膠東調水打漁張泵站淤積問題及工程改造實踐

賈振波，王肖肖，陳慶忠

（1.山東省調水工程運行維護中心濱州分中心，山東濱州 256600；2.山東省調水工程運行維護中心博興管理站，山東博興 256500；3.水發(fā)卓恒工程管理有限公司，山東濟南 250100）

山東省膠東調水工程自1989 年10 月建成通水，至今運行30 余年，發(fā)揮了巨大的經濟效益、社會效益和環(huán)境效益，也為我國長距離跨流域調水工程的建設和管理提供了寶貴經驗。由于近年來黃河河床下切，造成小浪底以下河道引黃困難，因此普遍在引黃口規(guī)劃建設了提水泵站。

打漁張泵站位于山東省膠東調水工程渠首，主要包括：泵站進口閘、攔污柵、泵站主副廠房及泵站出口閘等。打漁張泵站設計流量36.0 m3/s，校核流量39.6 m3/s，站前設計水位10.55 m，站后設計水位13.57 m，沉沙池蓋淤設計水位16.97 m，泵站揚程為3.02~6.42 m，共安裝5 臺1700ZLQ-6型軸流泵，其中4 用1 備，水泵按全調節(jié)設計，電動機功率900 kW，泵站總裝機容量4 500 kW。5 臺機組作一字型排列，安裝間布置在主廠房左（東）端，機組間距為5.75 m。主泵出水管中心高程11.56 m，直徑2.6 m。水泵安裝高程（葉輪中心線）為7.55 m，水泵進水采用吸水室型式。

1 泵站運行存在的問題

打漁張泵站建設完成后自2020 年4 月10 日開始運行，至2020 年7 月22 日累計運行103 d，累計運行4 916 臺時，累計引水量1.63 億m3。

打漁張泵站第一個運行季結束后，對泵站工程進行全面檢查，發(fā)現泵站前池及進水流道淤積嚴重。其中進水池淤積高程為10.9 m，前池進口閘底板高程8.05 m，流道底板設計高程5.23 m，淤積最大處高度達2.50 m，平均淤積高度為2.00 m。1#、5#進水流道淤積高程為6.03 m，流道底板設計高程5.23 m，淤積高度0.80 m；2#進水流道淤積量較少，淤積高程為6.13 m，淤積高度0.90 m；3#進水流道現淤積高程為6.70 m，淤積高度1.47 m；4#進水流道淤積高程為8.71 m，淤積高度3.48 m，進水流道全部淤滿。

經過第一個運行季，泵站前池及進水流道的泥沙淤積比較嚴重。淤積最嚴重的4#機組進水流道，甚至將整個水泵喇叭口全部淹沒，給機組運行帶來困難，給泵站安全運行帶來隱患。

2 泥沙淤積原因分析

2.1 黃河含沙量大

打漁張泵站自黃河取水，黃河是世界上含沙量最大的河流，年均含沙量達35 kg/m3。膠東調水工程選取黃河水含沙量相對較低的季節(jié)引水，以減少引沙量。但在泵站進水閘后對黃河水取樣，含沙量仍在2~10 kg/m3之間。黃河水含沙量高是造成泵站前池及進水流道泥沙淤積的最根本原因。

2.2 小流量引水運行

打漁張泵站5 臺機組，4 用1 備。打漁張泵站自建成運行以來，長期小流量運行，通常是3 臺或2 臺機組運行，甚至是1 臺機組運行。由于引水流量較設計工況小，達不到設計運行工況，水流在進水池擴散，導致水流流速降低。當水流流速低于泥沙不淤積流速時，造成泥沙在前池淤積。通過泥沙沉降試驗，發(fā)現泥沙的起動現象是具有隨機性的動態(tài)過程，起動初期底板產生小附底渦卷起泥沙，隨著流速增加，水流開始間歇性沖刷并帶走泥沙；當流速較大時，底部產生回流，將泥沙朝反方向沖起，此時水流開始變渾濁，泥沙幾乎全被裹挾沖走。不同工況和開機組合的泥沙起動試驗表明，打漁張泵站泥沙起動的水流平均流速約為15 cm/s。泵站前池的水流流速高于15 cm/s 時，基本上不會產生泥沙淤積。

2.3 前池設計存在缺陷

通過對2020 年的運行觀察，發(fā)現最關鍵的問題是打漁張泵站前池沒有分隔進水流道。作為引黃泵站，泵站前池不分隔流道，缺陷較大。當泵站機組不能全部運行或小流量運行時，不能關閉不運行的機組進水流道，導致不運行的進水流道淤積加劇。此時泥沙淤積最高可達4 m，水泵喇叭口整個或部分被泥沙淹沒，機組啟動困難或無法啟動，此情況對泵站安全運行非常不利。

2.4 不具備建設沉沙池的條件

引黃灌溉或城市供水，在泵站前設置沉沙池是沉積水中泥沙的常規(guī)做法，是解決泥沙淤積問題的最經濟有效的方式。但打漁張泵站距離上游引黃閘只有不到1 000 m，達不到沉沙的條件，不具備設置沉沙池的可能性。

