河道泵站防淤積取水設(shè)施的開發(fā)設(shè)計(jì)

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢　430010)

1　小組概況

長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院重慶分公司QC小組成立于2015年2月，是一個(gè)創(chuàng)新型小組。成員9人，成員中既有技術(shù)全面、專業(yè)能力強(qiáng)的技術(shù)骨干，又有朝氣蓬勃、勤學(xué)好問的青年員工，是一個(gè)專業(yè)覆蓋全、工作素質(zhì)好的團(tuán)隊(duì)。

2　選擇課題

河道內(nèi)修建取水泵站采用的一般方法是在河底挖建進(jìn)水池，在后期運(yùn)行過程中，取水結(jié)構(gòu)均會(huì)面臨不同程度的泥沙淤積問題。對(duì)于泥沙較多的河流，進(jìn)水池淤積導(dǎo)致水泵取水效率下降；水中夾雜的泥沙對(duì)水泵產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損也會(huì)大大縮短水泵設(shè)備的使用壽命。因此需要經(jīng)常對(duì)進(jìn)水池進(jìn)行清淤，投入的人力和時(shí)間較多，增加后期運(yùn)行成本。

本次課題依托重慶市榮昌縣瀨溪河灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程。瀨溪河坡降緩，泥沙量大，普通取水設(shè)施極易發(fā)生淤積，為了解決泥沙淤積問題，成立QC小組設(shè)計(jì)新型取水設(shè)施。

3　設(shè)定目標(biāo)

根據(jù)工程河段洪水、地質(zhì)、泥沙等條件，考慮施工方便及投資，設(shè)計(jì)出一種運(yùn)用于河道泵站的新型取水設(shè)施。

設(shè)定目標(biāo)：新型設(shè)施能夠適應(yīng)多泥沙河道取水要求，減少清淤等后續(xù)工作。

4　方案提出及比選

4.1　提出方案

根據(jù)設(shè)定的課題目標(biāo)，結(jié)合工程河段條件，小組成員對(duì)新型取水設(shè)施提出設(shè)想，并制作設(shè)想親和圖(見圖1)，主要考慮了結(jié)構(gòu)形式、地質(zhì)條件、造價(jià)及施工3個(gè)方面的因素。

根據(jù)親和圖，QC小組提出兩種新型取水結(jié)構(gòu)，并對(duì)結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行了討論。

方案一：鋼筋混凝土濾水管。本方案采用開孔鋼筋混凝土管作為濾水管，外包雙層土工布，土工布外鋪一層碎石濾水體，再在碎石上鋪雙層土工布，最后鋪一層碎石防沖，如圖2所示。

圖1　取水設(shè)施設(shè)想親和圖

圖2　方案一結(jié)構(gòu)示意圖

方案一采用鋼筋混凝土濾水管+碎石濾水體+土工布形式，鋼筋混凝土管通過濾水孔濾水，碎石濾水體及土工布過濾泥沙，表層碎石濾水體防沖，達(dá)到取水、防砂的目的。

方案二：無砂混凝土滲水管。本方案采用無砂混凝土管滲透取水，外包一層碎石對(duì)泥沙進(jìn)行過濾，碎石層上再設(shè)一層干砌石護(hù)面防沖，如圖3所示。

方案二采用無砂混凝土管+碎石濾水體+干砌石護(hù)面形式，無砂混凝土管滲透取水，碎石濾水體過濾泥沙，表層干砌石護(hù)面防沖。

4.2　方案比選

根據(jù)兩種方案的結(jié)構(gòu)形式及功能組成，小組成員從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、取水能力、施工難度、經(jīng)濟(jì)性等四個(gè)方面對(duì)方案進(jìn)行了打分，平均得分情況見表1。

圖3　方案二結(jié)構(gòu)示意圖

表1　方案分析

綜合以上分析，方案一在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、取水能力、施工難度等方面優(yōu)勢(shì)較突出，因此采用方案一作為推薦方案。

5　制定對(duì)策

根據(jù)確定的推薦方案，QC小組成員進(jìn)行認(rèn)真的研究分析，制定了對(duì)策實(shí)施計(jì)劃表，見表2。

表2　對(duì)策實(shí)施計(jì)劃

6　對(duì)策實(shí)施

6.1　確定表層濾水體最小粒徑

表層碎石體兼有濾水及防沖的功能，為了防止洪水沖刷引起濾水體的失效，需對(duì)表層濾水體抗沖進(jìn)行計(jì)算，然后選用合理粒徑的碎石。擬采用泥沙起動(dòng)理論中的沙莫夫公式計(jì)算設(shè)計(jì)洪水情況下的碎石濾水體不被沖刷破壞的最小粒徑?？紤]河道流速分布為指數(shù)分布，引入沙莫夫參數(shù)，根據(jù)河道洪水平均流速，反算出最小碎石粒徑為8mm。

