浮船泵站在寧夏南部山區(qū)水庫(kù)取水中的應(yīng)用

(彭陽(yáng)縣水務(wù)局，寧夏 彭陽(yáng) 756500)

1 基本情況

寧夏固原市彭陽(yáng)縣孟塬高效節(jié)水灌溉工程由水源工程、泵站揚(yáng)水工程、田間灌溉工程三部分組成。水源工程從彭陽(yáng)縣茹河河道已建成的吳川滾水壩通過管道自流引水至西莊水庫(kù)；揚(yáng)水工程以西莊水庫(kù)為水源，在西莊水庫(kù)左岸建浮船式取水泵站加壓至北塬蓄水池，在北塬蓄水池處建第二級(jí)揚(yáng)水泵站加壓至灌區(qū)核心區(qū)蓄水池；田間灌溉工程分滴灌和噴灌兩個(gè)區(qū)域，由兩座加壓泵站(7套加壓系統(tǒng)和7套過濾系統(tǒng))、輸水干管、分干管、滴灌帶、噴灌機(jī)組和配套建筑物組成，已發(fā)展節(jié)水灌溉面積1.97萬(wàn)畝。

浮船泵站凈揚(yáng)程230m，流量0.32m3/s。高揚(yáng)程，復(fù)雜的岸坡地形條件，對(duì)浮船固定、管道壓力等級(jí)，提出了更高的要求。

2 取水方式的確定

西莊水庫(kù)庫(kù)區(qū)溝道呈“U”形，底寬約30m，兩岸高約100m，岸坡角約50°～60°，水庫(kù)水位變幅大，現(xiàn)有的地形條件不適宜建固定取水建筑物，經(jīng)設(shè)計(jì)方案比較見表1，決定采用浮船泵站取水。在壩址上游左岸約850m處有砂巖外露，水庫(kù)水面相對(duì)較寬，地形、地質(zhì)符合建浮船泵站條件；岸坡上有相對(duì)寬敞的臺(tái)地，能滿足施工需要，施工平臺(tái)上也具備建浮船泵站條件。

表1 取水方案比較

3 浮船式取水泵站設(shè)計(jì)

3.1 泵船設(shè)計(jì)

泊船位置選在壩址上游約850m處，枯水期水深不低于1.5m，附近岸邊有用作檢修場(chǎng)地的平坦河岸，距離岸邊約26m。

a.浮船采用無(wú)動(dòng)力鋼制焊接結(jié)構(gòu)單甲板船，首尾用輔助懸臂錨固定，水泵電機(jī)設(shè)備布置在船上。浮船主體為梯形，底部首、尾斜直線起翹，中部為平行中體，甲板四角為圓角。船艙底設(shè)4道橫艙壁、3道縱艙壁，全船自尾向首各艙為艉尖艙、泵艙、艏尖艙，各艙均開有艙口，配備了下艙直梯或斜梯(泵艙)，設(shè)有通風(fēng)筒。主甲板布置為：首、尾部為走道，同時(shí)也是輔助懸臂固定區(qū)域。中部右側(cè)布置水泵設(shè)備，起吊設(shè)施，真空泵組，左側(cè)布置輸水管及棧橋；右舷邊為水泵吸水口，在吸水口處設(shè)有柵欄以保證吸水口處的清潔，左舷距中0.5m處設(shè)有棧橋支座，上設(shè)支架輸水管，輸水管上設(shè)有1套鋼結(jié)構(gòu)走道供工作人員上、下船之用。

主要尺寸為：總長(zhǎng)26.2m，型長(zhǎng)26.0m，水線長(zhǎng)26.0m，總寬11.7m，型寬10m，型深1.6m，吃水0.95m，見圖1、圖2。

圖1 浮船泵站平面布置(單位：mm)

