淺析新疆某揚水工程設計

張其霞

（新疆伊犁河流域開發建設管理局 新疆 鞏留 835400）

1 工程概況

新疆某揚水工程，分五級泵站提水，屬Ⅲ等中型工程。工程主要由泵站、壓力管道（干管）、輸水支管道、調蓄水池及田間管網工程等組成。首部泵站設計提水流量4.4m3/s，供水總揚程252.69m，年設計提水量4811.80萬m3，輸水干管總長42.7145km。其中一干管設計流量4.4m3/s，雙管布置，管徑 1.4m，管長10.25km；二干管設計流量 4.1m3/s，雙管布置，管徑為 1.2m，管長 8.07km；一、二干管全部采用玻璃鋼夾砂管。三干管設計流量 1.5m3/s，單管布置，管徑 1.2m，管長7.753km；四、五干管設計流量1.2m3/s，單管布置，管徑1.0m。該工程屬高揚程、長距離的揚水工程，在新疆水利史上屬首例。工程主要解決該縣游牧民定居及新開墾的上萬畝土地灌溉。

2 泵型、臺數及安裝高程選擇

2.1 水泵型式及裝機臺數

該工程泵站設計總揚程較高，地處邊境地區，考慮以后運維檢修成本，要求水泵具有效率高、穩定運行、抗氣蝕性能好等優點，并且水泵轉速要低，因此，泵站機型選用單級雙吸式離心泵抽水機組，在水流含沙量較大的工程中使用，還可減輕水泵葉輪的磨蝕破壞。

泵站水泵臺數是根據各級泵站提水流量的大小，由水泵單機流量和備用機組數確定。水泵單機流量的選擇除應保證泵站流量變幅的要求，還要考慮運行中可能出現的氣蝕及磨損等因素對水泵性能的影響。同時，在滿足泵站運行要求的前提下，應盡量采用較大的單機流量，減少機組臺數，以降低工程建設投資，減輕工程運行期間泵站的機電設備檢修維護和管理工作量，降低運行費用。本工程各級泵站引水流量有設計流量、加大流量和最小流量要求，要滿足各大小泵站流量的要求，并保持泵型號大體一致，合理選擇主泵單泵流量及流量調節方式是泵型選擇的關鍵。因此，一級、二級泵站選擇主泵4臺，揚程為109m，流量為4.4m3/s，加壓泵2臺為揚程77.79m，流量為0.32m3/s；三級泵站選擇農業泵4臺，揚程為56.07m，流量為1.5m3/s，工業泵3臺，揚程為103.28m，流量為1.2m3/s；四級、五級泵站選擇3臺相同流量水泵，揚程為106m，流量為1.2m3/s。

2.2 級間配合和流量調節

水泵運行中，因制造、裝配、安裝質量及運行情況的差異，空蝕、磨損的影響，引起容積損失的變化，形成水泵實際出流與設計值的差異，這種差異會形成泵站流量的不平衡。但因水泵不平衡流量同時向一個方向偏差的幾率很小，所以，泵站多臺水泵具有一定的流量自調節能力。本工程一、二、三級泵站級間有分流，級間流量調節可由加壓泵分流調節，因此不另外設置調節泵。

2.3 水泵安裝高程的確定

水泵安裝高程根據前池基準水位和水泵吸上高度值確定。吸上高度的計算考慮了泵站的海拔高程，吸水管路水頭損失、工作水溫等因素的影響，并取適當的安全裕量。前池基準水位以最低水位確定?？紤]泵站基礎座落在覆蓋層上，地基易開挖；且泵站運行方式為不設真空泵（除一泵站），因此，按倒灌方式計算和確定水泵的安裝高程，并選擇各種泵型出水管高程一致，以便匯總管的布置。各級泵站安裝高程見表1。

3 事故停泵過渡過程分析與過程控制措施

本工程各級泵站壓力管道最長達9.81km，由于水泵機組GD2值均小，應用日本富澤清治停泵水錘簡易計算方法進行了初步計算，泵站壓力管道水力過渡過程中，水泵最高壓力及最高反轉速均在規范允許值以內，滿足規范規定。對水泵防護措施的選擇，采用在水泵出口裝設多功能水力控制閥，使水泵最高反轉速降至額定轉速的1.2倍，最高壓力不超過水泵出口額定壓力的1.5倍；并在總管沿線設置復合式排氣閥，用以自動排氣、出現真空時自動補氣，使管道任何部位不出現水柱斷裂。此外，在一、二級泵站之間和二、三級泵站之間設置調壓塔。

表1 各級泵站水泵安裝高程表

4 管材比選

該揚水工程管線主要穿越洪積傾斜平原與風蝕平原區和吉布哈沙漠帶，地勢較為平坦、開闊，并且常年刮風，因此泵站之間采用管道輸水。根據工程所在區域的地形、地質和自然條件，結合國內與本工程類似的管道供水工程的施工與運行情況和經驗，對適用本工程壓力管道的三種管材即鋼管、玻璃鋼夾砂管、預應力鋼筒砼管進行比較分析。

