淺談高山丘陵區多級提水泵站設計中應注意的幾個問題

田龍

甘肅省水利水電勘測設計研究院 甘肅蘭州 730000

摘要：隨著近年來高山丘陵區多級提水泵站工程建設的增多，逐漸總結出了一些此類工程經驗，本文著重介紹了該類型工程中容易被忽視，但對工程會造成不同程度不良影響的設計關鍵點，在設計標準、線路選擇、泵站進出水建筑物，泵站出水管道等設計方面進行了論述。

關鍵詞：高山丘陵區；多級提水泵站；設計關鍵點

近年來，隨著國家政策的扶持，高山丘陵區提水工程逐漸開工建設或即將開工建設，高揚程多級提水泵站工程逐漸增多，以下就此類工程的設計標準、線路選擇、泵站進出水建筑物，泵站出水管道等在設計時容易被忽視的設計關鍵點及相應的設計方法做一論述。

一、設計標準

設計標準包括工程規模、建筑物等級、防洪標準、抗震標準等內容，對于高山丘陵區高揚程多級提水泵站工程，上述各標準如果定的太低，雖說能減少工程投資，但工程效益也會隨之減小，如果設計標準太高，雖能增加工程效益，但工程投資也相應增大，所以說設計標準對整個工程的投資和工程效益具有決定性的影響，設計時對設計標準的選取要有準確的把握，首先應根據國家統一編制的規范，結合工程任務和建設內容擬定工程等別及規模，然后在擬定的工程等別和工程規模的前提下，結合泵站管道及泵站建筑物分別所承擔的工程任務以及工程特性，確定各建筑物級別及相應防洪標準。在擬定標準時，泵站建筑物同時應結合裝機流量及裝機功率確定建筑物級別及防洪標準，按較高的標準及級別選定。在建筑物抗震設計中，抗震設計應符合《建筑抗震設計規范》（GB50011）和《構筑物抗震設計規范》（GB50191）的有關規定，同時需注意，對于村鎮供水工程，《村鎮供水工程設計規范》（SL 687-2014）中規定I～III型供水工程的主要建（構）筑物應按本地區抗震設防烈度提高1度采取抗震措施。

二、線路布置

在高山丘陵區多級提水泵站中，泵站管道適應地形能力較強，線路布置時在避開不良地質條件的前提下，首先應結合規劃提水的各供水點位置，優先考慮線路最短方案，并結合交通、供電、施工、運行方便等條件，比選線路確定最優方案。需特別說明的是，在高山丘陵區布置泵站線路時，泵站線路起點至泵站供水點中間如遇高嶺、深溝地段需穿（跨）越時，不應單純的考慮采用泵站上水管道一次性跨越，而應結合工程建設條件特性，做多方案比選工作，如在取水點至供水點之間從在較高的山嶺阻隔時，如只采用泵站提水跨過高點的方案時，因多級泵站運行期間耗電量較高，會增加不必要的運行成本，而結合隧洞穿越方案時，可能會增加工程一次性投資，但因提水揚程的大幅度降低，運行期費用也會相應降低，所以首先根據提水泵站方案、提水泵站結合隧洞方案的工程投資、需根距不同方案的提水總揚程、裝機總功率，年耗電量、結合當地提水電價，計算出供水總成本費用、年運行費、單方水成本及單方水運行成本等參數、從而得出單方水投資差額投資內部收益率，并與社會折現率進行比較、結合線路施工條件、環境影響、征地移民、建設工期要求等多個方面分析不同方案的存在的優缺點比選出最優方案，而不能單從一次性投資多少的角度選取方案。如遇切割較深的溝道，管道從溝底穿越時，隨著溝道深度的增加，泵站水錘壓力增大，泵站出水管道承壓等級增加，相應增加工程投資，在溝道深度超過一定范圍時，如采用結合渡管等方案跨越，則有可能會優于管道布置方案，所以同樣需從工程總投資、環境影響、征地移民、施工條件、建設工期要求等多個方面比選確定最優方案。

三、泵站建筑物布置

多級提水泵站建筑物一般由泵房與進出水建筑物組成，泵站進水建筑物一般由引水渠（涵）、進水池、前池等組成，出水建筑物一般為出水池，以下就泵站建筑物在引水渠、進水池型式、進水池容積、溢流建筑物設置等幾個方面設計時容易忽視的設計關鍵點進行論述。

