潛水軸流泵在排灌工程中的應用

張國慶，吳昌成

（1.江蘇省濱?？h水利勘測設計室，224500，濱海；2.江蘇省鹽城市亭湖區水利局，224002，鹽城）

江蘇省濱?？h共有1 650座泵站，其中絕大部分是能耗大的立式軸流泵和圬工泵，總裝機容量5.3萬kW，浪費約1.5萬kW，按年運行500小時計算，每年要浪費電750萬kWh。近年，隨著潛水軸流泵的開發應用，其運行保證率不斷提高，流量揚程逐步增大，具有立式軸流泵所不具備的眾多優點，促進了潛水軸流泵在排灌工程中的運用。

一、技術經濟優勢

與立式軸流泵相比，潛水軸流泵具有以下幾個特點：

①結構緊湊：潛水電機與軸流泵連成一體共用一軸，結構緊湊，機泵與電纜線用機械密封隔開，泵體設有泄漏及溫升保護裝置，機組潛沒水下運行，不需潤滑、冷卻。

②安裝簡易：整泵吊入預設井筒，不需復雜的對中同心定位。

③遠程控制：可不設泵房，遠程控制。

④管理方便：無人值守，整機吊出檢修，不需打壩排水，方便快捷，尤其是運行不受汛期影響。

⑤適應性強：潛水軸流泵在泵站的設計、施工、運行管理等方面都有了大的改進，適應性強，應用前景廣闊。

二、潛水軸流泵的選型

排灌泵站結構形式常見為排澇、灌溉和排灌結合三種，圖1為排灌結合站常見形式，通過閘門控制，實現機械抽排、自排、灌溉、擋洪功能，單灌、單排站結構形式通常與之類似。

1.設計流量

一般排澇模數大于灌水率，對于排灌結合泵站，按排澇流量確定泵站設計流量。具體要根據地區經濟發展情況，按近期水利規劃確定的排澇標準，分析擬定排澇模數。灌水率以泵站控制區作物分布情況確定作物需水量，控制工況一般是在灌溉高峰期干旱無雨的情況下。

根據有關資料計算成果，考慮到河湖調蓄作用，里下河地區排澇模數一般為 0.3～0.76(m3/s)·km2，灌溉模數一般為 16～29(m3/s)·萬 hm2。 灌水率約為排澇模數的一半，按排澇流量設計的排灌結合站有足夠的備用機組，可以保證灌溉用水高峰期需求。

2.設計揚程

通常情況下灌溉揚程大于排澇揚程，取用設計灌溉保證率下的抽引水位與出水池水位差及沿程和局部水頭損失確定泵站設計揚程，特殊的干旱年和豐水年水位組合作為校核揚程，按灌溉揚程設計的排灌結合站相對于排澇揚程是足夠的。

3.泵的選型

潛水泵是機泵合一的形式，選型比傳統立式軸流泵簡單。從潛水泵性能曲線上看，在相同工況下，潛水泵的綜合性能優于相同口徑的立式泵。根據設計流量、揚程，選擇確定泵型、機組臺數。對于校核工況，還可通過調整葉片角或變速的方法，保證水泵在實際運行過程中工作點落在綜合性能曲線高效區內，一般設計時取用80%以上為高效區。

三、泵室設計

建設于圩堤下的排灌結合站濕式泵室結構（見圖1），將泵站和引排涵洞連為一體，可以減少一座自排涵洞。同時也可有效均布泵室自重，減小偏心距，利用引排涵洞作為消力設施，提高泵的裝機效率。

1.泵室穩定計算

（1）地基應力計算

地基應力計算工況分為完建期、運行期、校核期等。各種工況下受力的組合和大小都不同。

一般來說，泵站出水池的寬度要大于引排涵洞的寬度?？傮w布置時，需將出水池設計成梯形。在計算地基反力時，需計算出泵室底板截面形心軸及慣性矩，再根據疊加原理對地基進行穩定計算。若機組較少可取整個泵房作為計算單元，否則可沿泵室長度取一臺機組與相鄰兩臺機組的中線之間范圍作為計算單元。泵室的穩定分析計算是一項十分重要的工作，穩定滿足要求后才能進行各分部的結構計算。

