引子渡電站庫內(nèi)泵站不同型式應(yīng)用探討

符昌勝，汪 羅，馬富強

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

三岔河引子渡提水工程位于貴州省中部的平壩區(qū)境內(nèi)，擬從距平壩縣城西北約18 km的三岔河引子渡水庫支溝匯口處提水至秀洞河，經(jīng)由秀洞河自流進(jìn)入石朱橋水庫和紅楓湖，成為貴陽市和貴安新區(qū)供水的近期備用水源和遠(yuǎn)期供水水源。取水泵站距離引子渡電站大壩約11 km。引子渡電站水庫總庫容5.31億m3，死水位1052.00 m，正常蓄水位1086.00 m，設(shè)計洪水位1086.86 m，校核洪水位1091.09 m。引子渡提水工程設(shè)計提水流量2.25 m3/s，日供水能力19.6萬t、年供水量6060萬m3，提水泵站裝機(jī)容量8000 kW。

2 泵站選址和地形地質(zhì)條件

引子渡提水工程采用泵站從引子渡水電站庫內(nèi)提水后管線輸水至東南側(cè)的秀洞河，然后自流進(jìn)入紅楓湖，從而滿足貴陽市用水需求。經(jīng)對引子渡庫區(qū)河道走向和秀洞河走向的分析，在水庫中部的支流岔河匯口處取水揚程較低，輸水線路最短，而且水質(zhì)較好，因此取水泵站布置于支流匯口右岸。

泵站所在位置為溶蝕峽谷地貌，為橫向“U”型谷，河谷底部高程約1049.00 m，寬約30.00 m，基巖巖性為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰色、深灰色中厚層至厚層塊狀夾薄層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，為單斜地層，巖層代表產(chǎn)狀318°∠21°，傾向河床下游稍偏右岸，未發(fā)現(xiàn)較大的地質(zhì)構(gòu)造通過。兩岸基巖多裸露，覆蓋層零星分布，河床覆蓋層由湖積淤泥質(zhì)黏土、沖洪積砂卵礫石、含碎石砂質(zhì)土及少量崩塌堆積碎塊石組成，成分較雜，一般厚約3～8 m。

3 泵站型式擬定

泵站采用庫內(nèi)取水，水庫消落水深343.00 m，泵站型式根據(jù)泵型選擇可采用多種類型，泵型選擇主要有離心泵、長軸深井泵和潛水泵。結(jié)合本工程提水揚程和流量，潛水泵單泵流量小，且電機(jī)長期置于水下，可靠性較差，因此潛水泵不參與泵站型式比選[1-4]。

離心泵可選泵站型式有：浮船式、庫岸井筒式、岸邊地下式。因水庫為已成電站庫區(qū)，電站及水庫規(guī)模大，難以協(xié)調(diào)電站水位運行，且水庫水位變幅大，無合適地形條件設(shè)置圍堰，水下施工非常困難，因此不采用庫岸井筒式進(jìn)行比選。離心泵采用浮船式和岸邊地下式進(jìn)行方案比選。

長軸深井泵可選泵站型式有：庫內(nèi)排架式、岸邊豎井式、河谷拱橋式。若采庫內(nèi)排架式，需對河床基礎(chǔ)進(jìn)行樁基施工，水庫水位變幅大，河床地質(zhì)條件復(fù)雜，使得水下樁基施工困難，因此對于長軸深井泵僅采用岸邊豎井式和河谷拱橋式進(jìn)行方案比選。

3.1 浮船式泵站

浮船式泵站方案由主廠房浮船、浮船支臂、岸邊錨固墩、岸邊副廠房及進(jìn)廠公路組成，受水庫消落水深影響，浮船支臂及連接棧橋總長110.00 m，因此浮船泵站無法布置于狹窄的岔河支流，需布置于匯口下游主河道右岸。

初擬浮船式取水泵站位于岔河匯口主河道下游側(cè)。地形坡度約30°，自然邊坡穩(wěn)定。結(jié)合現(xiàn)場地形地質(zhì)條件，主河道右岸可布置浮船式泵站長度范圍約350.00 m，設(shè)計布置浮船緊靠岔河匯口，以減少進(jìn)廠公路和泵站出水管長度。

