小型水利工程提水方案設(shè)計(jì)

李新穎，楊銳婷

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

1 引言

云貴地區(qū)降雨量充沛，水資源豐富，水系發(fā)達(dá)，同時(shí)西南地區(qū)地貌復(fù)雜多變，地形起伏較大，受喀斯特地貌分布影響，貴州地理環(huán)境片段化嚴(yán)重。特別是農(nóng)村聚落零散分布，村鎮(zhèn)多處于各水系的中上游地區(qū)，人高水低，從而導(dǎo)致生活生產(chǎn)用水困難且難以保障，從而制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)。充分利用地域水資源，解決農(nóng)村及村鎮(zhèn)供水難題，對(duì)快速推進(jìn)當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)化、工業(yè)化、農(nóng)業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程，加快社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)步伐、實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略有著極其重要的意義。

2 工程概況

此工程位于貴州省畢節(jié)市赫章縣境內(nèi)，水庫(kù)工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為?。?）型，水庫(kù)校核洪水位2 002.90 m，總庫(kù)容232萬(wàn)m3，正常蓄水位2 000 m，相應(yīng)庫(kù)容201萬(wàn)m3，死水位1 979 m，死庫(kù)容50.80 萬(wàn)m3，興利庫(kù)容150.20 萬(wàn)m3，水庫(kù)具有多年調(diào)節(jié)性能。根據(jù)人口預(yù)測(cè)結(jié)果和定額取值進(jìn)行需水量計(jì)算，至設(shè)計(jì)水平年2035 年，可滿足本地區(qū)需水量合計(jì)151 萬(wàn)m3。輸水管道起點(diǎn)為壩后泵房起點(diǎn)，場(chǎng)坪高程為1 960 m，供水終點(diǎn)為已建現(xiàn)有水廠，場(chǎng)坪高程為2 325 m，輸水起點(diǎn)與終點(diǎn)高差約為365 m，管道總長(zhǎng)度約4 657 m。

3 泵站設(shè)計(jì)

水泵類型通常根據(jù)地區(qū)特點(diǎn)和泵站的性質(zhì)來(lái)選擇。此工程為供水泵站，揚(yáng)程較高，宜選用離心泵。水泵的結(jié)構(gòu)形式選擇有立式和臥式兩種，由于泵站位置在庫(kù)外壩后、通過(guò)有壓管道進(jìn)行取水，所以水泵的型式宜選臥式。對(duì)應(yīng)泵站的布置型式為地面式，所以推薦泵站型式為壩后地面式泵站。

泵站裝機(jī)臺(tái)數(shù)與泵站的設(shè)計(jì)流量和揚(yáng)程的變化幅度以及年運(yùn)行小時(shí)數(shù)有關(guān)，流量變化幅度大和年運(yùn)行小時(shí)數(shù)高的泵站，臺(tái)數(shù)宜多，流量比較穩(wěn)定和年運(yùn)行小時(shí)數(shù)低的泵站，臺(tái)數(shù)宜少，主泵臺(tái)數(shù)可為1至4臺(tái)，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)高的泵站，至少設(shè)有一臺(tái)備用；年運(yùn)行小時(shí)數(shù)低的泵站，可不設(shè)備用。

此泵站為高揚(yáng)程泵站，其主要任務(wù)為農(nóng)村人飲供水，供水流量0.06 m3/s。由于此泵站的年利用小時(shí)數(shù)都較高，其可靠性要求也較高。根據(jù)泵站運(yùn)行的靈活性和機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性要求，宜設(shè)置一臺(tái)備用機(jī)組，在水泵機(jī)組臺(tái)數(shù)選擇時(shí)，初步擬定了設(shè)兩臺(tái)工作泵加一臺(tái)備用泵和設(shè)一臺(tái)工作泵加一臺(tái)備用泵兩種方案進(jìn)行比選，即擬定水泵臺(tái)數(shù)為：2工作1備用共3臺(tái)機(jī)組為方案一，1工作1備用共2臺(tái)機(jī)組為方案二，進(jìn)行臺(tái)數(shù)比選。

①綜合投資比較：方案一的綜合投資比方案二的綜合投資省38萬(wàn)元；年運(yùn)行耗電成本方案一為183萬(wàn)元比方案二的177萬(wàn)元，耗電成本增加6萬(wàn)元。方案一的投資、運(yùn)行成本均較優(yōu)。

②運(yùn)行調(diào)度靈活性及管理要求方面比較：主泵臺(tái)數(shù)多則運(yùn)行調(diào)度靈活性較好、工程投資較多；主泵臺(tái)數(shù)少則運(yùn)行調(diào)度靈活性下降、工程投資較省。其運(yùn)行靈活性方案二略優(yōu)，電機(jī)電壓等級(jí)為380V，兩種方案的防護(hù)及管理要求均不高。

