一體化泵閘技術(shù)在杭嘉湖圩區(qū)中的應(yīng)用研究

戴林軍，郝曉偉，陳 勝

（1.德清縣水利工程管理所，浙江 德清 313200；2.浙江省水利科技推廣服務(wù)中心，浙江 杭州 310012；3.浙江中水工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

近年來，隨著杭嘉湖地區(qū)水利工程縱深推進，進一步加快區(qū)域河網(wǎng)水體流動、重點防范流域突發(fā)性洪水侵襲將成為治水新要素。當(dāng)?shù)卣Y(jié)合骨干河道建設(shè)，通過閘站建設(shè)、堤防等級提升、河道水系連通等方式，加速杭嘉湖圩區(qū)整治，完善灌排體系，努力提升杭嘉湖平原的區(qū)域防洪排澇能力、水資源配置能力和水環(huán)境容量，具有十分重要的意義。

一體化泵閘系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)泵房結(jié)構(gòu)，將潛水軸（貫）流泵布置在閘門門葉上，閘門既是擋水建筑物又是水泵支承的基礎(chǔ)，使水閘和泵站合二為一。與傳統(tǒng)閘站相比，該系統(tǒng)在保有防洪排澇功能的同時，更具以下獨特優(yōu)勢：①泵房不侵占天然河道，不束窄過流斷面，圩區(qū)內(nèi)外水體交換能力強；②閘站整體結(jié)構(gòu)尺寸小，土建投資減小，施工工期縮短，整體成本降低；③設(shè)備高度集成化和智能化，操作簡單，便于日常運行管理；④系統(tǒng)適用性強，不僅可用于新建工程，也適用于老閘改造。

目前，一體化泵閘系統(tǒng)主要應(yīng)用于圩區(qū)整治、城市低洼地區(qū)的防洪排澇，以及黑臭河的水循環(huán)治理等工程。在國外，該系統(tǒng)在荷蘭、德國、美國等歐美國家，以及日本、韓國、馬來西亞等東南亞地區(qū)均得到廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)，一體化泵閘系統(tǒng)前期主要以技術(shù)引進的形式進入市場。近年來，隨著技術(shù)開發(fā)和革新，國內(nèi)已經(jīng)涌現(xiàn)出一批較為成熟的自主研發(fā)產(chǎn)品，在廣州、福州、天津等城市內(nèi)河治理，以及杭嘉湖圩區(qū)整治等防洪排澇工程中得到應(yīng)用[1-4]。

雖然一體化泵閘設(shè)備已在水利、市政等公共基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但仍無完整、系統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范或團體標(biāo)準(zhǔn)。為此，有必要對一體化泵閘系統(tǒng)進行專門的應(yīng)用研究，提出主要設(shè)計參數(shù)和指標(biāo)，為后續(xù)杭嘉湖圩區(qū)工程設(shè)計、施工提供參考和借鑒。本文以杭嘉湖圩區(qū)整治工程的閘站建設(shè)為切入點，基于當(dāng)前及今后一段時間內(nèi)的閘站建設(shè)模式（以新建和更新改造為主），提出引入一套泵閘一體化系統(tǒng)替代傳統(tǒng)閘站。

2 方案設(shè)計

為便于一體化泵閘系統(tǒng)在已建工程中的應(yīng)用成效分析，選取德清縣東部圩區(qū)作為研究對象。德清縣位于杭嘉湖平原中上游地區(qū)，西部為山區(qū)、東部為平原，現(xiàn)狀多以小格局的自然圩區(qū)為主。東部圩區(qū)河道底高程-1.00～0.00 m，骨干河道底高程-3.00～-1.50 m，常水位0.80～1.30 m，圩內(nèi)10 a一遇排澇高水位2.20～2.40 m。

根據(jù)德清縣東部圩區(qū)格局大小、排澇水位以及常年工程運行經(jīng)驗等，以低水頭、小流量一體化泵閘作為研究對象。因此，選取單孔設(shè)計流量0.6 m3/s、設(shè)計揚程2.00 m 的泵閘作為典型設(shè)計方案，分析各組件參數(shù)、工程造價等主要指標(biāo)，建立一套完整的一體化泵閘系統(tǒng)設(shè)計模型。

2.1 主體設(shè)備水泵設(shè)計

泵閘一體化設(shè)備主要特點為水泵（組）集成化在閘門門葉上，因此水泵（組）具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單和操作方便等有利因素。

低揚程、小流量的適用泵型主要有潛水軸流泵和全貫流潛水泵，2 種泵型在設(shè)計和制造技術(shù)上均已非常成熟。潛水軸流泵泵體尺寸較長，最優(yōu)點效率達80.0%以上；全貫流潛水泵泵體尺寸較短，最優(yōu)點效率達75.0%以上，具體2 種泵型參數(shù)比較見表1。

表1 潛水軸流泵與全貫流潛水泵參數(shù)比較表

從表1 可知，潛水軸流泵泵體較長，但效率較高，適用于流量較大的一體化泵閘工程。目前國內(nèi)已有比較成熟的一體化泵閘專用潛水軸流泵，并已在江蘇省淮安市新泗河一體化泵閘工程（單泵3.00 m3/s，單機功率132 kW）和浙江省舟山市沈家門中弄海塘泵閘工程（單泵0.90 m3/s，單機功率65 kW）等多個工程中得到成功應(yīng)用。

全貫流潛水泵效率相對較低，但是泵體較短，結(jié)構(gòu)簡單，適用于低揚程小流量泵閘工程。目前國內(nèi)該泵型已實際應(yīng)用于多個工程，如擴大杭嘉湖南排工程（德清部分）梅介圩盧介兜閘站工程（單泵流量0.55 m3/s，單機功率45 kW）。