圖2 浮船泵站縱斷面

b.輸水管由2個(gè)球形萬(wàn)向轉(zhuǎn)動(dòng)接頭連接，在泵船漲落搖擺時(shí)不會(huì)影響連續(xù)取水。泵船在最低水位即枯水季節(jié)取水時(shí)，泵進(jìn)水口在水面下1.2m處，能正常工作。泵船處在設(shè)計(jì)高水位即與岸坡固定基礎(chǔ)相平時(shí)，水泵仍然能繼續(xù)工作，流量受閥門控制，對(duì)汲供水無(wú)影響。

c.船與岸坡連接。泵船首尾用鋼結(jié)構(gòu)旋臂梁來(lái)與岸邊支座連接。岸邊支座承擔(dān)著浮船泵站旋臂的壓重及抵抗風(fēng)浪產(chǎn)生的扭矩，支座與岸邊基礎(chǔ)基巖上的鋼筋混凝土固定墩相連，作用在岸邊基巖上，承載能力滿足要求。

3.2 水泵及電機(jī)技術(shù)要求

a.水泵。泵體材質(zhì)為鑄鋼，葉輪、口環(huán)、軸套為不銹鋼(ZG310-570)；聯(lián)軸器為鑄鋼彈性柱銷聯(lián)軸器；水泵高壓室放氣(抽真空管路)管為DN25鋼管，并加設(shè)不銹鋼球閥(DN25)；水泵軸承測(cè)溫裝置為每個(gè)軸承埋設(shè)三線式PT100鉑熱電阻各2只，測(cè)溫接線盒為固定可靠有外引線的接線盒，便于連接測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)；水泵主軸密封為機(jī)械密封。

b.電機(jī)。電動(dòng)機(jī)制造商應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求；電動(dòng)機(jī)可經(jīng)受倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1.3倍的額定轉(zhuǎn)速達(dá)2min；電動(dòng)機(jī)采用全壓直接啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間不超過15s；異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可任意選定，但不可往復(fù)旋轉(zhuǎn)；電動(dòng)機(jī)定子三相繞組，每組埋設(shè)2只三線式PT100鉑熱電阻，鉑熱電阻埋設(shè)在繞組層間中部，電動(dòng)機(jī)兩端承室埋承室設(shè)三線式PT100鉑熱電阻各2只，供溫度監(jiān)測(cè)使用，定子測(cè)溫與軸承測(cè)溫供用一個(gè)接線盒。

c.水泵選型。泵站設(shè)計(jì)流量0.32m3/s，水力計(jì)算結(jié)果泵站總揚(yáng)程252.9～246.8m，水泵選用臥式多級(jí)離心泵，根據(jù)水泵樣本和特性曲線選擇水泵型號(hào)，水泵單級(jí)特性曲線見圖3，水泵配置見表2。

表2 水泵配置

圖3 D600-65型水泵單級(jí)特性曲線

3.3 揚(yáng)水管道布設(shè)

揚(yáng)水管道總長(zhǎng)1.45km，經(jīng)水力計(jì)算，選用鋼管、球墨鑄鐵管兩種形式管材，其中鋼管長(zhǎng)500m，均為無(wú)縫鋼管，球墨管長(zhǎng)950m，管線從浮船泵站接出，管線沿西莊水庫(kù)左岸岸坡布置，船體部分管道長(zhǎng)26m，庫(kù)岸采用鋼筋混凝土墩固定，在管道容易形成負(fù)壓之處的凸點(diǎn)均設(shè)置排氣補(bǔ)氣閥井，每座井內(nèi)安裝排氣補(bǔ)氣閥一塊，排氣補(bǔ)氣閥配同管徑同壓力等級(jí)緩沖閥和檢修閘閥，管道沿線共布置排氣補(bǔ)氣井3座。

3.4 事故停泵水錘計(jì)算

水錘計(jì)算采用特征線法，其計(jì)算過程為：將有壓管道非恒定流運(yùn)動(dòng)方程組成水錘基本方程，通過特征線轉(zhuǎn)化為常微分方程，再用有限差分法變?yōu)榇鷶?shù)方程進(jìn)行求解。該方法精度高，可用于求解各種復(fù)雜的邊界條件下的水錘計(jì)算問題。計(jì)算結(jié)果顯示：

a.事故停泵出口閥門拒動(dòng)作工況下，機(jī)組的最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的1.21倍，略高于規(guī)范規(guī)定小于1.2倍的要求，應(yīng)采取兩階段關(guān)閥的方法進(jìn)行防護(hù)。

b.事故停泵閥門按預(yù)定的程序關(guān)閉，事故停泵機(jī)組最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的1.1～1.3倍，事故停泵不會(huì)對(duì)機(jī)組造成大的危害。