6.2　確定混凝土濾水管參數(shù)

根據(jù)《管井技術(shù)規(guī)范》(GB 50296—2014)規(guī)定：管井設(shè)計(jì)出水量，應(yīng)小于濾水管的進(jìn)水能力。根據(jù)工程供水規(guī)劃，該泵站取水流量約為0.0694m3/s，以此作為濾水管參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)。

濾水管進(jìn)水能力計(jì)算公式：

Qg=πnVgDgL

式中Qg——濾水管的進(jìn)水能力,m3/s;

n——濾水管進(jìn)水面層有效孔隙率，宜按濾水管面層孔隙率的50%計(jì)算;

vg——允許濾水管進(jìn)水流速,m/s，不得大于0.03m/s;

Dg——濾水管外徑,m；

L——濾水管設(shè)計(jì)有效長(zhǎng)度,m，宜按濾水管長(zhǎng)度的85%計(jì)算。

本次設(shè)計(jì)取值及計(jì)算結(jié)果見表3。

表3　濾水管計(jì)算成果

由表3可見，本次設(shè)計(jì)濾水管進(jìn)水流量大于該片灌區(qū)需水量，滿足規(guī)范要求，故本次共布置15根濾水管，濾水管設(shè)計(jì)尺寸為：外徑0.35m(壁厚5cm)，長(zhǎng)7.0m，濾水管上均勻開孔，孔徑1cm，考慮后期運(yùn)行濾水效率的降低，總孔隙率需大于0.1。

6.3　確定土工布參數(shù)

在本方案中，土工布的主要作用是：?過濾，防止細(xì)顆粒進(jìn)入濾水管；?隔離，防止碎石顆粒堵塞濾水孔。

土工布造價(jià)相對(duì)較低且本工程用量較少，考慮到泵站的長(zhǎng)期運(yùn)行，因此土工布應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、滲透性及耐久性，故選用規(guī)格參數(shù)500g/m2、滲透系數(shù)5.0×10-1、斷裂強(qiáng)力16.0kN/m的土工布，以滿足濾水流量及檢修的要求。

6.4　編寫施工技術(shù)要求

根據(jù)地質(zhì)條件及進(jìn)度要求，編寫了新型取水設(shè)施的施工技術(shù)要求。

a.開挖至設(shè)計(jì)高程，若遇軟基，采用塊石換填，再鋪設(shè)混凝土濾水管底部碎石濾水體和雙層土工布。

b.按照設(shè)計(jì)尺寸預(yù)制鋼筋混凝土濾水管，并以雙層土工布包裹，按間距鋪設(shè)在下部碎石濾水體上，鋪設(shè)混凝土濾水管上部碎石濾水體，澆筑進(jìn)水池，安裝高水位進(jìn)水管，水泵抽水管及排氣管。

c.鋪設(shè)雙層土工布，再鋪設(shè)碎石防沖層，鋪設(shè)平壓孔內(nèi)的碎石濾水體及雙層土工布。

7　確認(rèn)效果

瀨溪河灌區(qū)獅子坡提灌站已實(shí)施，經(jīng)過一個(gè)汛期的運(yùn)行。目前泵站運(yùn)行效果良好，能夠滿足取水流量需求，目前也不需要開展清淤工作(見圖4)。

圖4　取水結(jié)構(gòu)運(yùn)行

通過查看獅子坡提灌站運(yùn)行記錄表，發(fā)現(xiàn)新型取水設(shè)施運(yùn)行正常，在洪水期、枯水期均能滿足取水流量的要求。

8　標(biāo)準(zhǔn)化

a.根據(jù)QC小組活動(dòng)成果，小組成員完善了取水設(shè)施，編制了新型取水設(shè)施的結(jié)構(gòu)圖和鋼筋圖集，如圖5所示。

b.編制了新型取水設(shè)施的施工技術(shù)要求。

c.根據(jù)QC小組活動(dòng)成果，向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)了實(shí)用新型專利，現(xiàn)已通過審查。

圖5　結(jié)構(gòu)及鋼筋圖集

9　總結(jié)及體會(huì)

通過本次QC小組活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了新型取水設(shè)施的設(shè)計(jì)，達(dá)到了既定目標(biāo)，可為類似工程提供參考。通過QC小組活動(dòng)，培養(yǎng)了小組成員的創(chuàng)新意識(shí)，不拘泥于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，將創(chuàng)新意識(shí)運(yùn)用于設(shè)計(jì)工作中，同時(shí)在分析問題和解決問題方面的能力也得到了一定的提高。