1、引水渠設計：多級提水泵站中一般在上級泵站出水池后接引水渠道至下級泵站建筑物前池，受地形條件限制，泵站引水渠有時需布置彎道，彎道半徑一般不小于水面寬的3倍，同時，彎道終點與前池前池進口之間一般設直線段，長度大于水面寬的8倍。如引水渠布置不滿足上述規定時，有可能會造成泵站前池、進水池的水流流態不佳而影響泵站正常運行，設計時應注意。

2、進水池設計：泵站進水池在進水池型，有矩形、多邊形、半圓形、圓形、馬鞍形、窩殼型等多種形式，設計時，泵站進水池在水流流態方面最主要的問題是考慮減少旋窩及回流，幾種類型的集水池在這兩方面各有利弊。矩形進水池應用較廣，其最主要的問題是拐角處容易出現漩渦，為改善流態，進水管應盡可能靠近后墻。圓形進水池最主要的問題是容易產生回流，需采用改善措施，但因其形式簡單，便于施工，受力條件好，可節省工程量，又由于池底沒有死水區以及在臺坎下形成以水平線為軸線的旋滾區，對含沙水流起攪拌作用，是目前解決泥沙淤積的一種有效形式，所以在多泥沙提水泵站中應優先選用。其它幾種型式的進水池進水流態條件介于矩形進水池與圓形進水池之間，一般在有特殊要求的工程中選用。

為了滿足泵站正常連續運行的需要，進水池水下部分必須保證有適當的容積。進水池的容積水下容積可按共用該進水池的水泵30～50倍設計流量確定，既滿足秒換水系數倍數的要求，同時還應注意到在確定水下容積時，泵站水下容積不包含臨界淹沒深度以下部分的容積。因泵站進水管口臨界淹沒深度對水泵進水性能具有決定性的影響，如當水中混有1%空氣時，水泵效率下降5%～15%，混入空氣含量達到10%時，直接影響水泵不能工作。所以進水池容積確定時要保證在最不利工況運行水位時，進水池水面至進水管口臨界淹沒深度范圍的容積滿足30～50倍的秒換算系數。

3、前池溢流設施，在多級提水泵站中，如果某一級提水泵站出現事故，上級泵站的來水則無處宣泄，所以宜在前池設置溢流設施，多級泵站建筑物布置在流量較小可以用溢流管溢流時，應布置溢流管，在流量較大造成溢流管截面面積較大而布置困難時，可采用在前池前布置溢流堰的方式進行溢流，將非常情況下多余水量泄入附近溝道，各級泵站出水管最低點處設排水管，以保證泵站安全。

四、泵站出水管道設計

在多級提水泵站中，一般揚程較高，管線較長，泵站容量較大，泵站出水管道在的管徑所占的投資比例較高，管徑的大小不僅直接決定了工程一次性投資的大小，而且因為多級提水泵站一般管線較長，管徑微小的變化造成泵站總楊程大幅度的變化，直接影響泵站容量的大小，決定運行期耗電量即運行費用的變化。所以在泵站設計時，泵站管徑選擇的合理性是非常重要的一項工作。泵站管徑的選擇一般要根據年費用最小法求得，首現根據經濟流速2.5～3.5m/s（小管徑取小值，大管徑取大值）估算管徑，然后根據求得管徑和根據工程特性選定的管材糙率，在范圍內以50mm為模數大小浮動假定管徑計算管路阻力參數值，利用不同管管徑管路阻力參數值計算出水泵裝置的總楊程。根據不同管徑下的總楊程選擇不同的泵站機組，按照機組效率與管道效率，計算出相應管徑下的泵站效率，再根據泵站效率及泵站運行時間計算出年費用。年費用包括年耗電費及年生產費用兩部分，年耗電費由水泵運行時間及水泵效率計算得出，年生產費用由管徑、管材價格、管道長度、年折舊費、機組臺數等計算得出。然后將根據上述方法計算出不同管徑下的年費用列表，將列表中得出的年費用最小的管徑作為選定管徑。

五、結語

高山丘陵區高揚程多級提水泵站工程設計中，除上述提到的設計關鍵點在設計中需引起重視外，還需繼續總結近年來建成的類似工程的經驗，進一步研究探索，結合不同工程自身的特點，多方案比選，精心設計。

參考文獻：

【1】、取水輸水建筑物叢書--陳德亮主編--北京：中國水利水電出版社--2002年9月第一版