軌道交通地下區(qū)間道床泵房設(shè)計(jì)

劉宗洲，常軍霞，房健，俞科成

（中鐵二院華東勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，杭州 310009）

1 引言

城市軌道交通區(qū)間隧道廢水泵房與聯(lián)絡(luò)通道普遍采用合并建設(shè)的方式，廢水泵房需在聯(lián)絡(luò)通道開挖完成后，在其底部往下開挖3～5 m，施工工期長，施工風(fēng)險(xiǎn)很大。部分城市嘗試取消了聯(lián)絡(luò)通道下的廢水泵房集水坑，利用盾構(gòu)鋼管片及道床設(shè)置廢水泵房[1]，或直接利用道床高度來設(shè)置道床泵站。道床泵站的普遍特點(diǎn)是集水坑深度淺，一般為0.5～0.8 m，當(dāng)因隧道施工誤差需要對(duì)軌道調(diào)線調(diào)坡時(shí)，集水坑深度可能會(huì)進(jìn)一步壓縮[2]。因此，需要選擇高度盡量不超過道床面，且停泵液位盡可能低的水泵。如寧波地鐵為解決盾構(gòu)區(qū)間內(nèi)設(shè)置泵房排水泵頻繁起泵，采用具備低水位保護(hù)和自冷卻功能的意大利進(jìn)口泵[3]。

排水泵站設(shè)計(jì)常用的方法是先確定單臺(tái)水泵的流量、揚(yáng)程和并聯(lián)數(shù)量，再由供貨廠家選取供貨水泵型號(hào)。但道床泵設(shè)計(jì)選型受道床集水坑最大深度的限制，對(duì)水泵的安裝高度有嚴(yán)格的要求，應(yīng)先確定水泵型號(hào)，再計(jì)算并聯(lián)流量、揚(yáng)程和并聯(lián)數(shù)量。

因此，受道床泵站集水坑深度、水泵提升高度、水泵揚(yáng)水管的輸水長度的限制，道床泵站水泵的選型極為復(fù)雜。道床泵的選型要考慮不同隧道類型、不同道床類型所確定的集水坑高度，根據(jù)此高度選擇不同品牌中能滿足集水坑深度要求的水泵，再根據(jù)水泵的性能曲線和管道特性曲線進(jìn)行擬合，確定單臺(tái)、多臺(tái)水泵運(yùn)行的工況點(diǎn)，確定水泵并聯(lián)運(yùn)行的數(shù)量；當(dāng)單根排水管不滿足設(shè)計(jì)流量要求時(shí)，確定所需揚(yáng)水管的總根數(shù)。

下面以某區(qū)間道床泵為例，對(duì)其設(shè)計(jì)選型進(jìn)行計(jì)算分析。

2 系統(tǒng)概況

選擇普通道床地段，集水坑斷面圖如圖1 所示。

所選地段道床集水坑深度635 mm，設(shè)定泵站提升高度為15 m，水泵輸水管長度為600 m，根據(jù)以上條件選擇幾種不同的水泵進(jìn)行計(jì)算選型。

3 區(qū)間排水量計(jì)算

盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)滲漏水量0.05 L/（m2·d），盾構(gòu)內(nèi)徑按5.5 m計(jì)算，則雙線區(qū)間結(jié)構(gòu)滲漏水量為1 200×3.14×5.5×0.05/24/1 000=0.04 m3/h；

消防排水量按10 L/s 計(jì)算，即為36 m3/h；

則，區(qū)間計(jì)算排水量為36+0.04=36.04 m3/h。

圖1 集水坑斷面圖

4 區(qū)間排水管管道特性曲線計(jì)算

道床泵站示意圖如圖2 所示。

圖2 泵站系統(tǒng)圖

沿程損失的計(jì)算公式根據(jù)海澄-威廉公式[4]，單泵支路水管折算長度基本相同，將管道特性進(jìn)行簡化計(jì)算，建立水泵運(yùn)行時(shí)揚(yáng)水管的管道特性方程為：

式中，H為水泵揚(yáng)程，m；Hst為水池最低水位到揚(yáng)水管出口地面高程差，m；q為單泵管段設(shè)計(jì)流量，L/s；C為海澄-威廉系數(shù)；di為單泵出水管道的內(nèi)徑，m；l為單泵出水管道計(jì)算長度；Q為總設(shè)計(jì)流量，L/s；Di為合并后管道的內(nèi)徑，m；L為單泵合并后管道計(jì)算長度。

單泵出水管管件及閥件折算當(dāng)量長度見表1。

表1 管件及閥件折算當(dāng)量長度表

水泵單根支管的直線長度為3 m，加上當(dāng)量折算長度，則單泵出水管道計(jì)算長度l=3+（4.5+9.2+3.4+0.3）=20.4 m。

5 水泵特性曲線擬合

選擇幾種常用型號(hào)的水泵進(jìn)行選型計(jì)算，水泵的參數(shù)見表2。

以上水泵的安裝尺寸、停泵液位、最大水泵揚(yáng)程滿足要求，從中選擇MF 3069 進(jìn)行特性曲線的擬合。MF 3069 HT 3-250 性能曲線表見表3。

