某橡膠壩壩袋排水異常原因分析及處理

胡珂心，胡衛(wèi)星

(1．磐安縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 磐安 322300；2．武義縣水務(wù)局，浙江 武義 321200)

1 工程概況

某水利樞紐工程由橡膠壩、沖沙閘、船閘及電站等組成，工程控制集雨面積為5 953 km2，是以水面開發(fā)為主要目的，兼顧發(fā)電、防洪、供水、航運(yùn)等任務(wù)的綜合水利工程。工程正常蓄水位34.62 m，相應(yīng)庫容723萬m3，電站裝機(jī)容量4×1 000 kW，50年一遇設(shè)計(jì)洪水位39.22 m。工程共布置了3跨充水式橡膠壩，每跨凈寬100 m，固定堰頂高程30.62 m，堰高2.62 m，堰前河底高程28.0 m。橡膠壩設(shè)計(jì)壩高4 m，內(nèi)外壓比為1.4，單跨壩袋充水體積2 945 m3，3跨壩袋充水總體積8 835 m3。

橡膠壩充水、排水泵房位于橡膠壩左側(cè)，泵房?jī)?nèi)安裝2臺(tái)300HW—12型混流式水泵、操作閥門、進(jìn)出水管道以及橡膠壩壩內(nèi)壓力觀測(cè)設(shè)施等，泵房地面高程為29.62 m。2臺(tái)水泵可通過閥門切換，對(duì)橡膠壩壩袋進(jìn)行充、排水。

2 壩袋排水異常情況

橡膠壩建成運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)壩袋塌壩排水時(shí)，排水不徹底，致使壩袋發(fā)生拍打。壩袋拍打極易導(dǎo)致其磨損，甚至發(fā)生脫層、撕裂，嚴(yán)重的還會(huì)破壞整個(gè)壩體，影響工程的安全及效益的發(fā)揮。

3 分析處理

3.1 原因分析

為尋找壩袋排水不徹底的原因，從根本上解決壩袋排空的問題，對(duì)300HW—12型混流泵進(jìn)行在本工程中的適用性計(jì)算分析。

3.1.1 300HW—12型混流泵性能參數(shù)

300HW—12型混流泵設(shè)計(jì)流量0.22 m3/s，揚(yáng)程12.5 m，轉(zhuǎn)速970 r/min，效率85%，配用電機(jī)功率37 kW，臨界氣蝕余量4.0 m，其工作性能曲線如圖1所示。

圖1 300HW—12型水泵工作性能曲線

3.1.2 壩袋充水、排水時(shí)的揚(yáng)程

(1)壩袋充水時(shí)的揚(yáng)程

假定充水初期的庫區(qū)水位與橡膠壩固定堰頂高程相同，即30.62 m。根據(jù)壩袋設(shè)計(jì)運(yùn)行規(guī)程，壩袋首次充水應(yīng)先充高至2.0 m，待庫水位上升至2.0 m，再將壩袋充高至4.0 m，即34.62 m。依據(jù)上述充水方式，則水泵的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)凈揚(yáng)程為壩袋高度的1/2，即2.0 m；此時(shí)水泵應(yīng)運(yùn)行在高效率區(qū)，同時(shí)所選水泵的揚(yáng)程也應(yīng)滿足壩袋內(nèi)外壓比為1.4時(shí)所需的最大揚(yáng)程。

水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程：H=H凈+∑h損

式中，∑h損為充水管道系統(tǒng)的總水頭損失。

考慮最不利情況，按泵房至最遠(yuǎn)一跨出水端進(jìn)行計(jì)算，在水泵流量為0.22 m3/s時(shí)，充水管道總水頭損失為5.47 m(其中沿程水頭損失為3.97 m，局部水頭損失為1.50 m)，水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程為7.47 m，水泵最大揚(yáng)程為11.07 m。

