泉眼山泵站“6+1”運行調(diào)整工程關(guān)鍵技術(shù)研究及應用

陶 東，吳 榮

（寧夏回族自治區(qū)固海揚水管理處，755100，中衛(wèi)）

隨著國家脫貧攻堅戰(zhàn)略深入推進，在寧夏中部干旱帶固海揚水灌區(qū)周邊規(guī)劃建設的各類脫貧攻堅水利工程新增灌溉面積達75.25 萬畝(1畝=1/15 hm2，下同)，給供用水矛盾突出的固海揚水工程帶來極大的壓力。為了破解工程缺水難題，為灌區(qū)周邊規(guī)劃建設中的寧夏中部干旱帶貧困片區(qū)喊叫水片區(qū)、西安片區(qū)以及其他零星項目開發(fā)40.37 萬畝農(nóng)田和灌區(qū)內(nèi)嚴重缺水的4.76 萬畝農(nóng)田提供水源保障，2016 年年底寧夏水利廳提出固海揚水系統(tǒng)渠首泉眼山泵站“6+1”運行調(diào)整工程，將固海揚水工程首級泉眼山泵站由原設計5 臺運行、2 臺備用的“5+2”運行方式調(diào)整為6 臺運行、1 臺備用的“6+1”運行方式，將首級泉眼山泵站流量由原設計20 m3/s增加到23.8 m3/s， 增加流量3.8 m3/s。對后續(xù)泵站和渠道進行增流改造挖潛提效后，最終將增加的流量送至五干渠，其中1.6 m3/s 供給喊叫水片區(qū)，2.2 m3/s 流量供向西安灌區(qū)，同時緩解固海六干渠以上供水壓力。

工程關(guān)鍵是確定二～五泵站和2座渡槽的增流改造方案。 一般來說對泵站可以采取更換水泵機組或擴建廠房和增加水泵機組方案來增加流量，對渡槽可以采取加高或改擴建方案來增加流量。 但這些方案對工程改動比較大， 工程量和資金投入大、建設周期長， 而且二～五泵站在2011年大型泵站改造項目中剛完成改造，2 座渡槽經(jīng)安全鑒定被評為三類，均不適宜進行大規(guī)模的改造。 固海揚水管理處聯(lián)合了自治區(qū)水利廳農(nóng)水處、中國灌溉排水發(fā)展中心、中國農(nóng)業(yè)大學等單位開展了關(guān)鍵技術(shù)研究和應用。

一、基本情況

1.建設目標

充分發(fā)揮現(xiàn)有固海揚水工程作用， 在對其不作出大的調(diào)整改造、保持系統(tǒng)相對運行穩(wěn)定的前提下，從泵站機組運行方式、水泵及其葉輪技術(shù)改造上深挖潛力提升供水能力，有效解決區(qū)域供用水矛盾，破解寧夏中部干旱帶缺水難題，為脫貧攻堅提供水利支撐，助力寧夏中部干旱帶貧困片區(qū)和寧南山區(qū)群眾如期脫貧與全國同步進入小康社會。

2.工程任務

按照水利廳安排，貫徹落實自治區(qū)脫貧攻堅戰(zhàn)略部署，實施固海“6+1” 增流改造工程， 對固海揚水工程一～五泵站和干渠進行挖潛改造，為喊叫水片區(qū)、西安灌區(qū)和已建生態(tài)移民、高效節(jié)灌等項目新增農(nóng)田以及灌區(qū)生態(tài)用水提供水源保障。

3.工程建設必要性

寧夏中部干旱帶是國家重點扶貧地區(qū)。 固?！?+1”增流改造工程是寧夏水利廳立項建設的脫貧攻堅水利工程，是寧夏中部干旱帶貧困片區(qū)西線供水水源改造工程的一部分。 實施固?！?+1”增流改造工程，可緩解固海灌區(qū)和灌區(qū)周邊貧困片區(qū)缺水問題， 保障中部干旱帶脫貧攻堅，解決中部干旱帶中寧縣喊叫水、徐套和海原縣關(guān)橋、 西安、 海城及賈塘共2縣6 鄉(xiāng)鎮(zhèn)水資源短缺問題， 對3 677戶10 980 貧困人口實施精準扶貧，工程建設十分必要和迫切。

