南順泵站樞紐工程改造方案比選及運(yùn)行管理方法研究

李可驅(qū)

(廣州市南沙區(qū)水務(wù)局，廣東 廣州 510000)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會快速高質(zhì)量的發(fā)展和城鎮(zhèn)建設(shè)步伐的加快，區(qū)域的防洪、排澇等問題日益突出[1-4]。泵站作為水利工程的組成部分,擔(dān)負(fù)著區(qū)域防洪排澇和改善水生態(tài)環(huán)境的重要任務(wù),泵站工程建設(shè)的施工管理不同于一般水利工程，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工難度大等特點(diǎn)。目前大量學(xué)者就泵站工程建設(shè)現(xiàn)代化管理理念、建筑物運(yùn)行安全評價等方面做了大量的研究工作[5]。例如：周偉豐和羅林峰[6]以鹽官泵站為研究對象，通過分析鹽官泵站快速閘門、拍門振動晃動的原因，提出改進(jìn)措施，經(jīng)過實(shí)際調(diào)試取得了較好效果，可為減緩快速工作閘門振動提供參考；劉省清[7]通過綜合性分析更新改造案例，確定管理過程中的漏洞，提出針對性解決策略，促進(jìn)景電一期大型泵站土建施工管理質(zhì)量提升，為后續(xù)管理工作提供重要支持。然而，現(xiàn)有研究較少從建筑物規(guī)劃，工程運(yùn)行和環(huán)境保護(hù)的綜合角度進(jìn)行提升管理實(shí)踐的探究[8-9]。

廣州市南沙區(qū)南順排澇區(qū)是所在區(qū)域番順聯(lián)圍排澇問題最復(fù)雜的區(qū)域，目前僅靠水閘自排無法滿足區(qū)域內(nèi)的排澇要求，而且南順南閘建于1968年，閘門老化、破損嚴(yán)重，各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均不能滿足要求，急需全面更新改造或重建。本文以南順泵站改造工程為例，針對南順排澇片的農(nóng)田及居民的排澇問題，從建筑物型式規(guī)劃布置、工程運(yùn)行及管理和環(huán)境管理及保護(hù)的規(guī)劃管理角度進(jìn)行研究，以期通過科學(xué)、規(guī)范、系統(tǒng)的管理提升工程質(zhì)量，為完善區(qū)域防洪排澇體系提供一體化支撐。

1 工程概況

廣州市南沙區(qū)地處廣東省中南部，珠江三角洲腹地，位于穗港澳“小三角”的中心位置，總面積770.13 km2。根據(jù)《廣州市南沙區(qū)水利現(xiàn)代化綜合發(fā)展規(guī)劃報告》，南順泵站位于番順聯(lián)圍南順排澇片(內(nèi)含大滘涌和圍內(nèi)順德的區(qū)域)，南順排澇區(qū)包括靈山鎮(zhèn)區(qū)以東及大崗鎮(zhèn)所屬區(qū)域，主要包括靈山鎮(zhèn)區(qū)以東飄風(fēng)涌、大滘涌、中滘涌的控制區(qū)域，以及現(xiàn)狀大崗鎮(zhèn)(包括原大崗鎮(zhèn))所包括的全部區(qū)域，這也是潭洲瀝和大崗瀝的控制區(qū)域。該區(qū)域內(nèi)除大崗鎮(zhèn)區(qū)所在地有部分臺地外，其他區(qū)域地面高程大都在-0.7 m～0.7 m，番順聯(lián)圍內(nèi)地勢最高和地勢最低的區(qū)域都位于該控制區(qū)。

廣州市南沙區(qū)境內(nèi)有省屬氣象站市橋站一個，觀測項(xiàng)目有雨量、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向等。南順南閘、南順泵站上下游及鄰近地區(qū)有三善滘、南沙站等潮(水)位站。本地區(qū)沒有流量實(shí)測成果(僅有部分臨時測流斷面)。各潮位站概況見表1。