以上計(jì)算說明，300HW—12型水泵的揚(yáng)程明顯偏高。實(shí)際工作時(shí)，水泵流量在大于0.22 m3/s且揚(yáng)程低于11.07 m、高于7.47 m的工況下運(yùn)行，水泵運(yùn)行效率低。

(2)壩袋排水時(shí)的揚(yáng)程

當(dāng)3跨壩袋過水50 cm時(shí)，壩袋開始塌壩排水，同時(shí)河床水位因洪水而抬高。因此，排水時(shí)水泵揚(yáng)程取決于壩袋內(nèi)水位降低與下游河床水位抬高之間的相互關(guān)系。當(dāng)壩袋水位高于下游水位時(shí)，采用自排的方式，以節(jié)約能耗；當(dāng)壩袋水位低于或與下游水位持平時(shí)，開始機(jī)排。假定壩袋完全排空前，河床水位為34.62 m(警戒水位)，則排水時(shí)，水泵的最大凈揚(yáng)程為34.62-30.62=4 m(實(shí)際上，壩袋內(nèi)的水在庫區(qū)水位升至34.62 m前排空，因此凈揚(yáng)程應(yīng)小于4.0 m)。根據(jù)充水時(shí)管道水頭損失計(jì)算，當(dāng)水泵流量為0.22 m3/s時(shí)，排水管道水頭損失5.47 m，水泵排水時(shí)最大揚(yáng)程為9.47 m。

水泵運(yùn)行設(shè)計(jì)工況點(diǎn)還應(yīng)考慮凈揚(yáng)程實(shí)際達(dá)不到4.0 m。從實(shí)際塌壩情況看，壩袋內(nèi)外水位高差多在2.0～2.5 m；從排水揚(yáng)程看，與充水時(shí)接近。

3.1.3 水泵運(yùn)行時(shí)實(shí)際氣蝕余量

水泵的正常工作是建立在正常的吸水條件下，即水泵的實(shí)際氣蝕余量必須大于臨界氣蝕余量，300HW—12型水泵的臨界氣蝕余量為4 m。在充水時(shí)，由于吸水管路短，水泵軸心低于吸水面0.5 m，所以吸水條件在充水時(shí)可以滿足要求。

在排水時(shí)，原充水管道改作吸水管道使用，吸水管道距離長(zhǎng)，其管道的水頭損失是影響吸水條件的主要因素。為保證300HW—12型水泵的正常工作，要求：

Hsv=ha-hva-∑hs+Hss≥4 m

式中，Hsv為水泵實(shí)際氣蝕余量，Hsv值越大，水泵的吸水性能和抗氣蝕性能越好；ha為吸水表面的大氣壓力，取海拔36 m，ha≈10.25；hva為該水溫下的氣化壓力，20 ℃時(shí)，hva=0.24；∑hs為吸水管路總水頭損失；Hss為水泵安裝高度。

根據(jù)管道特性曲線和水泵特性曲線，求解水泵工況點(diǎn)。

管道特性曲線：H需=H凈+KQ2

水泵特性曲線：H=H0-S0Q2

式中，K為管道特性系數(shù)，對(duì)已知管路系統(tǒng)為一常數(shù)；H0為流量為零時(shí)的水泵揚(yáng)程；S0為泵內(nèi)能量損失系數(shù)。

