桐河控制工程閘站結(jié)合及雙向泵站設(shè)計比選

摘要：桐河水利樞紐既有防洪排澇功能，又有生態(tài)補(bǔ)水、蓄水、引水功能，閘站設(shè)計時按照防治結(jié)合、蓄泄兼顧、以泄為主的原則，在防洪閘選用直升式雙門方案的基礎(chǔ)上，研究了兩座泵站獨立建站方案、共用進(jìn)水流道方案、兩站合一共用全部方案。推薦的兩站合一共用全部方案結(jié)構(gòu)布置緊湊，采用裝置效率為國內(nèi)外同類裝置最好水平的低揚程大流量的雙向貫流泵，減少了開挖量和混凝土量，機(jī)組共享，工程總費用小，水力性能好，機(jī)組在正、反方向運行時均處于高效區(qū)，節(jié)約電能。按照選定的雙向水泵進(jìn)行設(shè)計，投資最省，設(shè)備功率小。

關(guān)鍵詞：閘站結(jié)合;兩站獨立;雙向泵站;貫流水泵;設(shè)計方案

中圖分類號：TV375

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2020.01.023

1 工程作用及規(guī)模

桐河泵站位于河南省西南部唐河縣。為將桐河國儲林基地西側(cè)2.3 km長濱水地帶進(jìn)行濕地營造和景觀提升改造，打造唐河縣的一張城市名片——北辰公園，而在桐河入唐河處修建該工程。該工程為上游桐河濕地水位的重要控制工程，兼具生態(tài)補(bǔ)水和防洪排澇的作用。

根據(jù)水文分析，桐河入唐河處，桐河堤防防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，相應(yīng)水位為99.70 m;唐河堤防防洪設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇，相應(yīng)水位為100.57 m;濕地和景觀設(shè)計水位為96.00 m。桐河泵站工程任務(wù)：一是汛期桐河水位高于唐河水位時，能夠?qū)⑼┖訚乘粤髋胖撂坪?二是汛期桐河水位低于唐河水位且桐河水位處于高水位運行時，為防止唐河水倒灌、減輕桐河的防洪壓力和持續(xù)高水位對濕地營造和景觀的影響，通過泵站將桐河水排至唐河;三是當(dāng)桐河水位降至濕地營造和景觀需求水位時，攔蓄桐河水;四是當(dāng)桐河水位較低，不能夠滿足濕地營造和景觀需求水位時，通過泵站加壓將唐河水提升至桐河，從而達(dá)到“排有出路，灌有水源，蓄而不澇”[1]之目的。

為保證該水利樞紐區(qū)劃的獨立性、完整性和以流域水系為基本的區(qū)劃單位，減小上下游和相鄰區(qū)域的矛盾，便于管理，結(jié)合縣域規(guī)劃，擬建的樞紐修建在桐河匯入唐河口處上游約200 m處。

為完成上述排、灌、蓄、引、調(diào)相結(jié)合的工程任務(wù)，擬建的控制工程包括防洪閘、排澇泵站、供水泵站等。防洪閘在汛期能將桐河洪水泄入唐河，保證桐河大堤安全，汛期后攔蓄桐河水至濕地營造和景觀需求水位的同時，保證唐河高水位不侵襲濕地和景觀。排澇泵站在汛期防洪閘不能自流排泄洪水而關(guān)閉閘門時，通過提排將桐河洪水排至唐河，保證桐河堤防安全。供水泵站在濕地營造和景觀需求水位不能滿足要求時，經(jīng)過泵站加壓將唐河水返輸至防洪閘上游。

閘站結(jié)合即將防洪閘、泵房的基礎(chǔ)連在一起，構(gòu)成一個建筑物，從而減少基礎(chǔ)處理，共用翼墻，降低費用和整體工程造價，這樣建筑物布置緊湊，可減少管理人員，達(dá)到閘站結(jié)合、一站多用之目的。汛期當(dāng)桐河水位高于唐河水位時，自流排澇;當(dāng)桐河水位低于唐河水位時，關(guān)閉閘門，由泵站將桐河水抽排入唐河。當(dāng)唐河水位較高時，開啟閘門，可直接引唐河水滿足濕地需要;當(dāng)唐河水位很高時，關(guān)閉閘門，避免唐河洪水給桐河帶來災(zāi)害。當(dāng)唐河、桐河水位均較低時，關(guān)閉閘門，利用泵站抽唐河水，滿足濕地需求。這種布置既能自引自排，又能抽引抽排，綜合利用效果顯著。

經(jīng)水文分析，各個建筑物規(guī)劃參數(shù)見表1。

2 防洪閘設(shè)計

根據(jù)該工程自排、提排、提灌、調(diào)蓄等綜合利用功能，閘站布置時按照防制結(jié)合、蓄泄兼顧、以泄為主的原則，在滿足防洪閘設(shè)計的基礎(chǔ)上，對排澇泵站、供水泵站進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計。

