南水北調(diào)渠道抽排泵站運(yùn)行工況研究

鄭曉陽(yáng)，張建偉

（1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河南分局，河南 鄭州 450018；2.中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)江漢水網(wǎng)建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖北 武漢 430040）

1 工程概況

南水北調(diào)中線寶豐段工程高地下水位段全長(zhǎng)9.60 km，共布置8 個(gè)抽排泵站，泵站型式采用井筒式，井筒用導(dǎo)水鋼管與軟式透水管連接，以將軟式透水管內(nèi)匯集的地下水通過(guò)導(dǎo)水鋼管輸送至井筒內(nèi)。導(dǎo)水鋼管采用φ600 mm的防腐鋼管，軟式透水管φ250 mm。井筒材料為C20 鋼筋混凝土，內(nèi)徑6.20 m。渠坡縱向集水暗管采用φ250 mm強(qiáng)滲軟式透水管，渠底沿中心線設(shè)三排縱向集水暗管，每隔12 m 設(shè)一個(gè)逆止式排水器，間隔12 m 設(shè)一道橫向連通管；橫向連通管同樣采用強(qiáng)滲軟式透水管，內(nèi)徑同縱向集水暗管，橫向連通管繞過(guò)齒墻鋪設(shè)；逆止式排水器出水口下緣距離渠底100 mm。

2 研究背景

渠道巡檢人員巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該渠段渠道內(nèi)水面以下存在一處逆止閥缺少保護(hù)蓋，上部水面有小漩渦并伴隨“吱吱”響聲，隨后為核實(shí)寶豐段轄區(qū)逆止閥的損壞是個(gè)例還是普遍現(xiàn)象，逆止閥的損壞部位是否還存在其他運(yùn)行隱患，管理機(jī)構(gòu)對(duì)關(guān)聯(lián)部位逆止閥、渠道建筑物、泵站、排水設(shè)施、安全監(jiān)測(cè)設(shè)施進(jìn)行了全面排查與梳理。期間研究人員通過(guò)排查、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析及比對(duì)等方式開(kāi)展研究，隨著研究的不斷深入，從中發(fā)現(xiàn)了抽排泵站在不同工況下運(yùn)行參數(shù)及各種設(shè)施之間的相互關(guān)聯(lián)。

3 抽排泵站運(yùn)行工況研究與探討

3.1 失效逆止閥對(duì)抽排泵站的影響分析

3.1.1 失效逆止閥封堵測(cè)試

為研究分析失效逆止閥與抽排泵站之間的聯(lián)系，研究人員根據(jù)大氣壓原理及連通管原理，結(jié)合抽排泵站井內(nèi)水位與逆止閥部位水位差對(duì)逆止閥進(jìn)行封堵。通過(guò)對(duì)失效逆止閥封堵前后抽排泵站與渠道水位差值與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)渠道水位與抽排泵站井內(nèi)水位差2.20 m 時(shí)，經(jīng)計(jì)算負(fù)壓約323.40 N，此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)封堵的墊板無(wú)法取下；當(dāng)渠道水位與抽排泵站井內(nèi)水位差0.30 m 時(shí)經(jīng)計(jì)算負(fù)壓約44.10 N，此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)封堵的墊板較容易取下。具體計(jì)算過(guò)程如下（1）～（3）。

式（1）（2）（3）中：S 為斷面面積，m2；π為圓周率；r 截面半徑，0.07 m；ρ為水的密度，1.00×103kg/m3；g為重力加速度，9.80 N/kg；h1、h2分別為兩種渠道水位與抽排泵站井內(nèi)的水位差，2.20 m、0.30 m；F1、F2分別為不同水位差下的水壓力，N。

3.1.2 水流方向試驗(yàn)

在失效逆止閥孔口處投放約1 kg高錳酸鉀試驗(yàn)，高錳酸鉀立即隨著周邊水體直接被“吸”入逆止閥（逆止閥外部無(wú)擴(kuò)散）約50 min后，相鄰約100 m的抽排泵站檢修水泵排水口排水體輕微發(fā)紅。

3.1.3 初步試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)以上2個(gè)試驗(yàn)，可以看出渠道沿線逆止閥與相鄰抽排泵站間存在關(guān)聯(lián)，在逆止閥失效的狀態(tài)下渠道水體可通過(guò)失效逆止閥進(jìn)入排水設(shè)施，后經(jīng)抽排泵站工作水泵再次進(jìn)入渠道。結(jié)合總干渠工程設(shè)施布置情況，如地下排水設(shè)施發(fā)生損壞，損壞部位的反濾體（土體）可能隨著水體被帶入抽排泵站：一方面使損壞的排水設(shè)施周邊產(chǎn)生塌陷，另一方面使抽排泵站產(chǎn)生淤積而影響渠道運(yùn)行安全；同時(shí)由于失效逆止閥部位水體被大量抽排至抽排泵站，使得抽排泵站工作泵工作時(shí)長(zhǎng)顯著增加，不僅影響抽排泵站抽排效果，而且也會(huì)因頻繁抽排導(dǎo)致抽排泵站抽排設(shè)施使用壽命的降低。