（2）防滲長度校核

泵站水位差較大的工況處于灌溉期及擋洪期，由于泵室本身直接承受進出側水位差而造成的水平推力及滲透壓力和浮托力，一般依靠在泵室底板長度各出口處設置防滲板，防止產生管涌和流土，避免滲透變形。

表1 潛水軸流泵在濱海縣應用情況統計

（3）抗滑穩定計算

修建在軟基上的泵站由于其地基承載力較小，在同時承受水平和垂直荷載情況下，泵室可能會發生滑動，必要時可以加長防滲板或鋪蓋，延長滲徑，加深齒坎，對墻后回填土優先選用粗粒土料，增大內摩擦角。

2.泵室結構計算

潛水軸流泵泵室構成一個箱式結構。結構計算時沿水流方向以出水池后壁為界將泵室分成上、下游兩個部分進行內力分析計算，通常情況結構內力受完建期控制。

（1）上游段

濕室型泵室可按箱式涵洞結構計算，當頂層的工作橋或板的剛度小于墩墻的10%時，可近似地將其視為兩端鉸支在墩墻上的鏈桿進行計算。對于水泵梁，從安全角度考慮，可以忽略其對整個結構的影響，將其設為一個單獨的半支半簡梁計算，實際上水泵梁的存在對泵室墩墻的強度和結構整體剛度是有利的。

（2）下游段

下游段也是箱式結構，為縮小出水池的計算跨度，一般設置與泵室同跨的隔墩。在排灌結合泵站中，出水池結構和箱式泵室作為一個整體進行內力分析。

下游段結構受力與上游段同理。荷載受完建期(出水池內無水壓力)和枯水灌溉期(出水池有水壓力)兩種情況控制。內力分析時，出水池段按雙層框架計算。

在出水池的出口與涵洞交界處設置調壓井，用來調節灌排水流，還可減小水錘的沖擊壓力，同時可作為檢修孔使用。

四、潛水軸流泵的實際應用

1.在排灌工程中的應用

近十年潛水軸流泵在濱?？h得到大量應用（見表1），為地方經濟發展作出了基礎性貢獻，有力地促進了農村經濟發展。

2.在風景名勝區中的應用

引水排澇泵站位于風景名勝區、行政辦公區、城市綠化區時，使用傳統立式泵無法做到與自然景觀相協調。而潛水泵站可以做到地面無建筑物，占地面積小，遠程集中控制，適合在風景區內應用。濱海縣行政中心環水泵站、人民公園沿湖排澇站就屬于景區內泵站，這些泵站位置現場看不到建筑物，在室內集中控制，與景區融為一體。

五、建 議

潛水軸流泵站在國內的應用已經有一段時間，從已建設的泵站情況來看，還需規劃、機電、結構等專業技術人員結合泵的特點,聯系實際地形條件，不斷創新,才能進一步突現出潛水軸流泵的新特色，更好地應用于排灌工程。

1.潛水軸流泵站的最佳規模

從電機功率、電機轉速、機組重量、水泵效率、電機電壓及泵組的流量價格比、裝機臺數等涉及泵站的眾多因素綜合考慮,潛水泵站的最佳規模應為中小型(裝機流量30～10m3/s)，同一座泵站中盡量選用同型號、同廠家的機組。

2.提高泵站的監控水準

為了便于實現潛水泵站的自動控制運行，一般在泵站前池設置遙感水位計，可實現遠程自控,這類泵站可按無人值守設計。而對于雨水泵站，水位變化較小，不便實現自控，可按臨時少人值守設計。泵站的進出水位、泵組的實時功率、機組溫度等主要動態監測數據實時自動傳送至泵站控制中心，對不同的參數設定相應的變幅，由系統自動決定是否需要檢查、維護和故障處理，以此來降低工程建設投資及運行管理費用。

3.設置副泵房

潛水軸流泵按設計可以露天運行，但長期的日曬雨淋會降低設備使用年限，增加設備維護經費支出，也不利于設備防盜。建議設置副泵房保護機泵，延長設備使用年限，景區內副泵房可以設計成亭臺樓閣，與周圍的景觀和諧統一。

[1]武漢水利電力學院.水泵及水泵站[M].北京:水利電力出版社，1986.

[2]周雨農.潛水軸流泵的應用實踐[J].水利科技，2001(2).

[3]王兆軍，等.QZ泵與框架式泵室在排灌工程中的設計與應用[J].中國農村水利水電，2002(1).