軌道交通隧道區(qū)間排水泵房設(shè)計(jì)

劉宗洲

(中鐵二院地下鐵道設(shè)計(jì)研究院，成都 610031)

0 引言

軌道交通隧道區(qū)間在隧道線(xiàn)路實(shí)際最低點(diǎn)設(shè)廢水泵房，排水泵的總排水能力按照消防時(shí)排水量和結(jié)構(gòu)滲漏水二者之和計(jì)算。泵房一般設(shè)2臺(tái)潛水排污泵，每臺(tái)泵的排水能力大于最大時(shí)排水量的1/2，平時(shí)用1臺(tái)備用1臺(tái)，互相輪換工作，必要時(shí)同時(shí)啟動(dòng);過(guò)水域時(shí)增設(shè)1臺(tái)泵，每臺(tái)泵的排水能力大于最大時(shí)排水量的1/3，平時(shí)用2臺(tái)備用1臺(tái)，互相輪換工作，必要時(shí)同時(shí)啟動(dòng)。集水池設(shè)沖洗管，池底設(shè)坡度為10%的素混凝土墊層坡向泵位。對(duì)于廢水泵房揚(yáng)水管的設(shè)置方式，不同城市有不同的選擇，廣州地鐵大部分都是從泵房頂部出地面，而深圳地鐵很多是接至相鄰車(chē)站后出地面。當(dāng)選擇水泵揚(yáng)水管接至相鄰車(chē)站出地面這種形式時(shí)，是每臺(tái)泵均需設(shè)置揚(yáng)水管還是共用1根揚(yáng)水管，不同設(shè)計(jì)院甚至不同設(shè)計(jì)者選擇的方式不盡相同。本文對(duì)這2種常用的方案進(jìn)行了比較，同時(shí)，對(duì)區(qū)間并聯(lián)水泵遠(yuǎn)距離輸水方案中單泵工況和并聯(lián)工況進(jìn)行了核算，以確定水泵揚(yáng)水管是共用還是單獨(dú)設(shè)置。

1 水泵揚(yáng)水管從泵房頂部出地面

在泵房頂部從地面以鉆孔樁的形式鉆入隧道，然后設(shè)1根DN 250鋼管，在地面設(shè)置檢修井，泵房揚(yáng)水管從DN250鋼管內(nèi)接入室外檢修井，如圖1所示。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單，工程造價(jià)低。泵房的埋深一般為25 m以上，DN250鋼套管至少有2個(gè)焊接接頭，如果鋼套管對(duì)焊時(shí)管道中心線(xiàn)不是一條直線(xiàn)，或者管道受外力發(fā)生彎曲，則水泵揚(yáng)水管安裝非常困難甚至無(wú)法在套管中安裝。套管內(nèi)的管道平時(shí)無(wú)法檢修和定期維護(hù)，出現(xiàn)銹蝕后只能等其損壞后更換整條管道;出地面后壓力排水井需單獨(dú)接入市政排水管網(wǎng)，增加了與市政排水協(xié)調(diào)的難度;同時(shí)，部分泵房頂部的地面可能不具備設(shè)置檢修井的條件，需要通過(guò)調(diào)整泵房位置或出地面的位置。

2 揚(yáng)水管從相鄰車(chē)站出地面

如果水泵揚(yáng)水管沿隧道區(qū)間接至相鄰車(chē)站出地面，這種方式水泵揚(yáng)水管長(zhǎng)，初期投資大，水力損失大，但管道檢修維護(hù)較方便，與市政接口統(tǒng)一納入車(chē)站考慮，接口簡(jiǎn)單，如圖2所示。

3 水泵單雙泵工況校核

當(dāng)采用水泵揚(yáng)水管從相鄰車(chē)站出地面的方案時(shí)，水泵的揚(yáng)水管距離較長(zhǎng)，一般在500 m以上，需校核單泵工況和雙泵工況是否匹配。水泵的流量一般為20～30m3/h，靜揚(yáng)程一般在30m左右，選取WQ20－40－7.5曲線(xiàn)作為研究對(duì)象來(lái)進(jìn)行核算。水泵性能曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 WQ20－40－7.5水泵性能曲線(xiàn)圖Fig.3 Performance curves of pump

