高揚程水泵止推墩的設(shè)計及應(yīng)用

孫 路

（上海勘測設(shè)計研究院 200434）

1 前言

五號溝泵站是上海市青草沙水源地原水工程三大主體工程之一——陸域輸水管線及增壓泵站工程的重要組成部分，為青草沙水源地原水工程的心臟，是2010年上海世博會配套工程及上海市“十一五”重點項目，為目前亞洲第一、世界第二的原水輸水型泵站。五號溝泵站工程輸水規(guī)模為708萬m3/天，分別直接向下游嚴(yán)橋泵站、凌橋水廠以及金海泵站等方向輸水。其主要特點是水泵揚程高、輸水規(guī)模大。

2 水泵布置

泵站基本布置為：過江管輸送的水流進(jìn)站后經(jīng)配水井、配水渠及配水孔側(cè)向進(jìn)入前池。配水渠采用燕尾形平面對稱布置，渠底高程-18.00m，兩側(cè)各對稱布置3個前池，呈對稱布置。每個前池向4臺水泵配水，前池呈平面擴(kuò)散形，擴(kuò)散角均為40°，池底高程均為-18.00m。每臺水泵均單獨設(shè)進(jìn)水池，以隔墩分隔。

五號溝泵站泵房內(nèi)共布置24臺立式井筒混流泵，水泵具有揚程高、單泵流量大、泵軸長的特點。平面布置為東、西兩座泵房（見圖1），每座泵房布置12臺水泵。西側(cè)泵房布置12臺向嚴(yán)橋方向輸水的水泵，東側(cè)泵房分別布置7臺向金海、南匯方向及5臺向凌橋方向輸水的水泵，具體布置如下。

a.嚴(yán)橋方向。輸水規(guī)模440萬m3/天，選用12臺立式混流泵，10用2備，單泵流量19617m3/h，水泵揚程67.6m。

b.凌橋方向。非咸潮期輸水規(guī)模60萬m3/天，咸潮期輸水規(guī)模70.4萬m3/天。選用5臺立式混流泵，4用1備，單泵流量7847m3/h，水泵揚程70.7m。

c.金海方向。輸水規(guī)模208萬m3/天，選用7臺立式混流泵，5用2備，單泵流量18547m3/h，水泵揚程35m。

3 作用在水泵出水管上的水柱推力

3.1 作用在出水管上的水柱推力

高揚程水泵啟動方式一般為閉閥空載啟動，當(dāng)水泵流量為零時，開啟壓力鋼管上的閥門。在閥門還沒有開啟以前，由于水泵不停地打壓供水，使閥門與水泵之間的壓力管內(nèi)不斷升壓，閥門所承受的壓力不斷增加，直至零流量時達(dá)到最高閉閥揚程。閥門承受的壓力通過管道作用于泵體，產(chǎn)生水柱推力。由于閉閥啟動時產(chǎn)生的水柱推力較大，是水泵受力的最不利工況。

3.2 水柱推力計算

水泵啟動時產(chǎn)生的水柱推力按下式計算：

式中D——閥門處壓力鋼管內(nèi)徑，m；

p——水泵啟動時的水壓力，kN/m2。

嚴(yán)橋方向輸水水泵設(shè)計揚程67.6m，出水管管徑1.6m，模型水泵試驗表明：100%轉(zhuǎn)速時零流量（即閉閥空載啟動，下同）的揚程大于95m，為該水泵最高揚程，按95m計算，該泵閉閥啟動時產(chǎn)生的水柱推力為1910kN；凌橋方向輸水水泵設(shè)計揚程67.6m，出水管管徑1.2m，其100%轉(zhuǎn)速時零流量的揚程大于102m，為該水泵最高揚程，按102m計算，該泵閉閥啟動時產(chǎn)生的水柱推力為1154kN。

3.3 水泵制造要求

圖1 五號溝泵站泵房平面布置圖

五號溝泵站水泵制造廠提出，在機(jī)組閉閥啟動時，最大將產(chǎn)生約2000kN水柱推力作用水泵泵體，要求在水柱推力作用下該節(jié)出水管及水泵泵體水平位移小于1mm。水泵制造廠提出的允許位移條件很苛刻，在水泵基礎(chǔ)設(shè)計中除考慮平衡和承受水平水柱推力外，還需避免水柱推力導(dǎo)致泵體產(chǎn)生位移，如位移數(shù)值超過機(jī)組固定部分和轉(zhuǎn)動部分的間隙，會使水泵機(jī)組發(fā)生振動，影響機(jī)組的正常運行。

4 五號溝泵站水泵安裝條件

五號溝泵站選用24臺立式井筒混流泵，泵房典型剖面見圖2（以嚴(yán)橋方向泵房為例）。水泵支座位于2.75m高程面上，為梁式支座，水泵電機(jī)及轉(zhuǎn)動部分安裝在支座上，水泵固定部分即井筒懸掛在支座上，井筒長度約16.25m。水泵出水管位于-2.60m高程面上，從進(jìn)水到出水方向依次為一節(jié)雙法墻管、閥門、一節(jié)單法墻管，之后接到室外出水管線上。雙法墻管一端通過傳力補(bǔ)償接頭與水泵泵管連接，一端通過限位補(bǔ)償接頭與閥門連接，并穿過泵房中隔墻，據(jù)初設(shè)報告，該段雙法墻管與中隔墻剛性連接。