防洪閘按其任務(wù)劃分屬于攔河節(jié)制閘，一般選擇在順直、河床穩(wěn)定的河道上，其中心線一般應(yīng)與河道中泓線相吻合[2]。設(shè)計時根據(jù)地質(zhì)、地形條件，閘室中心線與桐河中心線重合，為直升式水閘，閘室底板采用平底寬頂堰結(jié)構(gòu)，閘室順?biāo)鞣较蜷L18 m，5孔，單孔凈寬10 m。閘墩上設(shè)交通橋、工作橋及啟閉機(jī)房等。

擬建的防洪閘除用于宣泄桐河洪水外，在汛期擋唐河水防洪，在枯水期攔蓄桐河河水，設(shè)計時經(jīng)過分析采用雙門方案，即閘門設(shè)上下門。根據(jù)擋水要求，下部閘門選用10.0 mx6.0 m（寬×高）的平板鋼閘門，上部閘門選用10.0 mx7.5 m（寬×高）的平板鋼閘門。其主要特點為：閘門高度較低，從而減小閘門啟閉設(shè)備和上部水工結(jié)構(gòu)高度;閘門運行靈活，利于水位控制。

3 泵站設(shè)計研究

3.1 泵站方案

該項目以自排為主，強(qiáng)排、灌溉相結(jié)合，因此泵站設(shè)計在防洪閘設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。實際運行時設(shè)計揚程情況下機(jī)組啟動的幾率較小，將其揚程在按規(guī)范[3]計算的基礎(chǔ)上增加1 m。其設(shè)計流量、特征揚程見表2。設(shè)計兩站獨立建站方案（方案一）及兩站合一建站方案，兩站合一建站方案包括共用進(jìn)水流道方案（方案二）、共用全部方案（方案三）。

3.2 兩站獨立建站方案

兩站獨立建站是在防洪閘布置的基礎(chǔ)上，根據(jù)排水和供水功能的不同，將泵站均布置在防洪閘的左岸，但相對獨立（或分別布置在左、右岸），根據(jù)需要統(tǒng)一調(diào)度。根據(jù)表2提供的特征參數(shù)，排澇泵站選擇1200ZLB-135（ +40）水泵2臺，單機(jī)功率330 kW布置在防洪閘右岸;供水泵站選擇1200ZLB -7（-40）水泵3臺，單機(jī)功率400 kW，布置在左岸。

該布置方案的主要特點：排澇泵站、供水泵站自成體系，有各自獨立的進(jìn)出水通道，運行靈活方便;進(jìn)出水均為正向，水流條件較好;采用軸流泵機(jī)組，電機(jī)不受水的浸沒，使用年限較長;電機(jī)為常規(guī)型，可供選擇的生產(chǎn)廠家較多;機(jī)組臺數(shù)不受防洪閘順?biāo)鞣较蛑萍s;泵站占地大，現(xiàn)狀堤距不能滿足布置要求;泵站總體裝機(jī)容量大，建筑工程投資多，管理人員多。

3.3 兩站合一建站方案

兩站合一方案是兩個功能不同的泵站，根據(jù)其流量、特征揚程相差不大的實際情況，按照包絡(luò)線的原理，通過水工結(jié)構(gòu)的合理設(shè)置滿足排澇和供水要求。

3.3.1 共用進(jìn)水流道方案

為使水力機(jī)械滿足兩站的參數(shù)，機(jī)組設(shè)計流量為10.8 m3/s.最高揚程為7.5 m，最低揚程為2.1 m。由于共用進(jìn)水流道，出水流道相對獨立，機(jī)組需要正向進(jìn)水、側(cè)向出水，因此機(jī)組順?biāo)鞣较蜷L度應(yīng)參考防洪閘順?biāo)鞣较蜷L度設(shè)計，即機(jī)組臺數(shù)過多，兩者相差必然較大，水工結(jié)構(gòu)布置整體效果不美觀。據(jù)此選擇1300ZLB-5.5（- 20）水泵2臺，單機(jī)功率400 kW。具體布置見圖1。

泵站運行調(diào)度：當(dāng)需要泵站排澇時，關(guān)閉防洪閘、閘室2、閘閥1，開啟閘室1，水泵運行，經(jīng)水泵、壓力涵管排水至唐河;當(dāng)需要灌溉時，關(guān)閉防洪閘、閘室1、閘閥2，開啟閘室2，水泵運行，經(jīng)水泵、壓力涵管提水至桐河。