H0和S0值可在水泵性能曲線上任取兩點(diǎn)(H1，Q1)和(H2，Q2)，分別將其坐標(biāo)值代入上式中，即可求解出：

H0=H1+S0Q12=H2+S0Q22

因在工作點(diǎn)處有H=H需，即有：

H凈+KQ2=H0+S0Q2

由此可得：

管道特性系數(shù)K值由壩袋充水時(shí)的揚(yáng)程計(jì)算：

7.47=2+K×(0.22)2，K=113.02。

泵內(nèi)能量損失系數(shù)S0值可在水泵特性曲線上任取兩點(diǎn)坐標(biāo)(0.165，13.7)和(0.25，11)，則：

H0=H1+S0Q12=13.7+76.54×0.1652=15.783

當(dāng)水泵在塌壩時(shí)，取最大凈揚(yáng)程4.0 m，同時(shí)假定水泵工作仍符合其性能曲線，則：

H=H凈+KQ2=4+113.02×0.2492=11.01

∑hs=KQ2=112.6×0.2492=7.01

上述計(jì)算表明：當(dāng)水泵排水最大靜揚(yáng)程4.0 m時(shí)，水泵的流量為0.249 m3/s，揚(yáng)程11.01 m，吸水管道水頭損失達(dá)7.01 m；相應(yīng)的氣蝕余量為<4 m，水泵將產(chǎn)生氣蝕，導(dǎo)致水泵不能正常工作，無法排空壩袋內(nèi)積水。

3.2 處理

通過以上計(jì)算可知：原所選水泵揚(yáng)程偏高，水泵運(yùn)行時(shí)偏離高效率區(qū)；壩袋排水時(shí)，水泵吸水管長(zhǎng)、流量大，吸水管道水頭損失大，不能滿足水泵的氣蝕余量，導(dǎo)致水泵產(chǎn)生氣蝕，不能正常工作，使壩袋塌壩時(shí)排水不徹底。由于現(xiàn)狀充水、排水管道不可改變，管道特性已確定，只有用其他型號(hào)的水泵來替代，以與現(xiàn)狀的管道相匹配。

經(jīng)計(jì)算，選擇300HW—8型混流式水泵替代原水泵。300HW—8型混流泵設(shè)計(jì)流量0.22 m3/s，揚(yáng)程8 m，轉(zhuǎn)速970 r/min，效率84%，配用電機(jī)功率22 kW，臨界氣蝕余量4.0 m，其工作性能曲線如圖2所示，計(jì)算如下：

圖2 300HW—8型水泵工作性能曲線

(1)管道特性曲線不變

K=113.02

H=H凈+113.2Q2

(2)計(jì)算水泵特性曲線

任取兩點(diǎn)坐標(biāo)：(0.20，8.5)和(0.25，6.5)。

H0=H1+S0Q12=8.5+88.89×0.22=12.41

(3)計(jì)算排水時(shí)氣蝕余量

①當(dāng)庫水位34.62 m，壩袋內(nèi)水位30.62 m時(shí)，H凈=4 m。

H=12.41-88.89Q2=12.41-88.89×0.202=8.85

∑hs=∑SQ2=113.02×0.22=4.5

此時(shí)：

Hsv=10.25-0.24-4.5+0.5=6.0 m>4.0 m(臨界氣蝕余量)

②同上方法計(jì)算，當(dāng)庫水位33.62 m，壩袋內(nèi)水位30.62 m時(shí)，H凈=3.0 m，Hsv=5.24 m>4.0 m；當(dāng)庫水位33.62 m，壩袋內(nèi)水位32.62 m時(shí)，H凈=1 m，Hsv=6.11 m>4.0 m。

300HW—8型混流式水泵在本工程壩袋排水時(shí)，水泵實(shí)際氣蝕余量大于臨界氣蝕余量，且在高效率區(qū)運(yùn)行，適合本工程使用。更換水泵后，壩袋充水、排水情況一直正常。

4 結(jié) 語

為橡膠壩充水、排水的水泵，在水泵選型時(shí)，不僅要計(jì)算充水、排水兩種工況的流量、揚(yáng)程，而且由于排水時(shí)吸水管道長(zhǎng)，要復(fù)核實(shí)際氣蝕余量是否滿足水泵的要求，以避免因水泵發(fā)生氣蝕，使水泵不能正常工作。如果一種水泵不能同時(shí)滿足橡膠壩充水、排水的要求，則充水泵、排水泵應(yīng)分別設(shè)置。