4.工程規(guī)模

固海系統(tǒng)規(guī)劃總灌溉面積98.03萬畝，其中老灌區(qū)57.66 萬畝，高效節(jié)水補灌工程新增40.37 萬畝。 新老灌區(qū)年需水量為27 413～30 924 萬m3，與現(xiàn)狀年均引水量相比，年需增加引水量4 713～8 224 萬m3。 馬家塘水庫不參與調(diào)蓄時， 一泵站需增加流量3.55～5.41 m3/s， 五泵站需增加流量4.58～6.72 m3/s；水庫參與調(diào)蓄時，一泵站需增加流量2.13～3.99 m3/s，五泵站需增加流量3.16～5.3 m3/s。 馬家塘水庫參與灌區(qū)用水調(diào)節(jié)有利于降低工程規(guī)模，工程投資少。 考慮今后固海老灌區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)會優(yōu)化調(diào)整，灌區(qū)需水量有所下降， 增加3.8 m3/s 基本能夠滿足今后用水需求，采用“6+1”運行方式是合理的。 相應一～五泵站及干渠設計流量均應增加3.8 m3/s。

5.主要建設內(nèi)容

包括： 二泵站新增1 排DN1200 PCP 出水壓力管道，進水前池維修及主廠房配套改造，五泵站更換前池節(jié)制閘2 孔閘門， 在前池上游側(cè)增設3臺回轉(zhuǎn)式清污機，五干渠24 km 渠道整體加高，泉眼山和長山頭2 座渡槽改造，五干渠4 座渠涵改造，以及二～五泵站26 臺水泵機組改造。

二、固?！?+1”增流工程關(guān)鍵技術(shù)

1.機組運行方式研究

現(xiàn)狀一～五泵站除四泵站只有1臺備用機組外， 其余泵站均有2 到3臺備用機組。調(diào)整后一～五泵站只設1臺大機作為備用機組。 根據(jù)泵站機組運行方式、增流規(guī)模3.8 m3/s、設備情況確定單機流量。 一泵站按“6+1”方式運行； 二泵站機組能滿足增流要求，單機流量不調(diào)整，但機組與出水管道不匹配，#7 大機不能發(fā)揮作用，需增加1 排DN1200 壓力管道， 調(diào)整機組布置， 大機運行方式由 “5 大1中”或“5 大1 中+1 小”調(diào)整為“6 大1中1 小+1 大”； 三泵站運行方式由“6大+1 大2 小”或“5 大2 小+2 大”調(diào)整為“6 大2 小+1 大”，調(diào)整后大機組設計流量由3.06 m3/s 增加為3.19 m3/s（增幅3.26%），小機組設計流量由1.56 m3/s 增加為1.69m3/s （增幅8.3%）；四泵站運行方式維持“6+1”不變，水泵設計流量由3.09 m3/s 增加為3.3 m3/s（7.7%）；五泵站運行方式由“6+2”調(diào)整為“7+1”，水泵設計流量由1.75 m3/s增加為2.03 m3/s（增幅11.6%）。 總體水泵流量增幅為3.26%～11.6%。

2.增流葉輪研制及試驗

（1）葉輪研制

通過改造水泵葉輪來增加水泵流量，需要解決水泵機組流量增加后引起的電動機功率超標、 水泵汽蝕、磨損加劇以及每臺水泵的合理流量取值等問題。本文選擇三～五泵站的3個型號共6 臺大機組進行葉輪改進設計和試驗運行， 開展了泵殼測量、葉輪設計和制造、試驗運行、組織專家論證、現(xiàn)場校測、反復調(diào)試、開泵檢查等大量工作，實現(xiàn)了葉輪研制技術(shù)的突破，取得了一系列研究成果。

中國農(nóng)業(yè)大學針對雙吸離心泵的內(nèi)部流動特點提出的雙吸離心泵葉輪交替加載設計方法基于該方法所研發(fā)的雙吸離心泵具有最高效率高、 高效區(qū)寬和壓力脈動低等特點，本文采用該方法， 在KQSN1200-M14、1200S32、DFSS800-14 雙吸離心泵泵體的基礎(chǔ)上， 進行葉輪改進設計。 葉片載荷采用蓋板前和輪轂后混合加載模式，葉輪采用輪轂兩側(cè)交錯布置、 出口邊正向傾斜的結(jié)構(gòu)形式，在原有泵殼基礎(chǔ)上適當加大葉輪外徑和葉輪出口寬度，優(yōu)化改進設計了3 個型號新葉輪，參數(shù)見表1。