從水泵性能曲線圖3 可看出，其性能曲線近似于拋物線，可以采用二次回歸曲線來擬合水泵的性能曲線，建立水泵性能回歸曲線方程為[5]：

式中，q為單泵管段設(shè)計(jì)流量，L/s；A0、A1、A2、A3、A4為擬合系數(shù)。

表2 擬選型水泵性能參數(shù)表

表3 MF 3069 HT 3-250 性能曲線表

圖3 MF3069 水泵特性曲線圖

從水泵特性曲線中選擇盡足夠的樣本數(shù)據(jù)，利用最小二乘法[6]求解；或者利用excel 進(jìn)行趨勢線曲線擬合，趨勢線類型選擇多項(xiàng)式，階數(shù)選擇4，擬合之后的公式為：

從表3 可以看出，水泵特性曲線擬合后，誤差較小，性能高效段內(nèi)的誤差不超過3%。

滿足計(jì)算精度要求。如果需要更高的精度，可以將多項(xiàng)式擬合的階數(shù)增加或分段建立擬合曲線。

同理建立其他型號(hào)的水泵特性曲線擬合公式：

6 水泵并聯(lián)數(shù)量計(jì)算

取水泵并聯(lián)數(shù)量為n（n≥2），則總流量Q=nq，將此公式代入式（1），與式（2）進(jìn)行聯(lián)合求解，直至nq滿足設(shè)計(jì)要求的Q為止。此過程可以采用計(jì)算機(jī)編程求解或者利用excel 單變量求解，也可以利用excel 圖示求解。

當(dāng)管道直徑采用DN150，管道材質(zhì)選用鍍鋅鋼管，以在提升高度Hst=15 m，水泵揚(yáng)水總管長度為600 m 時(shí)，利用excel建立多泵并聯(lián)運(yùn)行圖示如圖4 所示。

圖4 多泵并聯(lián)運(yùn)行圖示

從圖4 可以看出，在滿足設(shè)計(jì)流量10.01 l/s 時(shí)，至少需要并聯(lián)2 臺(tái)MF 3102 型水泵。同理可計(jì)算得出，選擇MF 3069 HT 3-250 型泵，則需要5 臺(tái)泵并聯(lián)；選擇50DSP5-4.0 型泵，需要2 臺(tái)泵并聯(lián)；其他型號(hào)并聯(lián)超過7 臺(tái)還是無法滿足排水要求，需要增加揚(yáng)水管直徑或數(shù)量。

當(dāng)設(shè)計(jì)2 根DN150 揚(yáng)水管時(shí)，選擇MF 3069、50 DSP5-1.5、AP 200 型水泵每根揚(yáng)水管需配2 臺(tái)泵；選擇APG 300、50WQ11092 型水泵每根揚(yáng)水管需配1 臺(tái)泵。

7 集水坑設(shè)計(jì)

集水坑有效容積需滿足最大臺(tái)單泵運(yùn)行時(shí)15～20 min 的出水量[7]，取單根揚(yáng)水管54 臺(tái)MF 3069 型泵并聯(lián)時(shí)，單臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)出水量為4.44 L/s，15 min 的出水量為V=4.44×15×60/1 000=4 m3。

集水坑寬度為600 mm，根據(jù)圖1 選擇有效水深為335 mm，則集水坑長度為4/0.6/0.335=19.9 m。

在集水坑有效深度、寬度、輸水管管徑和長度一定的情況下，將上述幾種型號(hào)水泵選型及集水坑參數(shù)見表4、表5。

表4 選型計(jì)算表（1 根DN150 揚(yáng)水管）

表5 2 根揚(yáng)水管（DN150)

8 結(jié)論

根據(jù)以上選型和計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：

1）應(yīng)根據(jù)集水坑的高度來控制選型水泵的泵體安裝高度；

2）不同型號(hào)水泵并聯(lián)的數(shù)量不同，集水坑的長度不同；

3）水泵并聯(lián)后的總流量隨著水泵并聯(lián)數(shù)量增加而增加，但到一定限制后增加有限；

4）單根揚(yáng)水管不滿足要求時(shí)，可以選用2 根揚(yáng)水管，從區(qū)間兩邊車站風(fēng)井排出；

5）水泵并聯(lián)數(shù)量的增加有利于降低集水坑大小，但投資增加、控制復(fù)雜；

6）集水坑長度應(yīng)與軌道專業(yè)協(xié)商，控制在一定的長度范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)選擇合適的水泵；

7）集水坑設(shè)計(jì)應(yīng)考慮包容性，當(dāng)中標(biāo)水泵型號(hào)變化或調(diào)線調(diào)坡引起集水坑容積減小時(shí)，應(yīng)能滿足水泵的吸水條件要求，并盡量滿足有效容積要求。

8）當(dāng)采用雙揚(yáng)水管時(shí)，揚(yáng)水管流速有可能不滿足最小沖淤流速要求，可以通過降低管徑等方法進(jìn)一步核算。

本文僅選擇提升高度為15 m，揚(yáng)水管管徑為DN150，長度為600 m，道床形式為盾構(gòu)區(qū)間普通道床來進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，當(dāng)邊界條件發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)根據(jù)邊界條件的變化重新計(jì)算選型。