浮船為泵站主廠房，船體長46.00 m，寬15.00 m，泵型采用臥式離心泵，共4臺(3用1備)，裝機(jī)容量4×1800 kW。每2臺泵接1根出水管，管徑1.10 m，采用專用鉸鏈與支臂上的出水管相接。浮船采用2根平行支臂與岸邊支墩相連，支臂長75.00 m，2支臂中心距10.00 m。岸邊支墩為C25鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，框架頂部高程1087.00 m，下部基礎(chǔ)開挖高程1063.07 m。支墩與岸邊錨墩之間采用35.00 m長棧橋相接，棧橋與浮船支臂均采用出水管+支撐鋼結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計。泵站副廠房布置于緊靠錨墩的岸坡，采用兩層結(jié)構(gòu)，每層長27.00 m，寬10.48 m，布置開關(guān)柜室、低壓配電室、中控室和通信室等。主變場布置于副廠房附近岸坡，基礎(chǔ)采用邊坡開挖的平臺。

3.2 岸邊地下式泵站

岸邊地下泵站方案布置于岔河匯口右側(cè)山體內(nèi)，泵型采用臥式離心泵，共4臺(3用1備)，裝機(jī)容量4×1800 kW。由下部取水隧洞、地下主廠房、連通豎井、地面安裝間、副廠房、變壓站、回車場等組成。

結(jié)合實測河道高程，下部取水隧洞進(jìn)口距離匯口150.00 m布置，以滿足巖塞爆破和進(jìn)口淹沒要求。因取水隧洞進(jìn)口采用巖塞爆破形成，同時為了提高地下廠房圍巖的抗?jié)B性和完整性，將地下廠房適當(dāng)?shù)倪h(yuǎn)離河道布置，相應(yīng)的地面部分地坪高程取1095.50 m。

取水隧洞進(jìn)口由巖塞爆破形成，巖塞體直徑3.80～5.50 m，厚5.00 m，巖塞體周邊進(jìn)行帷幕灌漿。巖塞爆破為高風(fēng)險水下爆破作業(yè)，一旦爆破不成功，將直接影響整個取水泵站的成敗，因此布置雙取水洞，兩個巖塞爆破同時進(jìn)行，確保爆破成功。進(jìn)口下部設(shè)集渣坑，深4.50 m，長12.70 m，寬3.00 m。集渣坑至地下泵站襯砌之間為取水隧洞，洞長40.00 m，凈寬3.00 m，凈高3.60 m，采用0.50 m厚鋼筋混凝土襯砌，末端設(shè)5.00 m長混凝土堵頭，泵站取水鋼管穿過堵頭與庫水相接。

主廠房采用城門洞斷面，長39.62 m，寬16.50 m，高20.74 m，采用1.50 m厚C25鋼筋混凝土襯砌，廠房內(nèi)布置4臺臥式離心泵。泵站出水管道為直徑1.10 m雙管，每2臺泵出水接1根出水管道,出水管道由豎井延伸至地面。

主廠房與地表安裝間采用豎井相連，豎井?dāng)嗝骈L16.50 m，寬11.40 m，深46.75 m，采用1.50 m厚鋼筋混凝土襯砌。豎井?dāng)嗝鎯?nèi)布置有吊物通道、消防樓梯、電梯、出水管道、廠內(nèi)排水管、廠房通風(fēng)管、電源電纜通道和控制電纜通道。

豎井頂部靠回車場一側(cè)為安裝間，另一側(cè)為副廠房。安裝間與豎井段布置起重機(jī)，與主廠房內(nèi)起重機(jī)配合轉(zhuǎn)運設(shè)備。

3.3 岸邊豎井式泵站

岸邊豎井式泵站方案布置于岔河末端右岸，由下部取水隧洞、橫向集水洞、取水豎井和地面泵房組成，泵型采用長軸深井泵，共8臺(6用2備)，裝機(jī)容量8×1000 kW。

根據(jù)選定的泵站站址，結(jié)合實測河道高程庫岸地形，下部取水隧洞進(jìn)口距離匯口150.00 m布置，以滿足巖塞爆破和進(jìn)口淹沒要求。

取水隧洞進(jìn)口由巖塞爆破形成，結(jié)構(gòu)設(shè)計與岸邊地下泵站方案基本一致。

取水隧洞末端接橫向集水洞，集水洞長45.20 m，城門洞斷面襯砌后凈寬3.00 m，凈高3.60 m，兩端接取水豎井。集水洞底板高程1043.05 m，滿足水泵取水要求。

泵站布置8臺長軸深井泵，若每臺泵管獨立設(shè)置取水豎井，將使得泵房過長或者豎井間距過小，因此將8臺泵分兩組布置，每組4臺共用一個長條形取水豎井?？紤]到豎井內(nèi)灌漿施工、水泵安裝等要求，豎井橫斷面襯砌后凈寬取2.00 m，凈長16.20 m，其中水泵機(jī)組中心間距5.00 m，端部泵管距離襯砌0.60 m。豎井襯砌厚0.43 m，豎井頂部設(shè)置1.00 m厚蓋板作為水泵基礎(chǔ)，蓋板頂高程同主廠房地面高程。