表1 三至五泵站改進后葉輪基本參數(shù)

新設計的3 個型號6 只葉輪（見圖1） 均采用雙相不銹鋼進行鑄造加工，加工時嚴格控制葉輪鑄造質(zhì)量和加工精度，經(jīng)進場驗收合格后安裝在6 臺試驗機組上試驗運行。

針對五泵站改進葉輪流量達不到要求、超功率問題，對其進行了第2次改進設計，采用雙相不銹鋼鑄造工藝加工了2 只， 于2019 年5 月安裝繼續(xù)試驗運行。 之后為提高制造精度，按照第2 次改進設計加工了1 只鋼板焊接葉輪進行試驗運行和2 次外徑車削后的試驗運行。

（2）試驗及運行

三泵站2 臺水泵試驗時間為2017 年冬灌期和2018 年全灌溉期，四泵站2 臺水泵試驗時間為2018 年全灌溉期，五泵站2 臺水泵試驗時間為2017 年冬灌期、2018—2019 年全灌溉期。

運行數(shù)據(jù)均來自泵站自動化監(jiān)控系統(tǒng)， 每隔1 h 從后臺工作機上讀取運行參數(shù)。 水泵流量通過管道電磁流量計測量，溫度通過設備內(nèi)埋設的測溫電阻測量，電力參數(shù)通過智能化電力監(jiān)控裝置進行測量。2019 年7 月份， 組織專家對三～五泵站重點是五泵站的流量、功率、揚程等參數(shù)進行現(xiàn)場測試復核，表明黑水溝泵站實際流量比泵站安裝的電磁流量計測試值大0.27m3/s。

通過對全灌溉期運行數(shù)據(jù)分析，結(jié)論為： 三泵站改進設計的葉輪全年流量為3.02～3.70 m3/s， 全灌期平均流量3.5 m3/s 比設計值值3.19 m3/s高0.31 m3/s；電機有功功率為2 502～2 811 kW，全灌期平均功率2 587 kW，超載3.48%。 四泵站改進設計的葉輪全年流量為3.00～3.55 m3/s，全灌期平均流量3.3 m3/s， 達到了設計要求；電機有功功率為1 386～1 579 kW， 全灌期平均功率1 447 kW，超載3.36%。 五泵站第1 次改進葉輪流量未達到增流要求；第2 次改進設計的葉輪采用不銹鋼鑄造加工的（外徑824 mm），單機流量1.94 m3/s，并聯(lián)流量1.86 m3/s，電機功率1 083 kW； 采用鋼板焊接葉輪，外徑826mm 時，單機流量2.08m3/s，電機功率1 065 kW；外徑815 mm 時單機流量2.03 m3/s， 并聯(lián)流量1.94 m3/s，電機功率1 044 kW；外徑810 mm 時，單機流量1.94 m3/s，并聯(lián)流量1.92 m3/s，電機功率989 kW。因五泵站實際流量比測試流量大0.27 m3/s， 修正后五泵站第2 次設計的葉輪：不銹鋼葉輪并聯(lián)單機流量2.11m3/s；鋼板葉輪D826并聯(lián)單機流量2.25 m3/s， 葉輪外徑車削至810 mm 時并聯(lián)單機流量2.11 m3/s、功率989 kW 不超載。 故第2 次改進設計的葉輪流量比設計值2.03 m3/s 大，車削后功率也不超載，滿足增流要求。 經(jīng)試驗運行和調(diào)整，對三～五泵站現(xiàn)有水泵進行改進設計的葉輪能滿足泵站增流要求。 水泵電機略有超載，但流量有富裕，可通過車削葉輪外徑使水泵電機既不超功率又滿足流量要求。 在整個試驗運行期間，試驗水泵和電機均運行正常， 振動及噪音均小于未更換增流改造葉輪的水泵機組，經(jīng)檢查葉輪無明顯汽蝕破壞。

