港區(qū)雨水泵站設(shè)計要點分析與探討

魏紅彤，唐 瑋

(中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007)

港區(qū)雨水泵站設(shè)計要點分析與探討

魏紅彤，唐 瑋

(中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007)

對于不能采用重力自流排放雨水的港區(qū)來說，雨水泵站的建設(shè)屬于“生命線”工程，對保證港區(qū)生活生產(chǎn)有序進行和防止堆存貨物受淹起到至關(guān)重要的作用。通過某港區(qū)雨水泵站建設(shè)為例，對泵站的選址、設(shè)計能力、水泵選型、運行控制等設(shè)計要點進行分析與探討。

港區(qū)；雨水泵站；設(shè)計

近年來，隨著全球氣候變暖，極端天氣的頻繁出現(xiàn)，暴雨、特大暴雨不斷刷新有降雨資料統(tǒng)計以來的歷時記錄，由此造成很大的經(jīng)濟損失。從宏觀上人類應(yīng)與自然和諧發(fā)展，避免氣候惡化；從微觀上排水系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計應(yīng)合理、排水設(shè)施應(yīng)及時疏通和維護。

目前，港區(qū)雨水收集后排至受納水體分為：(1)依靠地形高差和管網(wǎng)前后水力差重力自流排至受納水體，但受到場地地形及與受納水體地勢高差等因素影響，且重力自流排水又分為自由出流和淹沒出流[1]。(2)采用雨水泵站提升方式排至受納水體，雨水泵站可保證雨水及時、快速和安全排放，但需增加雨水泵站工程投資及泵站的日常維護和管理。

本工程在防汛大堤內(nèi)側(cè)建設(shè)一座雨水泵站，內(nèi)設(shè)5臺潛水軸流泵，雨水經(jīng)提升后通過2根Φ2 000管道排入受納水體(長江)。下面就結(jié)合本工程雨水泵站建設(shè)實例，對泵站的選址、設(shè)計能力、水泵選型、運行控制等設(shè)計要點進行分析與探討。

圖1 港區(qū)平面布置圖Fig.1 Plane layout of harbor area

1 工程概況

本工程位于上海市，長江口南港南岸的五號溝地區(qū)，北面與長興島隔江相望，西北與外五期港區(qū)相鄰。工程共建設(shè)5個大船泊位，包括1個10萬t級和2個7萬t級集裝箱泊位、2個5萬GT汽車滾裝泊位，內(nèi)側(cè)2個長江駁泊位，設(shè)計年通過能力210萬TEU和73萬輛汽車，碼頭岸線長1 538 m，陸域總面積為196 hm2。港區(qū)平面布置見圖1。

2 雨水泵站建設(shè)背景

本工程地處長江大堤外的灘地上，港區(qū)陸域為吹填形成，港區(qū)陸域高程的確定原則，首先考慮運輸車輛對路面的坡度要求，并盡量減少港區(qū)陸域形成的回填量及與港外道路的銜接等因素；且港區(qū)陸域高程的確定又要受到新建防汛大堤的防汛閘門底高程和港區(qū)進出港道路與市政道路銜接高程限制，防汛閘門底高程為7.0 m，港區(qū)進出港道路與市政道路銜接高程為5.0 m；同時也要保證本工程陸域高程與相鄰工程平順銜接。因此本工程陸域高程確定為5.0～5.6 m，從碼頭前沿坡向陸域[2]。

而受納水體長江設(shè)計高水位為4.22 m，50 a一遇的極端高水位為5.81 m，陸域地面高程為5.0～5.6 m，且陸域縱深為1 200 m，此時雨水依靠重力自流排至受納水體已不現(xiàn)實，因此港區(qū)雨水排放需采用雨水泵站提升方式排至受納水體，以保證港區(qū)排水安全。

3 雨水泵站設(shè)計要點分析

3.1泵站選址

根據(jù)長江防汛要求，本港區(qū)外側(cè)將新建防汛大堤，防汛大堤頂高程為9.5 m，可滿足200 a一遇高潮位和12級臺風(fēng)組合工況的防汛要求。本工程雨水收集采用雨水管道、雨水口和雨水明溝的組合收集方式，由于雨水泵工作性能多為大流量、低揚程，泵站選址應(yīng)靠近受納水體，便于雨水經(jīng)提升后及時快速排放，避免因泵站排出管過長而增加水頭損失，同時泵站位于雨水管網(wǎng)末端中部可減少雨水收集管道長度和埋深，最大限度地實現(xiàn)雨水及時、快速收集和提升排放[3]。