從圖3可以看出，性能曲線(xiàn)H－Q近似于拋物線(xiàn)，采用二次回歸曲線(xiàn)來(lái)擬合水泵的性能曲線(xiàn)，建立水泵性能回歸曲線(xiàn)方程 H=H0+A1Q+A2Q2［1］。

從圖3中讀取WQ20－40－7.5有關(guān)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 水泵H－Q曲線(xiàn)查詢(xún)數(shù)據(jù)表Table 1 Data extracted from H－Q curves of pump

利用最小二乘法原理建立方程組

將表1中第2列和第3列的數(shù)據(jù)帶入式(1)，解出:H0=52.21，A1= －2 019.56，A2= －0.86。即

式中:H為水泵揚(yáng)程，m;Q為單泵流量，m3/s。

現(xiàn)對(duì)式(1)進(jìn)行計(jì)算和校核，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1中第4列，校核結(jié)果見(jiàn)表1中第5列。從表1可以看出，最大誤差僅為2.4%。

泵房?jī)?nèi)的管網(wǎng)布置如圖4所示。泵房?jī)?nèi)各管件及閥件阻力系數(shù)及折算長(zhǎng)度見(jiàn)表2［2］。

表2 管件及閥件阻力系數(shù)及折算長(zhǎng)度表Table 2 Resistance coefficient and effective length of pipes and valves

圖4 泵房管網(wǎng)布置圖(單位:mm)Fig.4 Layout of pipe network in pump station(mm)

水泵揚(yáng)水管采用內(nèi)襯塑鋼管，其水頭損失計(jì)算公式采用海澄－威廉公式

式中:i為管道單位長(zhǎng)度水頭損失，m;dj為管道計(jì)算內(nèi)徑，m，DN125鋼塑管取 0.122，DN80鋼塑管取0.073 2(鋼塑管內(nèi)襯的塑料厚度取 1.5 ～2.5 mm);Q為單臺(tái)水泵出水流量，m3/s;Ch為海澄－威廉系數(shù)，鋼塑管取140。

則單臺(tái)水泵運(yùn)行時(shí)揚(yáng)水管的管道特性方程為

式中:Hst為水池最低水位到車(chē)站水泵揚(yáng)水管出口地面高程差，取30 m;L為管道長(zhǎng)度，含直線(xiàn)長(zhǎng)度和管件及閥門(mén)折算長(zhǎng)度。

將數(shù)值帶入式(3)，得

雙臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，2臺(tái)水泵的流量幾乎相等，總管中的流量為2Q，則揚(yáng)水管的管道特性方程為

從式(2)和(4)得到

從式(2)和(5)得到

區(qū)間消防時(shí)排水量為10 L/s［3］，因此，雙泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)總流量不應(yīng)小于36 m3/h，即并聯(lián)運(yùn)行時(shí)每臺(tái)泵流量不應(yīng)小于18 m3/h。為保證管道的沖淤流速，單泵運(yùn)行時(shí)，管道的最小流速不小于 0.6 m/s［4］，即單臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)最小流量應(yīng)達(dá)到25 m3/h。由于WQ20－40－7.5性能曲線(xiàn)范圍內(nèi)的流量為10～30 m3/h，因此，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，泵的出水流量為18～30 m3/h;單泵運(yùn)行時(shí)，泵的出水流量應(yīng)為25～30 m3/h。在此范圍內(nèi)用式(6)和(7)對(duì)單泵運(yùn)行排水長(zhǎng)度L1、并聯(lián)運(yùn)行排水長(zhǎng)度L2及水泵揚(yáng)水管主管流速v進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可知:單泵運(yùn)行最小排水長(zhǎng)度為流量達(dá)到30 m3/h時(shí)的L1=820m，小于這個(gè)長(zhǎng)度則單泵運(yùn)行流量大于30m3/h，超出了泵的運(yùn)行曲線(xiàn)范圍，需要重新選型或者調(diào)整泵出口閥門(mén)的開(kāi)度，會(huì)造成管網(wǎng)局部阻力增加;并聯(lián)運(yùn)行時(shí)最大排水長(zhǎng)度為每臺(tái)泵達(dá)到18 m3/h時(shí)的L2=1 482 m，超過(guò)此長(zhǎng)度，水泵并聯(lián)后流量小于18 m3/h，無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)功能，需要重新選型或者每臺(tái)泵單獨(dú)設(shè)1根排水管，如圖5所示。當(dāng)揚(yáng)水管的長(zhǎng)度超過(guò)2 172m，即使每臺(tái)水泵單獨(dú)設(shè)1根揚(yáng)水管，泵出水流量仍小于25 m3/h，無(wú)法滿(mǎn)足沖淤流速，需要重新選型。