3.渡槽降糙處理技術(shù)

（1）基本情況

本項目涉及的三干渠長山頭渡槽全長1 055 m，為U 形斷面，槽殼半徑2 m，凈高2.9 m，原設計流量20 m3/s，校核流量25 m3/s， 因為斷面老化、糙率增大，輸水能力下降了10%。 本次增流3.8 m3/s 后， 渡槽實際過水流量由17.5 m3/s 增加為21.3 m3/s， 運行水位距拉梁不足10 cm， 不符合規(guī)范規(guī)定0.1 D=0.4 m 的要求， 受波浪影響（一般波高0.2 m）渡槽會出現(xiàn)泛水現(xiàn)象。 該渡槽屬于寧夏水利工程標志性建筑物， 且經(jīng)安全鑒定為三類工程，不宜翻建。 要解決過流問題只能并建輸水建筑物或采取措施增大過流能力。 為此固海揚水管理處、寧夏水利廳開展了渡槽降糙技術(shù)試驗研究工作。

（2）降糙處理試驗

先后引進深圳市巍特環(huán)境科技股份有限公司SCL 防滲膜及其粘貼技術(shù)、中國水利水電科學研究院全資控股的北京中水科海利工程技術(shù)有限公司SK 刮涂聚脲及其涂刷技術(shù)，對渡槽過水面進行防滲處理，現(xiàn)場測量渡槽糙率。 固海揚水管理處2018年在固海擴灌工程二干渠#3 渡槽上開展了SCL 防滲膜降糙處理試驗，2019 年在紅寺堡揚水工程3 座渡槽上分別開展了SCL 防滲膜粘貼和SK刮涂聚脲涂層降糙處理試驗。

①基面及降糙處理

圖1 新設計的3 個型號葉輪

降糙處理前，檢查渡槽基面完好及老化破壞情況。 對渡槽內(nèi)垃圾淤泥等雜物進行清理，并清洗干凈。 對基面破損的， 先進行基面修補加固、整平處理和伸縮縫處理。 清理掉基面脫落松散的砼浮層、鋼筋銹蝕層、突出伸縮縫縫面的粘貼物和止水結(jié)構(gòu)，對砼面突起、斜坡升坎、三角突體進行打磨，要求寬高比斜坡升坎L/△＞13、三角突體L/△＞25。 采用聚合物砂漿對結(jié)構(gòu)破損、坑洼、蜂窩麻面等缺陷進行修補， 重構(gòu)漏筋部位鋼筋保護層，確保施工基面平整、干凈、堅固。降糙處理時應嚴格按降糙材料技術(shù)和工藝要求施工。

SCL 防滲膜粘貼施工工藝流程：施工準備→基面清理→高壓水沖洗→基面、缺陷修復→養(yǎng)護→布置施工線→SCL 防滲膜施工→防滲膜焊接， 固定封口→檢查驗收。 鋪設SCL防滲膜時，防滲膜周邊采用不銹鋼壓條進行固定封口，中間采用SW107 膠漿進行點粘或全粘固定，搭接部位用專用設備進行焊接。 防滲膜粘貼后應壓緊壓實。 渡槽伸縮縫內(nèi)采用纖維布填充，原有不平部分采用SW107 砂漿修補填平， 表面直接鋪設防滲膜，無需單獨作防水處理。

SK 刮涂聚脲涂層施工工藝流程：施工準備→基面清理→高壓水沖洗→基面、缺陷修復→養(yǎng)護→伸縮縫處理（拆除原伸縮縫環(huán)氧橡皮→基面打磨清理→高壓水沖洗→膩子修補缺陷→縫內(nèi)嵌填瀝青麻絲10 cm→嵌填GB 柔性止水材料→3 cm 深泡沫閉口板與縫面齊平）→聚脲刮涂→檢查驗收。 裂聚脲涂層應均勻涂敷，目測檢查外觀顏色均勻、平整、無流掛、無漏涂、無針孔、無起泡、無開裂、無異物混入。 聚脲涂層施工應嚴把原材料關(guān)和施工質(zhì)量關(guān)。 聚脲材料進場原材料檢驗每10 t 抽檢1 組， 涂層黏結(jié)強度、 涂層厚度每500 m2檢測一組。 聚脲涂層完成14 d 后，采用現(xiàn)場拉拔試法進行黏結(jié)強度試驗驗，同時測量涂層厚度。 聚脲黏結(jié)強度應不小于2.5 MPa 或基材本體斷。涂層厚度應滿足設計要求， 最小厚度應不小于設計厚度的90%， 且小于設計厚度比例不超過5%。 對伸縮采用瀝青麻絲等止水材料縫進行填充和平口處理。