經(jīng)潛水軸流泵和全貫流潛水泵的結(jié)構(gòu)尺寸、效率以及投資比較分析，全貫流潛水泵雖然效率略低，但是泵體長度短、重量小，使得閘門門葉設(shè)計更合理、布置更緊湊，更符合小型泵閘工程投資小、工期短的特點。因此，本次典型方案泵性設(shè)計采用全貫流泵潛水泵500QGB-100，潛水軸流泵留待較大流量泵閘一體化設(shè)備研究討論。

2.2 核心參數(shù)流道寬度設(shè)計

閘門門葉作為水泵組的承力結(jié)構(gòu)，是泵閘一體化設(shè)備的主要載體。由于門葉寬度為非控制參數(shù)，且同一孔口寬度的閘門門葉寬度因布置、零件選型不同而各有差異，因此用流道寬度（孔口寬度）作為研究參數(shù)。

根據(jù)《水工設(shè)計手冊》，單臺水泵組進水寬度為2.5D1（D1 為水泵進水管喇叭口直徑，本文為480 mm）。500QGB-100 的水泵組進水池最小寬度為1 200 mm，再考慮水泵在閘門上的安裝檢修操作空間（泵體外框最大直徑為1 000 mm，兩邊留400 mm），計算最小尺寸為1 800 mm。

最終設(shè)計新建泵閘一體化設(shè)備孔口流道寬度為：1 000 mm+400 mm×2=1 800 mm。

2.3 門葉高度設(shè)計

泵閘設(shè)備中水泵組的淹沒深度、安裝高度和閘門的擋水高度是一組關(guān)聯(lián)參數(shù)。水泵的淹沒深度取決于閘址處的大氣壓、環(huán)境溫度和水泵的汽蝕性能等，根據(jù)杭嘉湖地理位置，本文淹沒深度選取1 000 mm（國內(nèi)較多一線水泵生產(chǎn)企業(yè)的500QGB-100 采用的淹沒深度）。安裝高度則由最小水泵淹沒深度、水泵進水管直徑和運行要求決定，選取水泵葉輪中心離閘底板600 mm；擋水高度則是安裝高度與淹沒深度、擋水超高（取500 mm）之和。

最終選取滿足結(jié)構(gòu)布置的最小門葉設(shè)計高度為2 100 mm（未考慮防洪擋水高度）。

2.4 閘門和啟閉機型式設(shè)計

泵閘設(shè)備中閘門門葉的關(guān)鍵技術(shù)之一為如何減少因水泵震動對閘門止水效果的影響。常規(guī)情況下，閘門門葉面板單向設(shè)置，水壓力方向由高水位側(cè)指向低水位側(cè)；而泵閘一體化設(shè)備水泵組對閘門門葉的推力與水壓力方向相反，因此需要分析水壓力與水泵組推力的大小，才能確定止水型式以及采用最合理的閘門型式和啟閉機型式。

根據(jù)計算可知，500QGB-100 全貫流潛水泵的推力只有2.6 kN，而水壓力達到52.0 kN（按最小門葉設(shè)計高度計算），水泵組推力只有水壓力的5%，因此對閘門止水效果的影響可以忽略不計。所以本典型案例閘門結(jié)構(gòu)根據(jù)常規(guī)圩區(qū)河道進行設(shè)計，閘門門葉采用露頂直升式閘門作為水泵組的受力結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)簡單），啟閉設(shè)備采用固定式卷揚啟閉機[5-6]。

經(jīng)復(fù)核計算，設(shè)計流量1.00 m3/s 及以下的泵閘設(shè)備水泵推力，對閘門結(jié)構(gòu)布置和啟閉機選擇影響可以忽略不計，可采用常規(guī)配置方式。

2.5 典型案例參數(shù)選擇

由于杭嘉湖圩區(qū)內(nèi)河道大多閘門孔口較小、河道常水位較低，對小流量泵閘需求較多，因此著重研究流量為1.00 m3/s 及以下的泵閘。按照上述設(shè)計思路，分別計算出流量0.60，0.80 和1.00 m3/s的全貫流泵閘一體化設(shè)備選擇方案，閘門型式統(tǒng)一采用露頂平面滑動鋼門，啟閉機型式統(tǒng)一采用固定卷揚啟閉機，具體參數(shù)和型式選擇見表2。

表2 一體化泵閘設(shè)備各典型設(shè)計方案參數(shù)匯總表

3 結(jié)語

隨著對一體化泵閘系統(tǒng)的深入研究，其行業(yè)認可度的不斷提高，以及產(chǎn)品技術(shù)的日趨成熟，一體化泵閘系統(tǒng)必將在杭嘉湖圩區(qū)整治工程中發(fā)揮更加重要的作用，主要結(jié)論及展望如下：

（1）相較于傳統(tǒng)閘站，一體化泵閘系統(tǒng)在保留原有防洪排澇功能的基礎(chǔ)上，更兼具投資小、工期短、占地少、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、系統(tǒng)集成化程度高等優(yōu)點。通過對低水頭小流量一體化泵閘系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的分析研究，充分證明其在杭嘉湖圩區(qū)整治工程中的適用性，為后續(xù)類似工程的設(shè)計、施工提供參考和借鑒。

（2）隨著杭嘉湖圩區(qū)河道整治的深入推進，地方政府對于圩區(qū)排澇能力提升兼顧河湖水系連通、內(nèi)外水體交換的需求越來越強烈。一體化泵閘系統(tǒng)不僅可以滿足防洪排澇，還可通過水體交換改善河道水質(zhì)。此外，該系統(tǒng)還適用于老閘改造工程。因此，一體化泵閘系統(tǒng)在杭嘉湖圩區(qū)整治中具有廣泛的應(yīng)用價值，值得推廣。