3 防泥沙工程改造方案

打漁張泵站前池泥沙淤積問題，影響泵站的高效、安全運行，制約了工程效益的發(fā)揮，成為泵站安全運行的一大隱患，人為調控措施是治理泵站前池泥沙淤積最直接的手段。

在不具備建設沉沙池條件的情況下，對打漁張泵站前池進行改造，通過增大前池水流流速的方式，是改善泵站前池泥沙淤積的有效途徑。打漁張泵站有5 臺機組，將泵站前池分隔為5 個流道，是最為徹底的解決方式，對機組運行來說最為安全可靠。但在打漁張泵站原工程設計建設中，泵站進口閘由3 孔閘門組成，進口閘后設3臺攔污柵。如果將泵站前池分為5 個流道，需要對泵站進口閘、閘門啟閉機及攔污柵全部拆除重建，工程投資大，施工周期長，施工工期超出調水運行的停水允許期限。

因受原工程設計建設及改造施工工期的限制，將泵站前池分隔為3 個流道，是目前最為實際可行的方案。在泵站前池新增2 道隔墩，將泵站前池分為3 條進水流道，邊側機組2 臺泵共用一條進水流道，中間機組1 臺泵單獨用一條進水流道。進水道型式采用U 型槽，U 型槽頂部設聯系梁，隔墩首端與泵站進口閘中墩銜接，末端與泵站工作橋中墩銜接，見圖1。

圖1 三條進水流道改造工程布置

4 工程改造前后過流能力復核

現狀打漁張泵站進水池設計水位10.35 m，校核水位10.60 m。根據《水閘設計規(guī)范》（SL265-2016）附錄A，對平底閘而言，當堰流處于高淹沒度（hs/H0≥0.9）時，過閘流量按相應公式進行復核計算。

在接近設計及校核流量的工況下，泵站進口閘設計指標（改造前）當設計流量36.0 m3/s，校核流量39.6 m3/s，當設計流量為10.55 m3/s，校核流量10.80 m3/s，閘底板頂高程8.05 m，閘室孔數3孔，每孔凈寬6 m。泵站進口閘現狀過流能力復核見表1。對前池改造前泵站進口閘現狀過流能力復核，設計及校核工況上下游水頭差均為0.035 m。

表1 泵站進口閘現狀過流能力復核（改造前）

泵站進口閘在前池分隔為3 條進水道進行工程改造后，對進口閘邊孔過流能力進行計算，其結果：1）邊孔兩臺機組運行時，設計流量為18.00 m3/s，校核流量為19.80 m3/s，上下游水頭差均為0.082 m，大于改造前的水頭損失。2）邊孔單臺機組運行時，設計流量為9.00 m3/s，校核流量為9.90 m3/s，上下游水頭差均為0.019 m，小于改造前的水頭損失，詳見表2。

表2 泵站進口閘邊孔過流能力計算成果（改造后2 臺機組運行）

泵站進口閘在前池分隔為3 條進水道工程改造后，中孔計算結果：中孔過流要求為單臺泵的流量，設計流量為9.00 m3/s，校核流量為9.90 m3/s，通過過流能力計算，上下游水頭差均為0.019 m，小于改造前的水頭損失，詳見表2。

進口閘邊孔過流要求為2 臺泵運行時，現狀水頭損失不滿足過流要求，比改造前增加0.047 m損失才能滿足過流要求。經水機專業(yè)復核，進水池水位降低0.047 m，不會對泵站運行產生不利影響。進口閘邊孔過流要求為1 臺泵運行及中孔運行時，水頭損失均為0.019 m，均低于改造前過閘水頭損失，不會對泵站運行產生影響。

5 工程改造后淤積測量及效果分析

打漁張泵站前池分隔流道改造完成后，2021年11 月30 日至2022 年6 月30 日第一次運行。在運行期間及運行結束后，檢查測量泵站的泥沙淤積情況，詳見表3。

表3 不同運行工況下的泵站各流道淤積測量結果

從統(tǒng)計資料可看出，泵站前池分隔流道后，當雙機組運行時，東流道、西流道基本沒有泥沙淤積。東流道、西流道單機組運行時，會有少量泥沙淤積，這是因為雙機組流道在單泵運行時，通過泵站引水閘控制進水水位基本不變的情況下，出水量減少50%，相應水流流速也降低了50%，流速降低引起泥沙淤積。同時，進水流道邊角區(qū)域存在水流死區(qū)，也造成泥沙迅速沉積。中流道屬單機組運行，只有少量淤積。通過測算，泵站前池分隔流道后，前池各流道淤積量減少60%~70%，防泥沙淤積的效果非常明顯。

引黃泵站的泥沙淤積問題是不可避免的，可以通過人為調控措施盡量減少泥沙淤積。除了將泵站前池進行流道分隔外，還可以通過引黃進水閘、泵站進口閘控制進水流道水位，使機組工作在最佳性能區(qū)，提高機組的工作性能；泵站長期在小流量運行工況下，還可以通過機組工況比較，調整機組的葉片角度，降低機組的振動、擺度等參數，選出最佳的機組工況組合，減輕泵站的泥沙淤積。泵站后期運行，結合其它的工程管理措施、技術措施，防泥沙淤積效果更好。

6 結 語

打漁張泵站是膠東調水工程的源頭，作為引黃泵站，其運行與工程沿線其它清水泵站具有本質區(qū)別。實際運行中，由于泥沙淤積對機組的影響，要根據實際情況及時對工程進行改造，及時對機組運行工況組合進行調整，采取綜合措施盡量減少泥沙在流道內的淤積，減輕泥沙對泵站機組運行的影響，保證機組高效、安全運行，使泵站發(fā)揮出最大的工程效益。