圖2 泵房剖面圖

按此結(jié)構(gòu)安裝水泵，在水泵閉閥空載啟動時，出水管處受水柱推力作用，該推力通過泵管傳至中隔墻再到水泵井筒，因推力較大，嚴(yán)橋方向水泵推力計算值約2000kN，將使中隔墻產(chǎn)生撓曲變形，出水管與中隔墻剛性連接，再進(jìn)一步帶動水泵井筒產(chǎn)生位移。水泵井筒為懸臂結(jié)構(gòu)，除自身固定于2.75m高程水泵支座外，再沒有其他與中隔墻固定的措施，其本身可承受較大豎向力，但在水平力作用下更易產(chǎn)生撓曲變形。經(jīng)計算，水柱推力使水泵出水管及中隔墻產(chǎn)生的水平位移約為1.6mm，因水泵出水管與中隔墻及水泵井筒均為剛性連接，亦即使水泵固定部分——水泵井筒產(chǎn)生的位移不小于1.6mm。中隔墻撓曲變形在規(guī)范允許的范圍內(nèi)取H/500（按梁的撓曲變形要求）計算約有10mm，可滿足要求；但根據(jù)水泵制造廠家的有關(guān)要求，出水管及水泵井筒水平位移必須小于1mm，否則會產(chǎn)生水泵井筒與電機(jī)不同心的問題，造成水泵發(fā)生振動，影響機(jī)組正常運行，不能滿足要求。因此，必須設(shè)置止推裝置，平衡水柱推力，使泵管水平位移滿足要求。

5 水泵泵體止推措施

為平衡水柱推力，必須在水泵出水管適當(dāng)位置設(shè)置止推裝置。按照泵房結(jié)構(gòu)圖，在底板上設(shè)置鋼筋混凝土支墩，支墩上設(shè)置高強(qiáng)地腳螺栓和鋼結(jié)構(gòu)緊固件（由水泵或管道制造廠家提供），水泵出水管與鋼結(jié)構(gòu)緊固件焊接牢固，剛性連接，使水柱推力通過緊固件、混凝土支墩，直接傳給底板，大大減小出水管的水平位移。因泵房結(jié)構(gòu)和水泵安裝高程已定，場地有限，在-2.60m高程底板沿出水管方向內(nèi)襯墻處及中隔墻處分別設(shè)置一個鋼筋混凝土支墩，其中機(jī)組閉閥啟動時產(chǎn)生的水柱推力主要由中隔墻處的支墩傳遞至底板；機(jī)組閉閥停機(jī)時，作用在閥門上的軸向水壓力則主要由內(nèi)襯墻處的支墩傳遞至底板。兩個支墩結(jié)構(gòu)型式相同。支墩高490mm、寬 800mm、長2400mm，支墩上預(yù)埋一塊700mm×2300mm鋼板，厚8mm。鋼板上布置兩列四排共8個M30高強(qiáng)地腳螺栓，螺桿長度800mm。混凝土支墩和該層底板（底板厚500mm）整體澆筑。具體平面布置及剖面圖見圖3、圖4。設(shè)置支墩后，雙法墻管與中隔墻的連接改為柔性連接。

圖3 水泵出水管止推支墩布置平面示意圖

圖4 水泵出水管止推支墩剖面示意圖

在泵房結(jié)構(gòu)-2.60m高程上增加兩個鋼筋混凝土支墩與水泵出水管剛性連接后，使得高揚程水泵啟動或者停機(jī)時產(chǎn)生的巨大水柱推力通過支墩傳遞給底板，阻止或減小水泵出水管水平位移。經(jīng)計算，設(shè)置支墩后，在機(jī)組零流量閉閥啟動產(chǎn)生最大水平推力的工況條件下，水泵出水管水平位移小于1mm，可滿足水泵正常運行的條件。

6 結(jié)語

對于高揚程立式混流泵，水泵零流量閉閥空載啟動時會產(chǎn)生較大的水平推力，為滿足水泵正常運行，必須設(shè)置止推墩來承擔(dān)該水平推力，從而避免水泵井筒因受水平推力而發(fā)生變形，避免水泵泵體異常工作。因未平衡水平推力而導(dǎo)致泵體工作異常的事故在以往高揚程水泵工程案例中發(fā)生較多，《泵站設(shè)計規(guī)范》（GB/T 50265—97）6.5.8條在總結(jié)多起泵站事故的基礎(chǔ)上特意提出：對于高揚程泵站，計算機(jī)墩穩(wěn)定時，應(yīng)計入出水管道水柱的推力，并應(yīng)設(shè)置必要的抗推移設(shè)施。對此應(yīng)引起重視，考慮該工況，采取措施加以避免。■