4.1 鋼管

鋼管制作隨意性強，適用各種地形條件，糙率較小，單位長度內重量較大。缺點是制作安裝較麻煩，需進行防銹防腐處理，制作安裝費用較高。

4.2 玻璃鋼夾砂管

玻璃鋼夾砂管剛度較其他管材差，其內襯厚度和管壁厚度根據承壓強度和管頂填土高度確定，而內襯厚度的不同直接影響管材的價格。本工程壓力管道壓力比較高，埋深大，采用該管材有發生變形的可能性。

4.3 預應力鋼筒砼管

預應力鋼筒砼管主要優點是：有高抗滲能力，管接頭具有高密封性，管身具有較高的工作壓力，剛度好，安裝施工方便，糙率小，抗震性能強。其缺點是：自重較玻璃鋼加砂管大，施工運輸必須配有一定的設備，管材中的預應力鋼絲在有侵蝕性水質和有害元素的土壤地段里有發生侵蝕的可能性，直接影響管道的使用壽命，造價較高。

4.4 三種管材經濟比較

以管線四泵站揚水管道為代表，在管道工作壓力為0.8MPa的條件下，以各種管材水頭損失接近相等為原則，選用鋼管、預應力鋼筒砼管和玻璃鋼夾砂管三種管材，分別計算每米管線工程投資。三種管材水頭損失接近相等時，鋼管糙率n=0.012、管徑0.95m，PCCP糙 率 n=0.013、 管 徑 1.0m，FRPM管糙率n=0.009、管徑0.9m。

管線四泵站管道每1m管材投資：鋼管為0.3972萬元，預應力鋼筒砼管為0.2507萬元，玻璃鋼夾砂管為0.1586萬元。預應力鋼筒砼管和玻璃鋼夾砂管每米投資均小于鋼管每米的投資。鋼管承壓較高，抗震性強，但易腐蝕，使用年限約30年左右，內部防腐難處理，管線工程造價較高。玻璃鋼夾砂管耐腐蝕性、耐熱耐寒性、耐磨性均突出，并且比重小，質量輕，運行維護費用低。

綜合工程安全、經濟和施工等方面因素，考慮到工程投資、施工工期等因素，該揚水工程一、二干管選用玻璃鋼夾砂管，局部彎道、鎮墩、檢查井、進口、湊合節處采用鋼管。

5 先進技術與理念在工程中得到應用

5.1 多功能水泵控制閥應用

由于本工程壓力輸水管道較長，水泵揚程較高，水流慣性大，因此必須充分考慮事故停泵過渡過程中產生的水錘和機組反轉過速問題。水泵出口閥是抽水系統在正常、非正常情況下進行停泵斷流或進行水錘防護的重要設備，其過流特性對工程的正常運用與事故控制都有很大的影響，為滿足離心泵抽水機組工作的需要，同時為滿足泵站事故停電時機組轉速和壓力管道壓力在規范允許的范圍內，在水泵出口設置了多功能水泵控制閥。該閥具有開、關閥時間可調，能滿足調保的需要，應用于本工程是較為理想的。

5.2 電機軟啟動應用

本工程主泵電機均采用10kV高壓電動機。由于泵站地處電源末端，電壓較低，采用直接起動比較困難，因此泵站電機均采用高壓軟起動裝置啟動，具有起動電流小并可調，起動轉矩可調等優點，同時彌補了電壓低之不足。

5.3 “無人值班、少人值守”理念應用

工程采用“中央控制室集中控制”方式，在縣城設調度中心，通過沿管線鋪設的光纜，將流量及水位、蓄水池水位流，供水管線進出口水壓、水量計量，泵站現地和遠程監控、視頻現場或遠程監控等信息上送調度中心。調度中心采集各子站的數據，通過數據分析，及時給出報警信息或者向控制站點發出控制命令，控制各泵站設備的運行。各泵站僅留值守人員，負責泵站機電設備巡檢、操作、應急處理，實現了“無人值班、少人值守”。

6 結語

該工程設計中不斷優化方案、認真進行比選，建設中嚴把施工質量，工程投運以來，各項指標均達到設計要求，效果良好，但不乏設計欠缺之處：

（1）泵站廠房采用簿腹梁和槽型板結構，預制好后逐塊吊到房頂拼裝，在拼裝縫隙處澆灌混凝土。該結構槽型板之間和槽型板與簿腹梁之間沒有鋼連接，不抗震。

（2）一級泵站設旋轉濾網，適用于藻類植物較多的河流或湖泊，但在寒冷的北疆,河流冬季表面結冰，旋轉濾網無法轉動，因此不適用。

（3）調壓塔設計為鋼板卷焊而成，外面在加蓋磚混結構房子，與鋼筋混凝土結構塔相比，不如直接采用第二者。

（4）管道在鎮墩、檢查井、進口、湊合節等構筑物處存在鋼管與玻璃鋼夾砂管相連接，中間環節較多，運行維護期間要加強此處檢查，將安全隱患處理在萌芽狀態。

（5）各級泵站廠房不設衛生間、生活用水，二級至五級泵站廠房滲漏排水直接排向前池，不夠人性化和環保。陜西水利