纜車式取水泵站在施工取水中的應(yīng)用研究

青志鵬,劉 含,趙 亮

(1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司,成都 610213;2.中國(guó)融通資產(chǎn)管理集團(tuán)有限公司,成都 610014)

水電站建設(shè)過程中會(huì)需要大量的施工用水及營(yíng)地生活用水,建設(shè)方往往會(huì)就近在江河中取水處理后使用。大的江河水位變幅可在10 m以上,而大壩興建過程中,隨著施工的推進(jìn)和壩體的逐步建成,水位變化更大。大壩建設(shè)期用水多為不超過10 a的臨時(shí)性用水,拌合澆筑等施工用水量較大,且具有施工用水水質(zhì)要求不高等特點(diǎn)。興建豎井式泵站等永久構(gòu)筑物存在投資大且工期較長(zhǎng),圍堰施工復(fù)雜,后期高水位運(yùn)行檢修不便等問題,應(yīng)用纜車式泵站代替豎井式泵站則投資小,運(yùn)行靈活、機(jī)動(dòng)性強(qiáng),后期維修管理較容易[1],優(yōu)勢(shì)明顯。

1 工程概況

巴基斯坦迪亞梅爾巴沙大壩壩址位于吉拉斯鎮(zhèn)下游約40 km處的印度河上,塔貝拉大壩上游約315 km,距伊斯蘭堡約440 km,位于開伯爾-普赫?qǐng)D赫瓦省和吉爾吉特-巴爾蒂斯坦省的邊界。巴沙大壩由一座272 m高的混凝土重力壩和在印度河兩側(cè)修建兩個(gè)大型地下發(fā)電廠組成,裝機(jī)容量為2250 MW,具有蓄水、防洪及發(fā)電等多項(xiàng)功能。該項(xiàng)目被稱為巴基斯坦的“三峽”,建成后將大大促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展,改善當(dāng)?shù)孛裆?/p>

本工程為巴沙大壩施工配套項(xiàng)目的2號(hào)施工供水系統(tǒng),為大壩建設(shè)提供相應(yīng)的施工及生活用水。巴沙大壩的建設(shè)過程中,根據(jù)工藝設(shè)計(jì)要求在大壩的上下游設(shè)置了多個(gè)施工工區(qū)及生活營(yíng)地,均需要用水,其中的混凝土拌合澆筑等用水量較多。2號(hào)施工供水系統(tǒng)位于壩區(qū)上游,其日施工用水量約5.5萬(wàn)m3。本工程通過纜車式泵站取水,并分質(zhì)凈化處理后,分別為施工及生活區(qū)提供用水。

2 方案比較與泵站選址

2.1 沖溝取水(方案一)

考慮利用附近沖溝修筑攔水壩取水。根據(jù)對(duì)項(xiàng)目周邊多條可供取水的沖溝現(xiàn)場(chǎng)踏勘,均存在著水量不穩(wěn)定,夏季暴雨導(dǎo)致水質(zhì)泥沙含量較高,缺乏相關(guān)水文資料,總用水量不一定能滿足施工用水需求,且取水離項(xiàng)目點(diǎn)均有較遠(yuǎn)距離等各種不利條件,但也有非汛期水質(zhì)相對(duì)較好,能實(shí)現(xiàn)重力流供水等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)中將本方案作為備用水源考慮。

2.2 印度河建取水構(gòu)筑物(方案二)

考慮在印度河岸邊修筑固定的取水構(gòu)筑物。根據(jù)項(xiàng)目工期對(duì)應(yīng)印度河水位高程變化表顯示(詳見表1),項(xiàng)目的第7年開始,隨著大壩攔水完成,大壩上游水位將迅速地抬高60 m以上,而第8年則能上漲一百多米,若一開始就修建超百米高的取水塔則存在著投資過高、地質(zhì)條件要求高、施工復(fù)雜、工期較長(zhǎng)、后期檢修維護(hù)不便等問題。尤其是攔水后水位上漲幾十上百米,取水塔下部靜水壓力大,之前鋪設(shè)的管道埋于水下無(wú)法檢修。而分兩次在不同高程處修建取水塔則投入較大,經(jīng)濟(jì)性較差。

表1 項(xiàng)目地印度河水位高程變化

2.3 印度河建纜車式取水泵站(方案三)