表1 各潮位站資料概況表

2 建筑物型式規(guī)劃布置

現(xiàn)南順南閘位于南沙區(qū)大崗鎮(zhèn)潭州瀝，距河口約200 m，另外在原南順?biāo)l左岸、大崗瀝出口前約300 m建有南順北閘，兩閘之間現(xiàn)狀為一天然洲頭。兩閘目前分別處在大崗瀝和潭州瀝的主河道上，閘外為上橫瀝水道。為不改變目前的河道流態(tài)，并且盡量減小征地拆遷的原則，重建南順南站仍然在原址重建。新建泵站則布置在兩閘之間的天然洲頭上。

2.1 水閘型式選擇

2.1.1 閘室結(jié)構(gòu)型式選擇

按泄流特點(diǎn)，水閘可分為開敞式、胸墻式、雙層式等基本型式；按堰流特性，可分為寬頂堰和實(shí)用堰等。兩者可組成多種閘型。根據(jù)工程規(guī)模分析，并根據(jù)類似工程類比，初擬閘室為5孔，單孔凈寬10 m。對于孔數(shù)較多、寬度較大的閘室，一般宜采用開敞式或胸墻式的結(jié)構(gòu)型式?？紤]排澇要求較高，推薦采用開敞式。對于閘室結(jié)構(gòu)有以下兩種方案：

(1)方案一：實(shí)用堰

實(shí)用堰型水流條件較好，但泄流能力受尾水位變化影響明顯，泄流能力不穩(wěn)定，且施工較復(fù)雜。

(2)方案二：寬頂堰

寬頂堰具有宣泄推移質(zhì)泥沙順暢，底板不易破壞、磨損，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，泄流能力穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但自由泄流時，流量系數(shù)小，容易產(chǎn)生波狀水躍

對于上述方案，由于本工程處在外江堤防上，水位變幅較大，采用寬頂堰型較為適宜。綜上所述，閘室結(jié)構(gòu)采用開敞式寬頂堰型閘室結(jié)構(gòu)。

2.1.2 水閘閘門及啟閉設(shè)備

根據(jù)樞紐工程任務(wù)，水閘有雙向擋水要求，可供選用的閘門有直升式平面閘門、平面定輪翻板式工作閘門或弧形閘門。直升式平面閘門通常采用鋼絲繩卷揚(yáng)啟閉機(jī)或豎缸液壓啟閉機(jī)啟閉，需設(shè)高排架啟閉機(jī)房或豎缸露在閘頂面，影響城市景觀，不適宜本工程位于規(guī)劃中的城市特點(diǎn)。對于閘門選擇有以下兩種方案

(1)方案一：弧形閘門

弧形閘門具有重量輕、受力條件好、比同跨度平面閘門要求的啟閉機(jī)容量小、啟閉機(jī)運(yùn)用靈活、不需設(shè)置門槽、過閘水流順暢等優(yōu)點(diǎn)。但與平板閘門相比，所需閘墩較平板門長，增加砼量，閘墩受到閘門推力作用，拉應(yīng)力集中，鋼筋用量較大；弧形門不能提出孔口，檢修維護(hù)不如平板門方便，閘門支座和部分支臂淹沒經(jīng)常處于水下等。

(2)方案二：平面定輪翻板式工作閘門

平面定輪翻板式工作閘門可以明顯降低啟閉機(jī)排架的高度，提高了建筑物抗震能力，減小了工程量，安裝閘門也較為方便，與弧形門相比具有閘墩短、結(jié)構(gòu)簡單、建筑物工程量小等優(yōu)點(diǎn)，但平面定輪翻板式工作閘門在運(yùn)行中存在一些問題，例如在開啟過程中底緣流態(tài)不太好，止水磨損過大等。

對于上述方案，本階段采用平面定輪翻板式工作閘門，采用固定卷揚(yáng)機(jī)啟閉。

2.2 泵站型式選擇

2.2.1 水泵型式選擇

南順泵站揚(yáng)程變化范圍為0.8～3.8 m，屬低揚(yáng)程范圍，采用軸流式水泵較為合適。軸流泵的特點(diǎn)是高比轉(zhuǎn)速、低揚(yáng)程、大流量，在低揚(yáng)程工況下輸送大流量液體時具有較高效率，可較好滿足水泵在低揚(yáng)程工況下運(yùn)行的需要。

