、聯(lián)絡(luò)管、閥門(mén)井、管理房、變壓器及水泵等。

2.2 方案二：纜車(chē)式泵站

纜車(chē)式泵站的水泵機(jī)組安裝在岸邊軌道上的車(chē)子內(nèi)，隨著河水位的漲落，通過(guò)卷?yè)P(yáng)機(jī)絞動(dòng)鋼絲繩牽引設(shè)有水泵機(jī)組的泵車(chē)，使其沿著斜坡上的軌道上下移動(dòng)。纜車(chē)式泵站最大的優(yōu)點(diǎn)是不受水流的沖擊和風(fēng)浪波動(dòng)的影響，穩(wěn)定性較好。但因岸坡易淤積而妨礙泵車(chē)上下移動(dòng)，影響正常取水，水下工程量和基建投資較浮船式大，且取岸邊表層水，水質(zhì)較差。由于泵車(chē)坡度位置固定，在水文情況（水位）變化較大的情況下沒(méi)有浮船取水機(jī)動(dòng)靈活。

纜車(chē)式泵站設(shè)計(jì)內(nèi)容包括泵房、坡道、卷?yè)P(yáng)機(jī)房、卷?yè)P(yáng)機(jī)、纜繩、閥門(mén)井、管理房、變壓器及水泵等。纜車(chē)式泵站軌道施工前需在水中做圍堰，圍堰修筑完畢需將圍堰內(nèi)的水抽干，提供施工場(chǎng)地；坡道施工完畢，泵房及相關(guān)電氣設(shè)備安裝到位后，對(duì)圍堰進(jìn)行拆除。

3 浮船泵站設(shè)計(jì)

3.1 浮船設(shè)計(jì)

經(jīng)與廠(chǎng)家溝通，設(shè)計(jì)浮船甲板長(zhǎng)8.00 m，寬6.50 m，船艙深1.50 m，船艙底板長(zhǎng)6.00 m，寬4.50 m，整體浮船由槽鋼、角鐵及鋼板焊接而成;船尾為水泵安裝室，內(nèi)置2臺(tái)250QJ63-112/4臥式潛水電泵，2個(gè)DN150 mm伸縮蝶閥及2個(gè)DN150 mm緩閉逆止閥。

3.2 浮船與岸坡聯(lián)系設(shè)計(jì)

考慮到運(yùn)行管理及庫(kù)區(qū)水位變化情況，設(shè)計(jì)浮船為離岸式安放，船體僅安放提水電泵，電氣控制設(shè)備及泵房均位于右岸岸坡校核洪水位以上，船體與岸坡聯(lián)系設(shè)計(jì)采用聯(lián)絡(luò)浮管，供電線(xiàn)路及提水管道安放固定于浮管內(nèi)；由于水泵檢修頻率低，水泵、船體的維修養(yǎng)護(hù)采用人員劃船至浮船維護(hù)。

聯(lián)絡(luò)管采用DN200 鋼絲橡膠軟管，壓力等級(jí)2.50 Mpa，長(zhǎng)90 m，單根長(zhǎng)10 m，法蘭連接；塑料浮體為兩半圓柱體扣接結(jié)構(gòu)，單個(gè)浮體直徑為110 m，長(zhǎng)110 cm，布置40 個(gè)；聯(lián)絡(luò)管兩端連接兩個(gè)DN200 mm球型萬(wàn)向接頭。DN219 mm提水管道上布置一個(gè)設(shè)備檢修井，井內(nèi)安裝緩閉逆止閥、水表、壓力表、放空管和伸縮蝶閥。

3.3 船體防腐設(shè)計(jì)

為延長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)的使用壽命，船體防腐要求：按Sa2 級(jí)除銹，除銹后噴涂環(huán)氧富鋅防銹底漆（80 μm），環(huán)氧云鐵防銹漆（200 μm）和環(huán)氧富面漆（200 μm）。

3.4 浮船錨固設(shè)計(jì)

為保障浮船安全穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)錨固系統(tǒng)，包括船錨、纜繩、固定樁等。船體分平面錨固與豎向錨固相配合，其中平面錨固采用兩根鋼絲纜繩分別錨固船體及岸坡固定樁，固定樁采用C25 混凝土結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)×寬×高=0.50 m×0.50 m×1.20 m；豎向錨固采用船錨沉入庫(kù)底固定。

3.5 電氣連接設(shè)計(jì)

浮船內(nèi)僅安放兩臺(tái)臥式潛水電泵，設(shè)計(jì)采用泵用防水電纜自岸上泵站管理房引出，經(jīng)浮于水面的聯(lián)絡(luò)管接入船體水泵供電，防水電纜設(shè)計(jì)套管保護(hù)，以免破壞。