該布置方案的主要優(yōu)點：共用機(jī)組設(shè)備，泵站總裝機(jī)容量減小，水力機(jī)械投資相對較小;泵站占地面積小，可全部布置在現(xiàn)狀堤距之間：需要自排時，可以利用共用進(jìn)出水流道排水，減輕防洪閘壓力。缺點：正向進(jìn)水，側(cè)向出水，出水水流條件不好;壓力箱涵較長，水頭損失相對較大;為滿足雙向運行，工程調(diào)度較為復(fù)雜;為滿足側(cè)向出水，需要修建較為復(fù)雜的出水流道，導(dǎo)致建筑工程投資增大;由于機(jī)組順河道布置，因此進(jìn)水有先后，后臺機(jī)組效率將降低，特別是機(jī)組裝機(jī)容量越大，效率降低就越明顯;為照顧雙向運行，所選機(jī)組正常水位時在高效區(qū)運行，最高水位、最低水位時機(jī)組運行效率相對較低。

3.3.2 共用全部方案

隨著科技的發(fā)展，國內(nèi)水泵業(yè)制造能力亦在提高，一種雙向潛水貫流泵技術(shù)可滿足該工程排澇和灌溉需要，它是潛水電機(jī)技術(shù)與貫流泵技術(shù)結(jié)合而產(chǎn)生的新型機(jī)電一體產(chǎn)品，將葉片設(shè)計成S形，通過電機(jī)的正方向運轉(zhuǎn)滿足水泵雙向抽水的要求。近幾年該方案在蘇州青龍橋樞紐等工程中得到了成功應(yīng)用‘4]。根據(jù)該工程排澇與灌溉的需要，選擇型號1200QGLNS（ +40）水泵3臺，單機(jī)功率為435 kW，平面布置見圖2。

該布置方案的主要特點：進(jìn)出水流道共用，正向運行的進(jìn)水流道是反向運行的出水流道，出水流道是反向進(jìn)水的進(jìn)水流道，減少了水工投資;泵站占地較小，現(xiàn)狀堤距滿足布置需求;機(jī)組共享，水力機(jī)械投資較小;無論正向還是反向運行，進(jìn)、出水流道均為正向，水流順暢，水力性能較好;結(jié)構(gòu)布置緊湊，減少了開挖量和混凝土量，減少了工程占地;機(jī)組在正、反方向運行時，均在高效區(qū)，節(jié)約能量。由于采用了潛水電機(jī)，因此對電機(jī)密封性能提出了更高要求;增加了控制性能.

4 投資分析

該工程為改善生態(tài)環(huán)境、提高城市防洪除澇能力的民生工程，屬于社會公益性項目，在防洪閘方案確定的基礎(chǔ)上，泵站工程的方案對工程投資及建成后的運行費用非常關(guān)鍵，因此僅對泵站工程方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。

4.1 主體工程投資

主體工程投資包括建筑工程費用及設(shè)備費用，價格水平年為2018年12月，以水利系統(tǒng)有關(guān)定額進(jìn)行投資計算。工程圖紙按照參考資料[5]初步擬定，并對各方案工程量進(jìn)行詳細(xì)計算。泵站各方案主體工程投資見表3，可知，方案三主體工程投資最小，比方案一小33%，比方案二小21%。

4.2 年運行費計算

年運行費包括電力消耗費用、工程維修費、管理人員工資等。

對于電力消耗費用，當(dāng)用水量一定時，消耗的電能是一定的，只是水泵、電機(jī)效率不同引起微小不同，因此不同方案電力消耗費用相差不大。

工程維護(hù)費用包括泵站正常運行的易損件和水泵軸承潤滑油、機(jī)組檢修排水等費用，根據(jù)已建泵站調(diào)研，同規(guī)模的泵站年工程維修費用約18萬元，即按正、反向分別建站時增加年工程維修費用約18萬元。

管理人員工資參考《水利工程管理單位定崗標(biāo)準(zhǔn)》，一般泵站所需技術(shù)管理人員為10人[6]，該工程無論正、反向供水均采用高壓泵，因此需管理人員12人，每人每年全部費用約4.5萬元，這樣按正向、反向分別建站增加管理人員工資費用54萬元。

按正向、反向分別建站工程維護(hù)費用、管理人員工資合計增加年費用72萬元。

按機(jī)電設(shè)備報廢年限確定泵站的使用年限n最低20 a，社會折現(xiàn)率i取10%，經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值計算公式為式中：ENPV為凈現(xiàn)值;A為年費用。