②斷面測量

包括測量斷面布設、 測量項目、測量儀器及測量方法選擇等內(nèi)容。 斷面設置在渡槽進、 出口和中間點；測量項目包括過水面積、水位、渡槽槽底比降、水面比降、斷面流速等；測量方法依據(jù)儀器精度和測量精度確定，采用閉合測量或多次平均法測量；儀器依據(jù)參數(shù)要求的精度或其絕對誤差限進行選擇， 根據(jù)糙率測量精度要求確定流量測量精度，進而求得斷面參數(shù)的精度以及絕對誤差限。

③糙率計算

依據(jù)明渠恒定非均勻流公式反算糙率，并與明渠恒定均勻流公式進行對比確定。

固海揚水管理處2018 年采用SCL 防滲膜對渡槽處理后， 現(xiàn)場測試渡槽糙率由0.014 2 降為0.011 0，經(jīng)試驗分析并經(jīng)專家評審，專家建議實際使用時宜采用糙率n≥0.011。 寧夏水科院2019 年在紅寺堡揚水工程降糙試驗結(jié)果為：采用SCL 防滲膜對上麻黃溝和通山溝2 座渡槽處理后，現(xiàn)場測試渡槽糙率由0.012 87 降到0.011 15；采用SK 刮涂聚脲對鴨爪子渡槽處理后， 現(xiàn)場測試渡槽糙率由0.012 87 降到0.010 85。

三、應用及成效

通過對固海一～五泵站機組運行方式的調(diào)整， 目前已對三～五泵站6臺水泵安裝了改進設計的增流葉輪，水泵流量滿足增流要求，而且電機功率不超載， 水泵電機運行溫度均正常，振動及噪音均小于未更換增流改造葉輪的水泵機組， 水泵運行平穩(wěn)，葉輪無明顯汽蝕破壞，同時機組效率還得到提升。 三泵站水泵效率達到86.0%，提高了13.6%；裝置效率達到73.4%，提高了9%。 四泵站水泵效率79.3%， 提 高 了4.4%； 裝 置 效 率66.9%， 提高了2.4%。 下一步對剩余20 臺水泵安裝改進增流葉輪后，能實現(xiàn)固海一～五泵站增流要求。 采用聚脲涂刷工藝對長山頭渡槽進行了整體處理，面積8 600 m2，處理后渡槽過水歷時縮短了33%， 糙率由0.015 0下降為0.011 9，渡槽輸水能力提升了26.4%，滿足了增流要求，從而實現(xiàn)一至五干渠增流的要求。 通過研制并安裝增流葉輪、對渡槽采取降糙處理措施，挖潛提效既實現(xiàn)了泵站和渠道增加流量3.8 m3/s 的目的， 取得了增流增效的效果，而且又極大地節(jié)約了工程改造投資。

四、結(jié) 語

固海“6+1”增流改造工程是寧夏

水利廳立項建設的脫貧攻堅水利工程。 本工程創(chuàng)新性地通過挖潛提效增加水泵流量和調(diào)整機組運行方式來

提高泵站整體上水量，首次應用雙吸

離心泵交替加載技術(shù)在現(xiàn)有水泵泵

體的基礎(chǔ)上對葉輪進行增加流量的

改進設計， 通過現(xiàn)場試驗和設計改

進，解決了水泵增流和電機過載的矛盾，首次利用新型防護材料低糙率的特點對老舊渡槽進行降糙處理來提高過流能力，解決了工程建設的關(guān)鍵技術(shù)問題，為深度挖掘現(xiàn)有工程及設備潛力、減少工程投資，優(yōu)化工程改造方案提供了有力的技術(shù)支撐，并為

類似工程改造提供了參考。 ■