4 浮船泵站提水管鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性計(jì)算

某縣“五小水利”工程浮船泵站提水管鎮(zhèn)墩根據(jù)地形，水壓大小及轉(zhuǎn)彎角度等因素在不同位置布置不同尺寸的鎮(zhèn)墩。在地埋管道的平面轉(zhuǎn)彎處、豎向轉(zhuǎn)彎處，以及平面豎向同時(shí)轉(zhuǎn)彎處均設(shè)置C25 混凝土鎮(zhèn)墩。為了適應(yīng)鋼管的熱脹冷縮，當(dāng)平直段管道長(zhǎng)度大于150.00 m 時(shí)，每隔150.00 m 設(shè)一個(gè)鎮(zhèn)墩。

鎮(zhèn)墩的尺寸根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算確定，包括抗滑與抗傾覆穩(wěn)定性校核、地基承載能力驗(yàn)算。

鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式為：

式（2）中：Ks—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f—鎮(zhèn)墩與地基之間的摩擦系數(shù)；Σy、Σx—分別為軸向力總和在y、x 軸上的分力；G—鎮(zhèn)墩自重；E—側(cè)向土壓力。

鎮(zhèn)墩地基承載力驗(yàn)算公式為：

式（3）、（4）中：σ最大、σ最小—分別為地基最大、最小應(yīng)力，要求小于容許承載力；Σy—軸向力總和在y 軸上的分力；G—鎮(zhèn)墩自重；B、L—分別為鎮(zhèn)墩底面的寬度及長(zhǎng)度；ΣM—總力矩。

當(dāng)鎮(zhèn)墩處于斜坡段或河溝岸邊時(shí)，還應(yīng)當(dāng)驗(yàn)算它的抗傾覆能力，計(jì)算公式為：

式（5）中：K0—抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；［K0］—允許的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；y0—作用在鎮(zhèn)墩上的垂直合力的作用點(diǎn)距傾覆原點(diǎn)的距離；х0—作用在鎮(zhèn)墩上的水平合力的作用點(diǎn)距傾覆原點(diǎn)的距離。

最終確定桂花塬一級(jí)泵站及二級(jí)泵站水源處鎮(zhèn)墩尺寸為3.80 m×3.80 m×2.91 m，其余鎮(zhèn)墩尺寸為0.90 m×0.90 m×0.90 m（長(zhǎng)×寬×高）。

為了提高地基承載能力和抗傾覆能力，鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)開(kāi)挖后，需要對(duì)其下方的素土夯實(shí)。

5 提水管設(shè)計(jì)

5.1 管材選擇

泵站提水管較長(zhǎng)，提水管管線(xiàn)揚(yáng)程高，管道承受的壓力大，沿線(xiàn)地形條件復(fù)雜，多為陡坎，施工、檢修難度均較大，因此輸水管道管材選用鋼管。

5.2 管徑確定

提水管道全部為泵站壓力出水管，根據(jù)《水力計(jì)算手冊(cè)》，管道經(jīng)濟(jì)管徑計(jì)算公式為：

式（6）中：Ve—管道經(jīng)濟(jì)流速，管徑＜250.00 mm 時(shí)，Ve=1.50～2.00 m/s，取1.50 m/s；Q—引水流量，m3/s。

6 水泵選型

水泵從水源地向高位水池抽送清水，設(shè)計(jì)揚(yáng)程應(yīng)滿(mǎn)足高位水池的最高設(shè)計(jì)水位。水泵為高位水池抽送清水，總揚(yáng)程應(yīng)滿(mǎn)足高位水池最高設(shè)計(jì)水位。

式（7）、（8）中：H0—水泵總揚(yáng)程；H1—水泵安裝高程與高位蓄水池進(jìn)水口高差，m；H2—提水管的沿程水頭損失，m；H3—提水管的局部水頭損失，m；H4—提水管的富余水頭，m。

沿程水頭損失采用《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》公式計(jì)算：

沿程水頭損失采用以下公式計(jì)算：

式（9）中：H沿—管道沿程水頭損失，m；L—計(jì)算管道長(zhǎng)度，m；D—管道內(nèi)徑，m；v—管道水流流速，m/s。

7 水錘計(jì)算分析

當(dāng)水泵突然停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，泵內(nèi)壓力消失，高壓水流就會(huì)反向流回水泵，產(chǎn)生大幅度波動(dòng)的現(xiàn)象。水錘壓強(qiáng)對(duì)管道安全影響很大，經(jīng)對(duì)工程運(yùn)行工況分析，最不利的工況發(fā)生在水泵停機(jī)時(shí)，可進(jìn)行水錘分析計(jì)算，并對(duì)提水管路采取水錘綜合防護(hù)，確定合理的運(yùn)行方式和合適的閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間。水錘壓強(qiáng)按下式計(jì)算。

7.1 水錘類(lèi)型判別：

7.2 水錘計(jì)算

以霍村小泵站工程為例，假定末端閥門(mén)在8.50 s內(nèi)按兩端直線(xiàn)關(guān)閉規(guī)律由全開(kāi)至完全關(guān)閉，0～5.28 s 時(shí)，閥門(mén)開(kāi)度：