因此，本工程雨水泵站建在防汛大堤內(nèi)側(cè)，并根據(jù)水利部門要求，雨水泵站距離防汛大堤坡腳線應(yīng)不小于20 m；另外雨水泵供電負(fù)荷相對較大、且年運轉(zhuǎn)頻次不高，為保證泵站供電安全及減少電損，泵站選址也應(yīng)結(jié)合供電負(fù)荷情況統(tǒng)一考慮。

雨水泵站排出管采用穿越防汛大堤埋管敷設(shè)方式，堤外排水口采用寬10～15 m，長13 m的擴散式消力池，池內(nèi)拋大石塊，池后30 m范圍內(nèi)用土工模袋混凝土護灘，兩側(cè)10 m范圍內(nèi)采用海墁拋石保護。

3.2泵站設(shè)計流量

港區(qū)陸域總面積為196 hm2，其中東側(cè)16 hm2的場地雨水排至五號溝內(nèi)，西側(cè)35 hm2的場地雨水排至相鄰工程雨水泵站內(nèi)，本工程雨水泵站僅負(fù)責(zé)145 hm2的場地雨水排放。

(1)上海地區(qū)暴雨強度計算公式[4]。

式中：Q為雨水設(shè)計流量，Ls；q為設(shè)計暴雨強度，Ls·hm2;φ為徑流系數(shù)；F為匯水面積，hm2；TE為暴雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min 。

雨水徑流量在匯水面積和徑流系數(shù)一定情況下，僅與暴雨重現(xiàn)期有關(guān)，本工程雨水重現(xiàn)期根據(jù)工程建設(shè)時所采用的《室外排水設(shè)計規(guī)范》(GB50014-2006)要求選取2 a，經(jīng)計算本工程雨水徑流量為11.0 m3s。

目前，港區(qū)雨水徑流量都是按“非超標(biāo)”降雨進行計算，當(dāng)出現(xiàn)“超標(biāo)”降雨時，易形成內(nèi)澇，而提高雨水泵站設(shè)計能力不是簡單的按規(guī)范選取重現(xiàn)期，應(yīng)結(jié)合工程所在地多年降雨實測資料推求降雨重現(xiàn)期。

隨著近些年極端天氣的頻繁出現(xiàn)，根據(jù)實測降雨資料推求的降雨重現(xiàn)期往往比規(guī)范推薦選取的重現(xiàn)期大，基于此點《室外排水設(shè)計規(guī)范》(修訂版)已規(guī)定可根據(jù)工程所在地實際降雨資料推求重現(xiàn)期。

(2)泵站設(shè)計能力。

雨水泵站設(shè)計能力應(yīng)與雨水管道過流能力相匹配，目前雨水管道過流能力是按滿管無壓流理論進行計算的，當(dāng)發(fā)生“超標(biāo)”降雨時，匯入的雨水管道流量要大于滿管無壓流時的管道過流能力，此時管道內(nèi)的流態(tài)邊界條件變?yōu)橛袎毫鳎S著管道內(nèi)壓升高，流速加大，管道過流能力大大提高，從而導(dǎo)致泵站設(shè)計能力小于管道過流能力。

同時結(jié)合《上海市標(biāo)準(zhǔn)雨水泵站設(shè)計規(guī)程》要求[5]，本工程雨水泵站設(shè)計流量取雨水徑流量的1.2倍，經(jīng)計算雨水泵站設(shè)計能力為13.2 m3s。

3.3泵站設(shè)計揚程

泵站設(shè)計揚程由泵站進水管道底標(biāo)高與受納水體潮位差和管路系統(tǒng)水頭損失等綜合確定，其中水頭損失包括吸水喇叭口水頭損失、收縮管路水頭損失、出水管道水頭損失等，水頭損失計算公式如下。

式中：h為水頭損失，m；ξ為局部阻力系數(shù)；v為平均流速，ms。

表1 受納水體(長江)潮位參數(shù)表Tab.1 Tidal levels of the receiving water(Yangtze River)

表2 泵站特征高程參數(shù)表Tab.2 Characteristic elevations of pumping station

泵站設(shè)計揚程計算如下。

①當(dāng)受納水體潮位(表1)達(dá)到100 a一遇高潮位6.05 m時，此時雨水泵站仍能正常工作。

②根據(jù)《上海市標(biāo)準(zhǔn)雨水泵站設(shè)計規(guī)程》要求[5]，泵站設(shè)計揚程應(yīng)為集水池的最低水位與出口河道之高水位的差值，出口河道一般應(yīng)取與管網(wǎng)設(shè)計相應(yīng)頻率的高水位[4](表2)。由于港區(qū)雨水管網(wǎng)暴雨重現(xiàn)期為2 a，所以泵站按2 a一遇的高潮位4.87 m作為受納水體的設(shè)計水位，此時雨水泵站集水池對應(yīng)的設(shè)計水位為0.60 m。