考慮在印度河岸邊修筑纜車式取水泵站。纜車式泵站的特點(diǎn)是:隨著河水位的漲落,泵車由絞車通過鋼絲繩牽引可以沿著坡道上下移動(dòng),保證泵車不被水淹,并能取到含沙量較少的表層水。同時(shí)水下施工簡(jiǎn)單,工程造價(jià)低,各單位裝機(jī)造價(jià)約為固定式泵站的一半[2]。針對(duì)后期庫(kù)區(qū)攔水完成后水位大幅上升的問題,纜車式泵站也能方便快捷地完成拆卸和移位到高處進(jìn)行二次使用,投資將大大減少,對(duì)工程建設(shè)來(lái)說(shuō)是非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。

2.4 最終選址確認(rèn)

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265-2010)及《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)(第3冊(cè))》中對(duì)纜車式取水泵站的相關(guān)要求,選址應(yīng)選擇:(1)宜選在主流近岸、水流較平穩(wěn)且河床穩(wěn)定的河段,避免建設(shè)在水深不足、沖淤比較嚴(yán)重的地方,岸邊水深不應(yīng)小于1.2 m;(2)避免在回水區(qū)或在岸坡凸出地段的附近布置纜車道,以防淤積;(3)纜車坡道面宜與原岸坡接近,河床比較穩(wěn)定,河岸工程地質(zhì)條件較好,且岸坡有適宜的傾角(一般在10 °～28 °);(4)漂浮物少,且不易受漂木、浮筏或船只的撞擊。其中,岸坡傾角選擇上很多人往往沒有重視并理解透徹,本工程纜車上的水泵是自吸式水泵,泵軸線標(biāo)高高于吸水液位,水泵運(yùn)行主要利用水泵自身吸程。當(dāng)岸坡傾角較高時(shí),纜車的水泵離車底的吸水液位必然就高,而需要選擇低NPSHr泵型以免發(fā)生氣蝕現(xiàn)象導(dǎo)致水泵的損壞。目前各水泵的允許吸上真空高度往往都小于6 m,尤其根據(jù)項(xiàng)目所需流量、揚(yáng)程參數(shù)選型后可選面就更小,當(dāng)小車選址的坡度大了,隨著水位的上升,就必須被動(dòng)的頻繁移動(dòng)小車,這對(duì)后期運(yùn)行是非常不利的。因此在選址時(shí)應(yīng)盡量尋找傾角小于28 °的岸坡布置。

經(jīng)過上述對(duì)比,結(jié)合對(duì)印度河水文資料的分析,本次巴沙大壩施工用水工程的取水工程選擇在大壩上游印度河右岸一處河道相對(duì)順直,岸坡傾角約27 °的岸邊施工,采用纜車式取水泵站的形式取水,取水加壓輸送到施工營(yíng)地附近的水處理構(gòu)筑物進(jìn)行處理。

3 纜車式取水泵站的設(shè)計(jì)

3.1 纜車設(shè)備的總體布置

巴沙大壩2號(hào)施工供水工程的取水頭部采用的纜車式泵站平面布置見圖1。經(jīng)綜合分析,取水頭部設(shè)兩組滑道,并相對(duì)于坡道中心對(duì)稱布置?；啦捎眯睒蚴?單組滑道寬度為8.9 m,軌道間距約為6.5 m;兩組滑道并列布置,滑道中心線的間距為12.3 m;軌道基礎(chǔ)采用混凝土條形基礎(chǔ),條形基礎(chǔ)平面尺寸長(zhǎng)度×寬度=18.6 m×0.5 m,條形基礎(chǔ)中心線水平間距為5 m。

圖1 泵站平面布置

泵車安裝在斜坡道的軌道上,絞車安裝在坡岸上的卷?yè)P(yáng)機(jī)房?jī)?nèi)。絞車的鋼絲繩通過導(dǎo)向滑輪組與泵車連成一體。泵站的兩條供水干管設(shè)置在兩臺(tái)泵車的中間[3],上設(shè)叉管18個(gè),電纜鋪設(shè)在泵車外側(cè)。為防止鋼絲繩、電纜與坡道摩擦,坡道上設(shè)置了鋼絲繩托輥及電纜滑動(dòng)支架,托輥間距約為15 m,電纜滑動(dòng)支架102個(gè)。