水泵結(jié)構(gòu)型式有立式、臥式和斜式三種。臥式泵結(jié)構(gòu)簡單、檢修方便，但低揚(yáng)程臥式軸流泵吸水管路長，水力性能不理想，且效率較低，泵房平面尺寸較大，啟動前需充水，適用于進(jìn)水池水位變幅不大的場合；斜式泵流態(tài)較好，泵站效率高，安裝檢修較方便，但需專門的支撐結(jié)構(gòu)，電動機(jī)類型較特殊，施工安裝較困難，且土建及機(jī)電費(fèi)用較高；立式泵占地范圍較小，葉輪浸沒在水中，啟動方便，管路短，水頭損失小，電動機(jī)層較高，通風(fēng)防潮條件較好，對進(jìn)水池水位變幅適應(yīng)性較強(qiáng)，但土建結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜些。

綜合考慮，選用運(yùn)行可靠、技術(shù)成熟、費(fèi)用適中的立式軸流泵。

2.2.2 水泵臺數(shù)選擇

因本工程所屬排澇泵站的運(yùn)行工況隨降雨量的變化而變化，隨機(jī)性較強(qiáng)，流量變化幅度較大，泵站裝機(jī)臺數(shù)不宜太少，而裝機(jī)臺數(shù)多了，泵站水工投資將增加。為保證參數(shù)優(yōu)、運(yùn)行方式靈活、效益高的原則，針對本工程具體情況有提供以下兩種方案：

方案一：5臺機(jī)方案：1600ZLQ9-3.5立式全調(diào)節(jié)軸流泵，單泵設(shè)計流量9 m3/s。

方案二：6臺機(jī)方案：1400ZLB8-3.5立式半調(diào)節(jié)軸流泵，單泵設(shè)計流量7.5 m3/s。

(1)水泵性能比較

5臺機(jī)和6臺機(jī)方案水泵性能比較見表2。

表2 水泵主要性能比較表

根據(jù)水泵廠家提供的資料，1600ZLQ9-3.5立式全調(diào)節(jié)軸流泵和1400ZLB8-3.5立式半調(diào)節(jié)軸流泵的性能曲線分別見圖1和圖2。

圖1 1600ZLQ9-3.5型軸流泵工作性能曲線 圖2 1400ZLB8-3.5型軸流泵工作性能曲線

針對上述兩種方案，由5臺機(jī)和6臺機(jī)方案水泵性能參數(shù)可知，兩種泵的揚(yáng)程和流量均能滿足設(shè)計要求，在設(shè)計揚(yáng)程和最高揚(yáng)程之間，兩種泵均能在高效區(qū)運(yùn)行。但在相同工況下，5臺機(jī)方案的效率更高，且5臺機(jī)方案的高效區(qū)揚(yáng)程相對偏低，這更有利于平均揚(yáng)程時抽水。故從水泵性能方面來比選，應(yīng)推薦采用5臺機(jī)方案，即5臺1600ZLQ9-3.5立軸全調(diào)節(jié)軸流泵。

(2)泵站裝置效率比較

根據(jù)工程特征參數(shù)，參考同類工程，泵站裝置效率計算公式如下：

η站=η泵×η管×η池×η傳×η機(jī)

(1)

式中：水泵效率為η站為泵站效率；η泵為水泵效率；η管為管道效率；η池為水池效率；η傳為傳動效率；η機(jī)為電動機(jī)效率。

對于5臺機(jī)方案，當(dāng)H設(shè)=3.3 m時，Q=9 m3/s，水泵效率為η泵=85.7%。取傳動效率η傳=100%，η池=97%，η管=92%，電動機(jī)效率η機(jī)=92.2%，則泵站裝置效率η站為70.5%；對于5臺機(jī)方案，當(dāng)H設(shè)=3.3 m時，Q=7.5 m3/s，水泵效率為η泵=79.4%。取傳動效率η傳=100%，η池=97%，η管=93%，電動機(jī)效率η機(jī)=89.6%，則泵站裝置效率η站為64.2%。