③管路水頭損失取1.0 m，富余水頭取0.5 m。

經(jīng)計算，泵站設(shè)計揚程為5.77 m，最高揚程為6.95 m。

3.4水泵選型

(1)水泵型式選擇。

雨水泵特點是大流量、低揚程，根據(jù)水泵特性，通常按比轉(zhuǎn)速ns對水泵進行分類，比轉(zhuǎn)速ns≤300采用離心泵，比轉(zhuǎn)速300

比轉(zhuǎn)速ns計算公式如下

式中：n為水泵轉(zhuǎn)速,rmin；Q為水泵流量,m3s；H為水泵揚程,m。

經(jīng)計算本工程雨水泵的比轉(zhuǎn)速ns>500，屬于高比轉(zhuǎn)速水泵，則選用軸流泵，軸流泵工作原理是依靠旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片對液體產(chǎn)生的作用力使液體沿泵軸方向輸送的水泵，根據(jù)軸系布置又分為立軸、臥軸(即貫流泵)、斜軸(又稱斜式軸流泵或斜式貫流泵)3種形式[4]。

圖2 水泵性能曲線Fig.2 Characteristic curve of pump

考慮到本工程雨水泵站設(shè)計流量大，揚程低，為降低噪音對工作環(huán)境的影響，故選用潛水軸流泵，采用潛水軸流泵有利于減少泵站輔助設(shè)備數(shù)量，也有利于泵站運行，同時潛水泵具有三重組合密封防泄漏、超溫、過電流等多種自動保護裝置，已成為一種技術(shù)成熟的泵型。

(2)水泵臺數(shù)選擇。

根據(jù)泵站設(shè)計流量和適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)降雨情況的出現(xiàn)，可按降雨量選擇性啟動水泵臺數(shù)，最大限度保證泵站運行調(diào)度的靈活性和備件的互換性，避免配置大流量水泵運行代價過高。

工程采用5臺雨水潛水軸流泵，型號為900ZDB-70×(-2°)，單臺水泵流量為2.635 m3s，揚程為6.95 m，電機功率250 kW。900ZDB-70×(-2°)潛水軸流泵性能曲線見圖2，性能參數(shù)見表3。

表3 水泵性能參數(shù)表Tab.3 Characteristic parameters of pump

3.5泵站布置形式

根據(jù)水泵工作特點及進出水管標(biāo)高要求，泵站采用地下式矩形結(jié)構(gòu)，泵站主要由進水管、進水池、格柵井、集水池、潛水軸流泵、出水池和出水管等組成。

泵站布局為：進水管→進水井→進水池及閘門井→格柵井→集水池→潛水軸流泵→出水池→出水管→受納水體。

泵站平面布置見圖3，泵站工藝流程見圖4。

圖3 泵站平面布置圖 圖4 泵站工藝流程圖 Fig.3 Plane layout of pumping station Fig.4 Process flowchart of pumping station

泵站主體分進水池、集水池和出水池三部分組成，泵房雨水由2根φ2 000進水總管進入進水池內(nèi)，進水管管底標(biāo)高為-1.40 m，池內(nèi)設(shè)φ1 800閘門三座，采用螺桿啟閉機，具有電動和手動功能。泵站主體平面尺寸為28.4 m×18.0 m(長×寬)，采用沉井結(jié)構(gòu)刃腳底面標(biāo)高-5.5 m，頂標(biāo)高為6.05 m。雨水通過進水池后進入泵房集水池，集水池容積滿足水泵30 s排水流量，然后通過鋼格柵，流速小于1.2 ms，格柵安裝角為70°，人工清污，雨水經(jīng)過格柵后進入流道，五臺泵均為敞開式喇叭口進水，雨水經(jīng)水泵提升后通過浮箱式止回閥進入出水池，出水池頂標(biāo)高為8.6 m，滿足防洪要求，池內(nèi)設(shè)閘門3座，其中2座連接出水管，規(guī)格為φ2 000，雙向受壓，一座為水泵試車用規(guī)格為φ1 600，單向受壓。

為保證進水水流平穩(wěn)，進水總管在進水池前設(shè)雨水放大井，以漸擴管形式進入進水池，水流在進水池內(nèi)得到消能，并使進水正向進入集水池中。

出水池和進水池之間設(shè)置回流管道，設(shè)置回流管道的作用：(1)用于水泵試車，此時關(guān)閉出水管閘門，水泵出水經(jīng)回流管回流至進水池，供水泵試車用水；(2)泵站檢修清淤時作為超越管，此時關(guān)閉進水池閘門，水泵浮箱拍門自動關(guān)閉，當(dāng)港區(qū)水位高于出水管水位時，可直接通過回流管道直接外排。