c.事故停泵閥門按預(yù)定的程序關(guān)閉，水泵倒泄流量明顯減小,兩階段關(guān)閉蝶閥對(duì)防止機(jī)組倒轉(zhuǎn)、倒流效果明顯。

d.在不同開機(jī)臺(tái)數(shù)和不同水位下運(yùn)行，事故停泵閥出口水錘壓力變化值在254～282.98m，事故停泵閥后的水錘壓力為水泵額定揚(yáng)程(260m)的1.1倍以下。

e.事故停泵時(shí)，沿管線多處出現(xiàn)負(fù)壓，在距離泵房1000m處出現(xiàn)水柱斷裂現(xiàn)象，最大空氣體積為4.1m3。通過對(duì)不同機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)、水庫(kù)水位變化情況的分析計(jì)算得知，事故停泵在距離泵房1000m處，最大水錘壓力變化在293.315～371.567m之間，此處相對(duì)水錘壓力在77.735～156.167m之間。

f.事故停泵閥門最優(yōu)操作程序?yàn)榭礻P(guān)65°，慢關(guān)25°，快關(guān)時(shí)間3s，慢關(guān)時(shí)間15s；管線局部高點(diǎn)和負(fù)壓較大的斷面應(yīng)設(shè)排氣補(bǔ)氣閥，排氣補(bǔ)氣閥的直徑可取主管直徑的1/4～1/8。

3.5 水錘防護(hù)措施

水泵出口處依次安裝液控止回閥、電動(dòng)蝶閥可有效地防止事故停泵水錘對(duì)水泵的破壞，考慮浮船穩(wěn)定性差，為防止事故停泵水錘對(duì)浮船造成破壞，在岸坡萬(wàn)向接頭出口處加裝水錘吸納器，閥后采用鋼筋混凝土鎮(zhèn)墩固定，以保證水錘發(fā)生后管道穩(wěn)定、浮船安全。在距泵房1000m處建雙向調(diào)節(jié)塔來(lái)消除水柱斷裂時(shí)的汽蝕破壞。水錘壓力過程線見圖4。

圖4 Hmax、Hmin水錘壓力過程線(低水位閥調(diào)節(jié))

3.6 船體防凍

通過攪動(dòng)水面，交換上下水體，使水體保持一定流速來(lái)達(dá)到防凍目的。在船體四周均勻布置潛水泵，潛水泵通過吊架和導(dǎo)軌放置水下1.0～1.5m的深度，水泵位置可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。船體兩側(cè)各布置2臺(tái)潛水泵，船首尾各布置1臺(tái)潛水泵，安裝水泵時(shí)各水泵水流方向一致，確保船體四周水體循環(huán)流動(dòng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

4.1 有效改善取水條件

寧夏南部山區(qū)水庫(kù)地形條件復(fù)雜，岸坡受水流沖刷塌陷段面較多，水庫(kù)淤積嚴(yán)重，水位受降雨影響變幅大，不便建固定泵站，水庫(kù)水資源利用率不高，采用浮船泵站能極大地改善取水條件，提高水資源利用率。

4.2 施工相對(duì)簡(jiǎn)單，節(jié)約投資

相對(duì)于固定泵站而言，浮船泵站施工中不需要清淤，建施工圍堰等臨時(shí)建筑物，對(duì)施工環(huán)境要求低，船體在水面上即可拼裝焊接完成，不僅靈活適用，而且投資相對(duì)較少。

4.3 泵站運(yùn)行狀況良好，適宜同類地區(qū)推廣應(yīng)用

本浮船泵站建成后經(jīng)兩個(gè)灌溉期和一個(gè)冬季運(yùn)行，泵站設(shè)備運(yùn)行狀況良好，各項(xiàng)指標(biāo)正常，兩個(gè)夏季水位變化(高低水位差6.5m)未對(duì)浮船穩(wěn)定造成影響，冬季浮船周圍2m范圍內(nèi)水面無(wú)冰層，壓力管道無(wú)漏水。綜上所述，浮船泵站可在寧夏南部山區(qū)水庫(kù)取水工程建設(shè)中推廣應(yīng)用。