式中字母含義同上。

第一相末管道末端相對(duì)水擊壓強(qiáng)增值的計(jì)算公式為：

第二相末管道末端相對(duì)水擊壓強(qiáng)增值的計(jì)算公式為：

第n相末管道末端相對(duì)水擊壓強(qiáng)增值的計(jì)算公式為：

式中字母含義同上。

通過(guò)對(duì)閥門(mén)關(guān)閉規(guī)律的計(jì)算，當(dāng)緩閉止回閥關(guān)閉時(shí)間不小于假定關(guān)閉時(shí)間時(shí)，可以滿(mǎn)足各管段壓力控制要求。另外緩閉止回閥最好為2階段關(guān)閉，第一階段在較短時(shí)間內(nèi)閥瓣關(guān)到小開(kāi)度，然后緩閉其余開(kāi)度。

7.3 水錘防護(hù)措施

泵站發(fā)生突然斷電時(shí)，水泵出口壓力均超過(guò)允許值，而且水泵到轉(zhuǎn)速也超過(guò)了額定值。因此，為了防止系統(tǒng)突然斷電時(shí)，機(jī)組倒轉(zhuǎn)對(duì)機(jī)組部件造成破壞，泵站在水泵的出水管上安裝緩閉逆止閥，作為水泵事故水錘防護(hù)閥。緩閉逆止閥的規(guī)格，根據(jù)水泵出水管口徑及工作壓力確定。

8 提水管道防腐設(shè)計(jì)

泵站供電負(fù)荷等級(jí)定為三級(jí)負(fù)荷，泵站采用單電源供電，電源電壓均為10 kV，采用架空線(xiàn)路架設(shè)至泵房附近箱式變壓器，降壓后，用電纜引下直埋入泵房?jī)?nèi)，再由泵房控制柜引出低壓電纜地埋輸電至集水池內(nèi)潛水泵，泵房?jī)?nèi)設(shè)水泵啟動(dòng)柜、配電柜等設(shè)備。①變壓器容量確定，變壓器容量依據(jù)用電設(shè)備的視在功率選擇。②電機(jī)的啟動(dòng)，泵站均采用變頻器啟動(dòng)。③根據(jù)泵站電力接入系統(tǒng)的方式、泵站的規(guī)模和功能，以及泵站的運(yùn)行方式，綜合考慮，確定主接線(xiàn)方案：10 kV側(cè)采用移開(kāi)式高壓開(kāi)關(guān)柜，裝設(shè)FZN18-12/T125-20 真空斷路器，10 kV 進(jìn)線(xiàn)側(cè)設(shè)進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)柜，電壓測(cè)量設(shè)電壓互感器柜，變壓器的高壓側(cè)設(shè)開(kāi)關(guān)柜。④降壓變壓器：箱式變壓器采用歐式造型終端性，內(nèi)部為箱式變壓器，高低壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)等。⑤10 kV配電裝置：10 kV終端桿設(shè)置高壓跌落保險(xiǎn)，避雷器等設(shè)備，計(jì)量裝置、儀表需電業(yè)部門(mén)配置。⑥泵站配電裝置的防雷保護(hù)均應(yīng)按有關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求進(jìn)行配置，以保證在各種運(yùn)行方式下雷電波均不能危及電氣設(shè)備的安全。⑦根據(jù)泵站實(shí)際情況，除充分利用泵站內(nèi)各建筑物的自然接地體，如建筑物基礎(chǔ)鋼筋、水泵進(jìn)出水鋼管等，必要時(shí)可另設(shè)一些人工接地體，將水工建筑物的自然接地體與設(shè)備的基礎(chǔ)及外殼等進(jìn)行等電位連接，形成一個(gè)總的立體接地網(wǎng)絡(luò)。

9 結(jié)語(yǔ)

工程建成后，新增有效灌溉面積730 hm2，其中新增灌溉面積266.67 hm2，改善灌溉面積463.33hm2；新增高效節(jié)水灌溉面積730 hm2；年新增供水能力32.63 萬(wàn)m3，新增節(jié)水能力157.03萬(wàn)m3；年新增糧食生產(chǎn)能力8.00 萬(wàn)kg，年新增經(jīng)濟(jì)作物產(chǎn)值576.61 萬(wàn)元；灌溉用水有效利用系數(shù)提高到0.86；項(xiàng)目區(qū)受益人口1.21萬(wàn)人，受益農(nóng)民年人均增收190.62元；國(guó)民經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)內(nèi)部收益率9.16%，經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值163.00萬(wàn)元，效益費(fèi)用比1.12。

工程實(shí)施后，不僅有良好的灌溉增產(chǎn)效益，而且可改善局部小氣候，優(yōu)化環(huán)境，改善人民生活環(huán)境條件，對(duì)靈寶市農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整有很大促進(jìn)作用。