每臺(tái)泵車上布置3臺(tái)工作水泵和1臺(tái)真空泵組,3臺(tái)工作水泵采用“一反兩正”的布置方式,以縮小泵車的平面尺寸[3]。水泵的電機(jī)功率最大為110 kW,真空泵用于工作泵啟動(dòng)時(shí)對(duì)進(jìn)水管段進(jìn)行抽真空。泵車由電纜供電,電纜由卷?yè)P(yáng)機(jī)房的電纜卷筒引出,經(jīng)坡道上的電纜托架與泵車上的水泵機(jī)組連接。電纜卷筒和纜車的電控設(shè)備均布置在纜車機(jī)房?jī)?nèi)。

整個(gè)取水頭部采用1000 kVA箱變,其主要負(fù)荷:小車上五用一備的110 kW變頻控制水泵6臺(tái),5 kW真空泵2臺(tái),40 kW纜車卷?yè)P(yáng)機(jī)2臺(tái),5 kW電纜卷?yè)P(yáng)機(jī)2臺(tái),另包含各室內(nèi)照明、插座等,用電設(shè)備工作容量約為650 kW,同時(shí)無(wú)功補(bǔ)償至功率因數(shù)0.9以上時(shí),負(fù)載率約72.2 %。

3.2 泵車與泵房的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.2.1 泵車與泵房設(shè)計(jì)布置

單個(gè)泵車的平臺(tái)尺寸為6.5 m×4.8 m,采用角鋼及H型鋼焊接,泵車設(shè)置剎車減震裝置和擋板固定設(shè)施。泵站為輕便型泵車,減少電氣設(shè)備及檢修占用空間,從而縮小泵車的平臺(tái)尺寸、軌距和卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引力,降低工程造價(jià)[4]。運(yùn)行時(shí),將泵車固定于一定的水位運(yùn)行,若印度河水位發(fā)生變化后,需停機(jī)將泵車拖到新的合適水位再運(yùn)行。泵車的移動(dòng)通過布置于河岸上的纜車房來(lái)實(shí)現(xiàn),整個(gè)纜車房為框架式結(jié)構(gòu),包含纜車房、配電房、檢修房、管理房。水泵進(jìn)口、出口(逆止閥后)鋼管內(nèi)水體的重量、水泵及電機(jī)自重、底閥自重、泵車自重等,都要計(jì)入泵車的穩(wěn)定平衡、絞車牽引力的計(jì)算中。

考慮到泵車的重量較大,運(yùn)行重量約為10 t。當(dāng)泵車移動(dòng)時(shí)對(duì)絞盤機(jī)功率要求較大,故設(shè)計(jì)時(shí)利用動(dòng)滑輪的傳動(dòng)方式,在纜車上設(shè)計(jì)滑輪,將力分散。泵車平面布置見圖2,纜車立面布置見圖3。

圖2 泵車平面布置

圖3 纜車立面布置

3.2.2 纜車的安全保護(hù)裝置

在泵站后期使用運(yùn)行中,隨著汛期、枯水期的水位大幅變化,泵車需要上下移動(dòng)以免被淹沒或吸不到水。泵站移動(dòng)過程中安全問題是非常重要的,一旦發(fā)生突發(fā)事故都將帶來(lái)非常嚴(yán)重的后果。為防止纜車在運(yùn)行中的突發(fā)事故,設(shè)計(jì)考慮給纜車設(shè)置安全保護(hù)裝置。首先,在軌道終端設(shè)置車擋,安裝在軌道最下部的車擋,可以防止泵車低水位取水時(shí)下放失控而落入河中;其次,設(shè)置了活動(dòng)車擋,泵車長(zhǎng)時(shí)間在一個(gè)高程位置運(yùn)行,靜止不動(dòng)時(shí),減小卷?yè)P(yáng)機(jī)負(fù)荷,防止鋼絲繩長(zhǎng)期緊繃或檢修滑輪、鋼絲繩的時(shí)候用[3]。使用時(shí)將活動(dòng)車擋放置在車輪下坡方向前端,并擰緊螺絲使其緊固在軌道上。同時(shí)需加強(qiáng)對(duì)操作人員的管理要求,移動(dòng)泵車時(shí)必須先停泵排水,斷開水泵出管與主管的連接后方能啟動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)。