泵站豎井、集水平洞、取水洞和施工斜井處于引子渡水庫正常蓄水位之下，巖體的透水性較好，在隧洞開挖中庫水將通過溶隙、卸荷裂隙等向隧洞內(nèi)滲漏或涌入。為減少開挖過程施工面的滲水，在豎井、集水平洞和施工斜井靠河一側(cè)布置帷幕灌漿，帷幕灌漿線從施工斜井上游20.00 m處開始，平行取水豎井20.00 m布置，線延伸至取水豎井西北側(cè)20.00 m后轉(zhuǎn)向山體，并延伸20.00 m，帷幕線總長260.00 m，帷幕底高程1042.00 m，低于引子渡庫區(qū)死水位10.00 m。

泵站主副廠房布置于地表，主廠房長59.31 m，寬14.40 m，由安裝間和水泵主機(jī)房組成。副廠房平行布置于主廠房靠山一側(cè)，結(jié)合坡面地形與主廠房呈臺階狀布置。

3.4 河谷拱橋式泵站

為減少泵站施工受制于電站水庫淹沒，結(jié)合岔河匯口附近河谷較為狹窄的特殊地形條件，設(shè)計考慮在距離匯口約220.00 m處布置拱橋式泵站，泵型采用長軸深井泵，共8臺(6用2備)，裝機(jī)容量8×1000 kW。

泵站布置于穿洞埡口至主河道河谷段的最窄處，下部采用拱橋結(jié)構(gòu)。副廠房位于橋北端左側(cè)，基礎(chǔ)面為坡面開挖形成，底板高程1093.50 m，副廠房西北端為主變場，副廠房、主變場與山體之間設(shè)43.00 m運輸通道。進(jìn)廠公路從附近的大寨村引入，與拱橋北端右側(cè)相接。泵站出水管道沿廠房兩側(cè)引出，在廠房北側(cè)下彎至廠區(qū)平臺高程以下采用埋管鋪設(shè)，在拱橋北端合并后向東沿坡面鋪設(shè)。

泵站主機(jī)間置于拱橋上，橋體采用C40鋼筋混凝土板拱，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.7，主拱凈跨62.50 m，凈矢高13.889 m，矢跨比1∶4.5，主拱厚1.50 m，主拱寬度結(jié)合上部主廠房結(jié)構(gòu)取17.00 m。拱上結(jié)構(gòu)采用空腹式結(jié)構(gòu)，腹孔布置為拱式，腹孔跨徑為3.00 m。

泵站長軸深井泵泵軸長度超過40.00 m，為了保證水泵安全運行，設(shè)計采用外套鋼管對泵管進(jìn)行保護(hù)，鋼管直徑1.20 m，頂部采用止推環(huán)固定在主拱結(jié)構(gòu)上，下部采用折線拱進(jìn)行水平約束。

副廠房布置于拱橋北側(cè)岸坡，長34.98 m，寬10.60 m。

4 泵站型式比選分析

考慮到浮船泵站和地下泵站為離心泵，岸邊豎井泵站和拱橋泵站為長軸泵，兩種泵型提水效率有差異，因此對工程壽命周期50 a的運行費用進(jìn)行現(xiàn)值計算，各泵站方案總費用統(tǒng)計見表1[5]。

表1 各泵站方案總費用統(tǒng)計

由表1可見，四個方案工程總費用相差不大，但考慮到項目初期為應(yīng)急備用水源，提水量較小，運行電費差異小于表1，因此拱橋泵站費用實際偏小。各泵站方案優(yōu)缺點綜合對比分析見表2。

表2 各泵站方案優(yōu)缺點綜合對比分析

續(xù)表2

由上述對比分析可見：浮船泵站方案主要存在侵占主河道航道、影響景觀、工程協(xié)調(diào)難度大的問題、工程耐久性和維護(hù)管理不及混凝土結(jié)構(gòu)、后期擴(kuò)容條件較差等缺點；地下泵站方案和岸邊豎井泵站方案主要存在水下結(jié)構(gòu)開挖襯砌等施工難度大，施工風(fēng)險高等問題；拱橋泵站主要存在長軸泵效率偏低的問題，但工程初期提水量小，影響有限，因此本階段推薦采用拱橋泵站方案。

5 結(jié) 論

通過對引子渡提水泵站的型式比選，采用了較為新穎的拱橋式泵站，避免了地下泵站的施工風(fēng)險、消除了對景區(qū)的景觀影響，拱橋泵站還可作為新的景觀，合理利用電站運行期庫水位消落施工，使得結(jié)構(gòu)在功能性、可實施性、環(huán)境適應(yīng)性等方面達(dá)到綜合優(yōu)化，為同類工程提供參考。