通過(guò)以上綜合比較，初步推薦方案一為初選方案：即水泵機(jī)組臺(tái)數(shù)為3臺(tái)（2用1備）。

4 輸水管道水力學(xué)及結(jié)構(gòu)計(jì)算

由于此工程的總體落差較大，管徑的選取主要考慮沿程及管材承壓能力，并保證末端水池有一定的富余水頭。根據(jù)現(xiàn)狀地形，初步計(jì)算管道管徑。

管徑根據(jù)下式計(jì)算：

式中：d—管道的計(jì)算內(nèi)徑，mm；Q—管道的計(jì)算流量，m3/s；V—管道內(nèi)水的經(jīng)濟(jì)流速。

根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，輸水管道總水頭損失可按下式計(jì)算：

式中：hz—管道總水頭損失，m；hy—管道沿程水頭損失，m；hj—管道局部水頭損失，m。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于長(zhǎng)管道，按沿程水頭損失的10%進(jìn)行估算。

沿程水頭損失hy=il

式中：i—單位管長(zhǎng)水頭損失m/m；L—計(jì)算管段長(zhǎng)度m；q—設(shè)計(jì)流量m3/s；Ch—海曾-威廉系數(shù)m3/s，金屬管道取120。

根據(jù)表1 計(jì)算結(jié)果，在設(shè)計(jì)流量輸水條件下，各管段末端節(jié)點(diǎn)均具有一定的富余水頭，且超過(guò)2 m，能滿足有壓輸水要求。

表1 管道水頭損失計(jì)算表

5 管道結(jié)構(gòu)計(jì)算

在此設(shè)計(jì)中，管材為Q235 鋼管，根據(jù)《灌溉與排渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》管道壁厚采用下列公式：

式中：δ—鋼管管壁計(jì)算厚度，mm；p—設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力，MPa，根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》，當(dāng)管道采用鋼管時(shí)，設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力=最大工作壓力+0.5≥0.9；［σ］—鋼材允許應(yīng)力，Q235（GB/T700）為0.55×235 MPa；Ф—焊縫系數(shù)，單面焊時(shí)取Ф=0.90；C—銹蝕余量，取C=2 mm；

通過(guò)計(jì)算，得到鋼管的計(jì)算厚度為9.20 mm，在此設(shè)計(jì)中最大選用的壁厚為10 mm。由于管道在起點(diǎn)壓力較大，末端壓力較小，因此從經(jīng)濟(jì)角度的考慮，當(dāng)管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力小于2.50 MPa時(shí)，采用壁厚為8 mm的鋼管，當(dāng)管道設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力大于等于2.50 MPa時(shí)，采用壁厚為10 mm的鋼管。

提水工程運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算

泵站的年運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算按下式計(jì)算：

式中：f—單位電價(jià)，元/（kw·h），取0.87；ρ—水的密度，kg/m3；g—取9.8 N/kg；H—水泵的揚(yáng)程，m 考慮泵站內(nèi)部水損及富余水頭，水泵的揚(yáng)程為372.92 m；t—泵站的年運(yùn)行小時(shí)數(shù)，h，按24 h全天運(yùn)行計(jì)算；η—機(jī)組的效率，取0.9。

通過(guò)計(jì)算，得到泵站的每年運(yùn)行費(fèi)用為164.96 萬(wàn)元，取折現(xiàn)率為0.8，根據(jù)《水利水電工程合理使用年限及耐久設(shè)計(jì)規(guī)范》，泵站的合理使用年限為50年，此工程的泵站系統(tǒng)50年的總費(fèi)用現(xiàn)值為2 018.04 萬(wàn)元，土建投資159.25 萬(wàn)元，管材投資約220.28萬(wàn)元，總費(fèi)用現(xiàn)值約2 397.57萬(wàn)元。

6 結(jié)論

貴州地形復(fù)雜，村落分散，為解決貴州赫章縣三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)及一個(gè)村落24 933人的生活用水問(wèn)題，但由水源位于供水終端下游，水源與供水終端凈揚(yáng)程約350 m，需通過(guò)泵站提水方可實(shí)現(xiàn)供水需求。

影響工程投資的因素很多，文章通過(guò)對(duì)泵站設(shè)計(jì)、水力學(xué)、管道結(jié)構(gòu)及泵站運(yùn)行費(fèi)用等方面進(jìn)行系統(tǒng)分析及計(jì)算，得到初步的工程估算。在長(zhǎng)距離管道的設(shè)計(jì)中，還應(yīng)對(duì)管徑及泵站進(jìn)行多方案分析，在滿足技術(shù)要求的同時(shí)，充分地利用地形條件，減少管道投資及泵站的運(yùn)行費(fèi)用，使工程效益最大化。