表3 WQ20－40－7.5水泵排水參數(shù)表Table 3 Water pumping parameters of WQ20－40－7.5 pump

圖5 并聯(lián)水泵各設(shè)1根揚(yáng)水管(單位:mm)Fig.5 One lifting pipe for each pump under parallel operation mode(mm)

4 結(jié)論與討論

采用最小二乘法對(duì)WQ20－40－7.5型水泵性能曲線(xiàn)進(jìn)行了擬合，同時(shí)運(yùn)用海澄－威廉公式計(jì)算出水泵單泵和雙泵工況下管道的特性方程，求出了WQ20－40－7.5型水泵在隧道區(qū)間的排水參數(shù)，從中可以得到以下規(guī)律:

1)表3中的L2的最大值具有代表意義，小于此值，理論上水泵單雙泵都可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求(通過(guò)調(diào)整水泵出口閥門(mén)開(kāi)度)。

2)并聯(lián)長(zhǎng)距離輸水水泵，根據(jù)水泵廠(chǎng)家樣本進(jìn)行單雙泵運(yùn)行工況校核非常必要，否則可能會(huì)出現(xiàn)水泵單泵或雙泵運(yùn)行的實(shí)際工作點(diǎn)偏移水泵工作的高效區(qū)的情況，導(dǎo)致輸水能力不足或者因流量過(guò)大增加水泵葉輪、軸承的磨損。

3)可以根據(jù)廠(chǎng)家樣本建立可能被選型的水泵參數(shù)表，在設(shè)計(jì)時(shí)指導(dǎo)選型。

4)表3中的L1和L2均為折算長(zhǎng)度，根據(jù)局部損失的大概比例可推算出實(shí)際長(zhǎng)度。

由于不同隧道區(qū)間長(zhǎng)度、埋深、最低點(diǎn)與相鄰地面高差等參數(shù)存在差異，不同水泵生產(chǎn)廠(chǎng)家的水泵性能曲線(xiàn)也有差異;因此，需結(jié)合具體情況進(jìn)行計(jì)算后選型，然后再參照水泵樣本核算。此外，過(guò)水域時(shí)廢水泵房增設(shè)1臺(tái)泵，平時(shí)用2臺(tái)備用1臺(tái)，必要時(shí)同時(shí)啟動(dòng)，需結(jié)合廠(chǎng)家樣本進(jìn)行單臺(tái)運(yùn)行、雙臺(tái)運(yùn)行、3臺(tái)運(yùn)行這3種工況做進(jìn)一步的研究。

［1］ 吳飛，崔彥楓，李祥立，等.水泵性能曲線(xiàn)方程研究［J］.暖通空調(diào)，2006，36(10):63 － 66.(WU Fei，CUI Yanfeng，LI Xiangli，et al.Research on pump characteristic equations［J］.Heating Ventilating ＆ Air Conditioning，2006，36(10):63 －66.(in Chinese))

［2］ 上海市建設(shè)和交通委員會(huì).GB 50015—2003建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.(Shanghai Urban Construction and Communication Commission.GB 50015—2003 Code for design of building water supply and drainage［S］.Beijing:China Planning Press，2003.(in Chinese))

［3］ 北京城建設(shè)計(jì)研究總院.GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003:148－149.(Beijing Urban Engineering Design ＆ Research Institute.GB 50157—2003 Code for design of metro［S］.Beijing:China Planning Press，2003:148 －149.(in Chinese))

［4］ 上海市建設(shè)和交通委員會(huì).GB 50014—2006室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.(Shanghai Urban Construction and Communication Commission.GB 50014—2006 Code for design of outdoor wastewater engineering［S］.Beijing:China Planning Press，2003.(in Chinese ))