3.2 泵站抽排過(guò)程對(duì)水位的影響分析

抽排泵站設(shè)計(jì)運(yùn)行工況下，井內(nèi)水位超過(guò)渠道運(yùn)行水位+0.05 m 時(shí)工作水泵會(huì)自動(dòng)抽排水，井內(nèi)水位降至渠道水位以下4.50 m 時(shí)水泵自動(dòng)停止運(yùn)行。寶豐段4#泵站常年持續(xù)工作，其水位差基本保持在約4 m，來(lái)水量與排水量基本平衡。為了解抽排過(guò)程對(duì)泵站水位的影響，選取4#泵站為研究對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)，選取功率更大的檢修泵作為試驗(yàn)用泵，試驗(yàn)前先停泵確保井內(nèi)水位上升，在井內(nèi)水位與渠道水位差0.32 m時(shí)開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)開(kāi)始后檢修水泵歷時(shí)1.38 h，迅速將井內(nèi)水位與渠道水位差從0.32 m 增加到2.88 m，井內(nèi)水位下降2.56 m；隨即檢修泵停止作業(yè)，停泵后5 min水位差變幅最快達(dá)40 cm，平均水位差2.68 m；停泵36 min 內(nèi)為地下水位快速上升期，直至水位差約1 m；停泵36 min至7 h為地下水位較緩慢上升期，此時(shí)水位差變化約50 cm。

從以上試驗(yàn)及前期運(yùn)行情況分析得知：水位差越大，單位時(shí)間內(nèi)來(lái)水量越大；水泵停泵后水位差小于1 m，渠道內(nèi)來(lái)水將逐步轉(zhuǎn)緩。反之，水位差如能控制在1 m 以內(nèi)，理論抽排效果最為明顯，存在修改停泵值提高抽排效果的可能。

為了進(jìn)一步了解工作泵停泵值對(duì)水泵工作情況的影響，選取轄區(qū)8個(gè)抽排泵站進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)將原停泵值由井內(nèi)水位降至渠道水位以下4.50 m時(shí)水泵自動(dòng)停止調(diào)整為井內(nèi)水位降至渠道水位以下1 m 時(shí)水泵自動(dòng)停止。運(yùn)行調(diào)整前后抽排情況作了對(duì)比，各泵站工作水泵運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)從原來(lái)的日均累計(jì)62.40 h 減少到日均累計(jì)28.31 h，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)較調(diào)整前降低了54.61%。各泵站工作水泵具體運(yùn)行情況見(jiàn)表1。

表1 抽排泵站停泵值調(diào)整前后運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)對(duì)比表

通過(guò)抽排泵站停泵值調(diào)整前后運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)對(duì)比可以看出合理設(shè)置抽排泵站水泵啟停條件，可有效減少水泵的運(yùn)行時(shí)間從而提高設(shè)備的使用壽命，降低運(yùn)行成本，同時(shí)可減少抽排泵站抽排時(shí)的水位差，防止過(guò)度抽排地下水，避免或降低因抽排泵站工作對(duì)渠道實(shí)體造成危害。

3.3 安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與抽排泵站地下水位的分析研究

3.3.1 相鄰泵站工作情況及工作泵停泵值對(duì)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響

抽排泵站降低的井內(nèi)水位是否代表了地下水位，為此選取了K265+555.60安全監(jiān)測(cè)斷面，該斷面布設(shè)滲壓計(jì)7支，距上游4#抽排泵站536.12 m，距下游5#抽排泵站300.99 m。通過(guò)抽排泵站工作水泵停止值調(diào)整前后及相鄰抽排泵站水泵抽排安全監(jiān)測(cè)滲壓計(jì)數(shù)據(jù)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)該斷面滲壓計(jì)所反映渠道水位的變化與泵站停止值相關(guān)聯(lián)，同時(shí)相鄰泵站水泵工作或停止時(shí)對(duì)應(yīng)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)就會(huì)產(chǎn)生明顯波動(dòng)。

3.3.2 汛期降雨對(duì)不同渠段安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響

為了解降雨及抽排泵站對(duì)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響，選取2021年7月11日至30日轄區(qū)涵蓋本年度最大降雨的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)據(jù)分析比對(duì)，在抽排泵站未涵蓋區(qū)域地下水位受降雨尤其是強(qiáng)降雨影響變化明顯；在抽排泵站涵蓋區(qū)域雖同樣受降雨影響，但由于抽排泵站抽排井對(duì)地下水的抽排，地下水位平穩(wěn)，無(wú)較大波動(dòng)。

通過(guò)安全監(jiān)測(cè)觀測(cè)，滲壓計(jì)過(guò)程水位線可準(zhǔn)確表示相鄰抽排泵站的工作情況及對(duì)地下水位的控制情況。在抽排泵站的日常管理中應(yīng)結(jié)合安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)合理調(diào)整抽排泵站工作情況，如非汛期地下水位總體較低，為防止過(guò)度抽排地下水及延長(zhǎng)設(shè)備設(shè)施壽命，可將停泵值適當(dāng)減少；汛期地下水位總體較高，為防止強(qiáng)降雨造成地下水位驟升可將停泵值適當(dāng)增加；特殊工況如緊急退水，可利用檢修泵提前降低地下水位等。

4 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)對(duì)抽排泵站運(yùn)行工況的研究與探討，總結(jié)抽排泵站運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)與存在不足，確保南水北調(diào)工程的安全平穩(wěn)運(yùn)行，為后期南水北調(diào)工程運(yùn)行高質(zhì)量發(fā)展積累經(jīng)驗(yàn)。