計算得到正向、反向分別建站20 a多增加費用折算為凈現(xiàn)值為613萬元。

由此可以看出，雙向泵站不僅主體工程投資最小，而且年運行費用節(jié)省較多。

根據(jù)上述分析，方案三投資最省，按照選定的泵型設(shè)備功率較小[7]，綜合工程地形條件、水流流態(tài)、運行管理、投資等方面分析最終采用方案三。

5 設(shè)計優(yōu)化及思考

根據(jù)選定的方案三設(shè)計時，根據(jù)水泵安裝要求，其水泵層下部為大體積混凝土，為減少工程投資，擬在其邊墩、中墩等部位采用拋石混凝土。泵站上下游閘門均為胸墻結(jié)構(gòu)，且與攔污柵共槽，既節(jié)約了空間，又減少了預(yù)埋件、閘門鋼材用量。泵房頂部高程可與防洪閘啟閉機(jī)層協(xié)調(diào)一致，除了整體美觀外，兼有防洪閘橋頭堡作用。

雙向泵站是隨著電氣控制水平的發(fā)展而在單向泵站的基礎(chǔ)上發(fā)展的，適應(yīng)于排澇提水、提水灌溉或調(diào)蓄等綜合功能任務(wù)的水利工程，具有工程造價低、運行費用小、水流條件好、布置緊湊等特點?；趯ν┖涌刂乒こ讨腥芷诘膽?yīng)用與研究，開展如下應(yīng)用中的思考。

（1）雙向泵站正向泵站和反向泵站的設(shè)計揚程應(yīng)該相差不大，否則會有一個方向的泵站難以滿足在設(shè)計揚程下處于高效區(qū)工作，造成能源浪費。

（2）正向、反向泵站設(shè)計流量不盡一致時，可通過選擇兩種不同的機(jī)組組合滿足各向流量要求，機(jī)組之間可承擔(dān)相互備用的功能。但機(jī)組種類多時易損件等備品較多，不便于運行管理。

（3）工程設(shè)計初期階段可參考文獻(xiàn)[5]對主要結(jié)構(gòu)尺寸、安裝高程要求等進(jìn)行控制，詳細(xì)設(shè)計應(yīng)與設(shè)備供貨商研究制定，保證滿足運行管理和水泵不產(chǎn)生有害的汽蝕。

（4）結(jié)合工程實際情況，可分析檢修門、攔污柵共用門槽和正、反向門體共用的可行性，以節(jié)約金屬結(jié)構(gòu)用材和減小結(jié)構(gòu)尺寸。

（5）雙向水泵可通過調(diào)轉(zhuǎn)進(jìn)、出水泵體和改變電機(jī)轉(zhuǎn)向兩種方式操作。調(diào)轉(zhuǎn)進(jìn)、出水泵體對運行管理人員素質(zhì)要求高，且頻繁調(diào)轉(zhuǎn)會對其密封性造成損壞，帶來滲漏水量增加的風(fēng)險，因此盡可能采用改變電機(jī)轉(zhuǎn)向的方式設(shè)計，由此增加的設(shè)備投資只多約1.2%。

（6）為滿足機(jī)組布置要求，其水泵層下部為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，為減少工程量和投資，可在其邊墩、中墩等部位采用拋石混凝土、自密實混凝土或增設(shè)廊道及在滿足抗浮的基礎(chǔ)上改變整體結(jié)構(gòu)為空箱結(jié)構(gòu)。

（7）按照文獻(xiàn)[3]分析整體穩(wěn)定性時，應(yīng)保證工程順?biāo)麟p向抗滑穩(wěn)定、滲流穩(wěn)定，一個方向的消力池底板就是另一個方向的鋪蓋，應(yīng)注意滿足雙向滲徑要求和雙向抗浮要求，不宜設(shè)置排水孔等措施。建議設(shè)置防滲帷幕增大豎向滲徑長度以滿足滲流要求。

（8）雙向泵站一般為地下廠房，為管理方便，建議設(shè)計遠(yuǎn)程和現(xiàn)地控制。

（9）由于對電機(jī)和密封性能要求較高，因此設(shè)備招標(biāo)時應(yīng)提出對供應(yīng)商必要的資質(zhì)要求，特別是高壓泵站，不宜按最低價中標(biāo)原則招標(biāo)。

6 結(jié)語

根據(jù)工程自排、提排、提灌、調(diào)蓄等綜合利用功能和參數(shù)，結(jié)合實際，防洪閘選用了直升式雙門方案，減小閘門啟閉設(shè)備和上部水工結(jié)構(gòu)高度，閘門運行較為靈活。經(jīng)過三個方案的定性與定量分析，采用裝置效率達(dá)到國內(nèi)外同類裝置最好水平[8]的低揚程、大流量的貫流泵，且為雙向貫流泵，結(jié)構(gòu)布置緊湊，減少了水工、水力機(jī)械投資，水流順暢，水力性能較好。機(jī)組在正反方向運行時均在高效區(qū)，節(jié)約了電能。

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【責(zé)任編輯 張華巖】

收稿日期：2019- 06-19

作者簡介：袁榆梁（1981-），男，湖北武漢人，高級工程師，主要從事水利工程規(guī)劃設(shè)計工作