3.3 軌道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

纜車坡道是鋪設(shè)泵車軌道、輸水管道及電纜的場(chǎng)地,供泵車工作運(yùn)行的場(chǎng)所。在布置坡道時(shí),坡道下端必須伸入到枯水位以下才能滿足泵車在枯水位時(shí)期正常運(yùn)轉(zhuǎn);坡道的上端應(yīng)設(shè)置在滿足泵車安全的最高洪水位以上,當(dāng)最高洪水位來(lái)臨時(shí)仍能進(jìn)行工作。斜坡式坡道面一般要高出岸坡地面0.5 m左右,并設(shè)置了防沖襯砌。尤其是在含沙量較高的河流上砌護(hù)要平整,防止落淤。纜車的重量約為10 t,其移動(dòng)過程中對(duì)軌道的受力同時(shí)具有較大的橫向移動(dòng)力和軸向力,存在著軌道滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)上述問題,設(shè)計(jì)考慮在軌道下設(shè)置錨桿,將平臺(tái)穩(wěn)住。

3.4 纜車機(jī)房抗滑錨固設(shè)計(jì)要點(diǎn)

由定滑輪+動(dòng)滑輪組合連接的方案較好地降低了絞盤機(jī)功率大的問題,但纜車的重量約為10 t,仍然較重,對(duì)攬機(jī)同時(shí)具有較大的橫向移動(dòng)力和軸向力,存在著攬機(jī)平臺(tái)被拉走或掀翻的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)上述問題,設(shè)計(jì)考慮在纜機(jī)房下設(shè)置一個(gè)較厚的混凝土敦,將平臺(tái)穩(wěn)住。

3.5 泵車出水管道接管設(shè)計(jì)

泵車上水泵出水主管通過活動(dòng)的接頭管與軌道上輸水主管的叉管相連接,并通過輸水管送至下一個(gè)構(gòu)筑物。接管方式的選擇,是否合適及正確將會(huì)很大程度影響到泵車的后期運(yùn)行。

本工程的設(shè)計(jì)輸水量是5.5萬(wàn)m3/d,輸水管道為管徑DN700的焊接鋼管,設(shè)計(jì)采用的是在泵車出水管接主輸水管端做活動(dòng)接頭,由兩個(gè)活動(dòng)法蘭接管和一個(gè)彎管組成,將法蘭橡膠軟連接裝在彎管兩端以方便連接。裝有法蘭橡膠軟連接管除可小幅旋轉(zhuǎn)外,軸向還可微動(dòng)伸縮,以便于安裝調(diào)整,還能在水泵運(yùn)行中起到一定的緩沖抗震動(dòng)的作用。

4 纜車的運(yùn)行

工程投入使用后,根據(jù)實(shí)際用水量需要,兩臺(tái)纜車上的6臺(tái)水泵由控制柜控制啟停,可單獨(dú)運(yùn)行,也可同時(shí)運(yùn)行。可以僅一臺(tái)纜車的水泵運(yùn)行也可以兩臺(tái)纜車的水泵全部同時(shí)運(yùn)行。當(dāng)印度河水位發(fā)生較大變化時(shí),需暫時(shí)停泵將水放空,待纜車運(yùn)行到避免洪水淹沒、并能保證水泵穩(wěn)定可靠運(yùn)行的高程后,重新接入輸水管后再次運(yùn)行。

在未來(lái)水庫(kù)蓄水以后,可根據(jù)新的建設(shè)要求在合適的高程處重新建設(shè)軌道,將纜車泵站移至高平臺(tái)后繼續(xù)使用。屆時(shí)可根據(jù)新的工況條件更換流量揚(yáng)程降低后重新選型的小水泵,大大節(jié)約了運(yùn)行費(fèi)用。

5 結(jié)語(yǔ)

因修建大壩造成印度河水位變幅大,興建固定式泵站地質(zhì)條件要求高,建設(shè)投資大,周期長(zhǎng),水泵常期固定在高揚(yáng)程下運(yùn)行費(fèi)用高,蓄水后檢修維護(hù)也很麻煩。本工程所采用的纜車式取水泵站很好地解決了上述問題。具有建設(shè)投資少、運(yùn)行成本低、靈活機(jī)動(dòng)等特點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)方案能為項(xiàng)目部前期投入及后期運(yùn)營(yíng)節(jié)約很高的成本,纜車式取水泵站在施工臨時(shí)取水工程中有著廣闊的應(yīng)用前景,其經(jīng)驗(yàn)可供類似工程設(shè)計(jì)借鑒。