由以上計算可知，采用5臺機(jī)方案和6臺機(jī)方案時，泵站的裝置效率均滿足規(guī)范要求(凈揚(yáng)程低于3 m時，泵站的裝置效率不低于60%)。但采用方案一時的泵站裝置效率明顯高于采用方案二時的泵站裝置效率。5臺機(jī)方案泵站裝置效率較優(yōu)。

(3)工程投資

6臺機(jī)方案工程投資較5臺機(jī)方案略高。

(4)運(yùn)行管理

本泵站以排澇為主，兼顧改善水環(huán)境，泵站年運(yùn)行小時數(shù)不高，5臺機(jī)方案運(yùn)行調(diào)度簡單，運(yùn)行費(fèi)用也較低。

(5)綜合比選

綜合比選如表3所示，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，選擇5臺機(jī)方案更合適，本工程推薦采用5臺機(jī)方案，水泵型號為1600ZLQ9-3.5的立式軸流泵。

表3 水泵選型綜合比選表

3 工程運(yùn)行及管理

工程管理是發(fā)揮工程效益的關(guān)鍵，只有加強(qiáng)和提高管理水平，才能充分發(fā)揮工程的綜合效益和潛在效益。尤其在平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，系統(tǒng)的工程只有實(shí)行系統(tǒng)的管理和長效管理，開展實(shí)時的調(diào)度，才能充分發(fā)揮群體工程的作用。

3.1 工程調(diào)度

當(dāng)番禺氣象臺天氣預(yù)報工程區(qū)1天后將要出現(xiàn)日雨量為120～250 mm以上的暴雨、大暴雨和特大暴雨時，南順?biāo)l在雨前低潮開閘預(yù)排，把閘下水位降低至至-0.5 m，以騰空涌容，關(guān)閘候雨，其他外江水閘群亦同時關(guān)閘運(yùn)行。暴雨來臨時，排澇區(qū)域內(nèi)雨洪下泄，河涌內(nèi)水位持續(xù)上漲，待外江水位低于內(nèi)涌水位時開閘搶排，當(dāng)涌內(nèi)水位低于-0.5 m時關(guān)閘；待外江水位高于內(nèi)涌水位時關(guān)閘，利用涌口泵站抽排，泵站起排水位設(shè)定為0.3 m，保證涌口水位不超過排水控制高程1.2 m。

3.2 工程觀測

工程安全觀測是工程管理的耳目，是保證工程安全，充分發(fā)揮工程效益的一項(xiàng)基本工作。在水閘管理工作中應(yīng)當(dāng)認(rèn)真執(zhí)行有關(guān)規(guī)定，“貫徹安全第一的方針”，高度重視安全監(jiān)測工作。

工程觀測主要包括：巡視檢查、日常觀測及資料分析、定期安全評估以及監(jiān)測系統(tǒng)和水情自動化系統(tǒng)的日常維護(hù)等各項(xiàng)工作。

3.2.1 人工巡視檢查

巡視檢查是安全監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)定期由熟悉工程并具有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員負(fù)責(zé)進(jìn)行。巡視檢查分為施工期人工巡視檢查和運(yùn)行期人工巡視檢查。每年在汛前、汛后以及發(fā)生有感地震后必須作巡視檢查。

3.2.2 水情自動化系統(tǒng)

南順泵站工程測報系統(tǒng)更新原則是：將根據(jù)現(xiàn)場通信線路的測試結(jié)果擬采用超短波通信方式為數(shù)據(jù)傳輸主信道，公用程控電話(PSTN)通信網(wǎng)為備用信道。系統(tǒng)改造后，將滿足洪水預(yù)報以及為工程運(yùn)行調(diào)度提供依據(jù)。