最后，雨水經(jīng)提升后通過2根Φ2 000穿堤鋼管排入受納水體(長江)，并在出口處設(shè)置消力池，以保證出口流速控制在0.5 ms內(nèi)，以避免對船舶航行產(chǎn)生影響[2]。

3.6泵站運行控制

泵站控制系統(tǒng)采用PLC控制方式，具有自動控制和手動控制功能。在自動控制模式下，泵站控制根據(jù)液位和水泵運行參數(shù)自動啟動水泵及臺數(shù)，在故障和事故時報警。在手動控制模式下，水泵開啟、關(guān)閉可通過泵站控制柜的操作面板手動控制完成。

為適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)降雨，水泵開啟原則：(1)當(dāng)水位達(dá)到-0.2 m時，開啟1臺水泵；(2)水位上升至0.00 m時，開啟2臺水泵；(3)水位上升至0.2 m時，開啟3臺泵；(4)水位上升至0.4 m時，開啟4臺水泵；(5)水位上升至0.6 m時，開啟5臺水泵。

水泵的運行主要以水位的高低選擇開啟水泵及臺數(shù)，水泵開車為閉閘啟動，要逐臺開啟，逐臺關(guān)閉，當(dāng)發(fā)生超高或超底水位時，PLC則需發(fā)出報警信號，并調(diào)整進水閘門的開啟和關(guān)閉水泵。

目前，本工程雨水泵站水泵實際運行是采用人工啟停，不能完全依靠水位自動啟停，初步分析有兩方面原因：(1)泵站進水水流不穩(wěn)，雖然泵站進水池前設(shè)置雨水放大井，但遇到強降雨時不能完全起到消能作用；(2)水泵抽吸時將會引起水位波動，此時水泵自動啟動水位間隔僅有20 cm，易造成水泵頻繁誤啟動。

4 結(jié)語

綜上所述，雨水泵站選址應(yīng)結(jié)合港區(qū)地面高程、受納水體、雨水管網(wǎng)布置等因素綜合考慮，以保證雨水及時、快速和安全排放及減少管網(wǎng)埋深為原則進行選址；水泵揚程應(yīng)按管網(wǎng)進水水位和受納水體潮位差及管路水頭損失合理確定；雨水泵流量及臺數(shù)選取應(yīng)依據(jù)雨水設(shè)計流量和降雨強度合理配置，以使雨水泵提升流量和開啟臺數(shù)與降雨過程相適應(yīng)；水泵依靠水位自動啟動時，應(yīng)設(shè)有進水水流平穩(wěn)的消能措施，自動啟動的水位間隔差應(yīng)避免水泵抽吸產(chǎn)生的影響。

[1]魏紅彤，陳維升，蘇逢春.港區(qū)雨水重力淹沒出流排水安全性分析[J].水運工程，2012(7)：98-101. WEI H T，CHEN W S, SU F C. Safety analysis of harbor rainfall drown out gravity flow drainage[J].Port and Waterway Engineering, 2012(7)：98-101.

[2]中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司.上海港外高橋港區(qū)六期工程初步設(shè)計報告[R].北京：中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，2006.

[3]GB50265-2010,泵站設(shè)計規(guī)范[S].

[4]GB50014-2006,室外排水設(shè)計規(guī)范[S].

[5]DBJ08-22-91,上海市標(biāo)準(zhǔn)雨水泵站設(shè)計規(guī)程[S].

Analysis and discussion on design points of harbor rainwater pumping station

WEIHong-tong,TANGWei

(CCCCWaterTransportationConsultantsCo.,Ltd.,Beijing100007,China)

The construction of the rainwater pumping station is a lifeline project for the port area where gravity drainage is not allowed. The rainwater pumping station has played a vital role in the protection of orderly production and the prevention of storing goods from being flooded. Taking a certain rainwater pumping station as an example, the design points were analyzed and discussed by focusing on the site of the pumping station, the drainage capacity, the mode of rainwater pump and the system operation control.

harbor area; rainwater pumping station; design

TU 991.35

：A

：1005-8443(2017)04-0416-05

2017-01-05；

：2017-02-16

魏紅彤(1978-)，男，黑龍江省蘭西縣人，高級工程師，主要從事港口工程給排水、消防、環(huán)保、安全、油品裝卸工藝設(shè)計研究。

Biography： WEI Hong-tong(1978-), male, senior engineer.