4 環(huán)境管理及保護(hù)

環(huán)境管理是工程管理的一部分，是工程環(huán)境保護(hù)工作有效實(shí)施的重要環(huán)節(jié)。環(huán)境管理的目的在于保證工程各項(xiàng)環(huán)境保護(hù)措施的順利實(shí)施，使工程興建對環(huán)境的不利影響得到控制或減免，促進(jìn)工程地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境相互協(xié)調(diào)的良性發(fā)展。

4.1 環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測的目的是做好工程區(qū)的環(huán)境保護(hù)工作，及時掌握施工期廢水、廢氣、噪聲、棄渣產(chǎn)生及排放情況，施工期評價環(huán)境質(zhì)量，預(yù)防突發(fā)性污染事故對環(huán)境的危害，為工程區(qū)的環(huán)境保護(hù)及污染控制、環(huán)境監(jiān)理和環(huán)境管理提供科學(xué)的依據(jù)。包括：水質(zhì)監(jiān)測、環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測、噪聲監(jiān)測和人群健康監(jiān)測等。

4.2 環(huán)境保護(hù)

環(huán)境保護(hù)主要采用水環(huán)境保護(hù)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、人群健康保護(hù)等措施。

4.2.1 水環(huán)境保護(hù)

施工人員產(chǎn)生的生活污水中含有的主要污染物為BOD5、COD和總磷，由于本區(qū)市政管網(wǎng)建設(shè)較滯后，無專用污水排放管網(wǎng)和設(shè)施，故施工及管理人員生活廢水須經(jīng)過處理后可用于農(nóng)灌，禁止排入河道。

4.2.2 生態(tài)環(huán)境保護(hù)

本工程對生態(tài)環(huán)境的影響主要是工程建設(shè)引起的水土流失。要求施工單位嚴(yán)格執(zhí)行《中華人民共和國水土保持法》，科學(xué)安排，加強(qiáng)監(jiān)管，嚴(yán)格按施工組織設(shè)計進(jìn)行施工，避免亂挖亂堆。在主體工程施工區(qū)進(jìn)行基坑開挖和回填，遇到雨天時，可采用塑料薄膜對裸露面進(jìn)行防護(hù)，減少徑流沖刷侵蝕，并及時進(jìn)行基坑排水。

4.2.3 人群健康保護(hù)

為防止施工人員將傳染性疾病帶入施工區(qū)，在施工人員進(jìn)場前進(jìn)行衛(wèi)生檢疫，項(xiàng)目主要包括傳染性肝炎、肺結(jié)核、流腦、瘧疾等傳染病流行性疾病，限制傳染病患者進(jìn)入施工區(qū)，切斷傳染病的傳染源。

針對工地就餐集中特點(diǎn)，應(yīng)加強(qiáng)對施工區(qū)食堂的衛(wèi)生監(jiān)督與管理，保證飲食的清潔衛(wèi)生。生活用水執(zhí)行國家《生活飲用水衛(wèi)生監(jiān)督管理辦法》和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)。

5 結(jié)語

本文以南順泵站改造工程為研究背景，從建筑物型式規(guī)劃布置、工程運(yùn)行及管理和環(huán)境管理及保護(hù)的規(guī)劃管理角度進(jìn)行研究論述，結(jié)果顯示：

(1)采用5臺機(jī)方案和6臺機(jī)方案，泵站的裝置效率均滿足規(guī)范要求，但采用5臺機(jī)時的泵站裝置效率明顯高于采用6臺機(jī)時的泵站裝置效率，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較，選擇5臺機(jī)方案更合適。

(2)工程管理是發(fā)揮工程效益的關(guān)鍵，加強(qiáng)和提高管理水平，有助于充分發(fā)揮工程的綜合效益和潛在效益。

(3)泵站的建設(shè)大大改善了本區(qū)的水環(huán)境，對整個環(huán)境是有利的。其充分結(jié)合城市景觀的需要，了改變一江兩岸的自然風(fēng)光，美化了城市環(huán)境。