改造虹吸式出水流道，提高泵站運行效率

代 艷

（益陽市明山電排管理站 益陽市 413204）

蔡 雙

（益陽水利水電勘測設計研究院 益陽市 413000）

因為液壓緩沖裝置和快速拍門技術沒有出現，20 世紀湖南省湖區建成的大型排澇泵站出水流道多采用虹吸式。下面以某泵站過去運行的實例與改為直管式后的效果比較，充分說明湖區大型排澇泵站技術更新改造的必要性和重要性。

1 存在的主要問題

（1）虹吸式出水流道，機組啟閉過程復雜。虹吸式出水流道運行中需要配套真空泵系統和低壓氣機系統，通過閘閥控制抽取流道內空氣和破壞流道內真空。機組啟動前，關閉真空閥，啟動真空泵將出水流道內的空氣排出，在大氣壓力下使流道內的內外水位抬高，流道內形成虹吸，真空度根據內外河水位差計算，或者由人工通過駝峰頂透視有機玻璃壓板觀察外河水位升高至漫過駝峰頂時停止抽真空，啟動機組。正常抽取真空時間每臺一般需要（20～30）min，如流道漏氣則需要（1～2）h。機組正常停機，由主水泵機組斷路器輔助觸點聯動啟動真空破壞閥，利用低壓氣機頂開真空破壞閥門后向流道內補氣，促使出水流道的水以駝峰頂分界斷流。停機過程中，往往由于電磁閥拒動或者低壓供氣不足而導致真空破壞閥不能打開，外河水倒灌使機組飛速反轉，必須由人工迅速用大錘敲碎駝峰頂有機玻璃壓板破壞真空。在電網突然停電情況下，幾臺主機組同時停機，副廠房真空破壞閥全部開啟，瞬間空氣大量吸入，影響設備和人身安全。

（2）外河超限水位下，泵站安全受到威脅。某泵站虹吸式出水流道設計外河最高洪水位33.4 m（駝峰頂高程33.8 m），外河最低運行水位27.8 m（出水口頂高程27.6 m）。由于湖區水文條件逐年變化，要求在外河極限水位下運行情況時有發生，當外河水位低于27.8 m 以下，虹吸式流道出水口露在水面而無法形成真空，當外河水位高于33.8 m時，流道無法抽取真空，兩種極端情況下因為水泵運行揚程太高而不能開機。當外河水位低于運行水位時，泵站必須組織人員在外渠臨時筑壩灌水淹沒出水口滿足抽取真空條件，一般要延誤開機運行時間數天，造成內漬。最為嚴重的是外河超駝峰水位情況下不能開機，比較典型的超駝峰漫水年份為1988年、1996年、1998年、2002年，每當外河超高水位時，正是內澇最為嚴重的時候，外河水位超駝峰漫水，泵站人員必須拆除有機玻璃壓板進入駝峰頂部，用人工搬運泥袋設壩攔堵，避免洪水倒灌損壞機組。一旦外河水位消退至駝峰頂以下時，立即清除泥土，恢復真空設施，迅速準備開機排漬。以上情況的出現，對垸內防洪安全、泵站設備及操作人員的安全帶來很大的威脅。

（3）虹吸管流道斷裂，運行效率明顯下降。由于湖區地質條件差，該泵站建于20 世紀70年代，出水流道基礎處理時，采取了回填新土夯實的方式，夯壓不實，填土后立即澆筑墊層及結構混凝土等原因，出水流道出現不均勻沉降，流道出現裂紋，在冬季低溫季節受氣溫低收縮的作用，裂縫部位逐步擴展至內坡段的駝峰附近，加之由于泵站在運行時振動較大，進一步加劇了出水流道的裂縫擴張。針對這一情況，曾經兩次采用深孔高壓灌漿辦法對出水流道進行了基礎加固處理，基本每年在流道內對裂縫進行環氧樹脂填充修復，仍收效甚微，未解決根本問題。由于流道裂縫較多、氣密性差，致使每年汛期排澇時抽排真空時間逐年加長，機組運行揚程升高，振動加劇，能耗加大，排水效益降低，設備故障率高，運行成本增加。虹吸式出水流道的斷裂成為了影響泵站機組安全運行，威脅受益區安全度汛的關鍵因素。

2 改造方案的選定與實施

2.1 兩種方案比較

針對虹吸式出水流道存在的不均勻沉降導致斷裂問題，結合泵站型式和湖區水文、地質條件，可采用以下兩種改造方案：

方案1：對現有出水流道進行修復。工程措施為進行基礎整體加固，流道斷裂和裂縫部位處理，出口防洪門改造，真空系統和真空破壞閥系統更新改造。優點：部分設備設施利舊，節省改造資金，發揮虹吸式出水流道在低水頭情況下的運行優勢。缺點：運行操作復雜，不適應內外高水位差和外河超限水位情況下的運行。

方案2：將虹吸式出水流道改造為直管式出水流道，根據堤后式泵站的布置型式，結合內外河水文資料，采用直管式出水流道代替虹吸式出水流道。從省內外多處大型排澇泵站虹吸式出水流道改直管式出水流道成功經驗來看，優點：結構簡單，運行方便，揚程損耗小。缺點：拆除新建一次性投入改造資金大。

綜合以上方案進行比較，從泵站長遠整體效益來看，出水流道改造宜選用將虹吸式出水流道改為直管式出水流道方案。

2.2 地質條件

該泵站站址系洞庭湖沖湖積平原與構造剝蝕殘丘的過渡地帶，是洞庭湖區難得的巖基出露地帶，泵站基礎系強化灰綠色砂質板巖夾黃色千枚狀頁巖，巖層傾向325°，傾角20°，基巖出露高程自東向西及西北傾斜，地層較簡單。

工程區地表層上部為黃褐～灰黃色粉質粘土，可塑狀態，現場標準貫入試驗5～6 擊，厚（1.4～3.3）m 不等。下部為灰黃色粉細砂與灰黑色淤泥質粉質粘土、粘土層，其中粉細砂層結構松散，厚度（0.6～4.9）m，以2～3 層單層與淤泥質粉質粘土層“互層”分布，局部呈透鏡體分布。灰黑色淤泥質粉質粘土層，一般呈軟塑狀態，力學性狀較差，現場標準貫入試驗3～5 擊，厚度（1.6～7.9）m 不等，主要分布于（18～24）m 高程之間。

2.3 工程設計

（1）基礎處理設計。由于經過多次滲透破壞，閘基下部存在大量空洞，施工時對原已進行漿砌石換基處理的閘基進行充填灌漿，對未處理的閘基則采用漿砌石換填處理。閘基下部存在粉細砂層和粉質粘土夾粉細砂層水平滲透性較好，對其進行延長閘前防滲鋪蓋（混凝土結構）、閘后砂石層導濾等防滲處理措施。對下部存在較厚的高壓縮性土層、含水量高的閘基，進行深攪樁加固處理。

（2）施工設計。出水流道拆除混凝土至主廠房下游墻外邊線，按主廠房內已有出水流道中心線1∶2.0 的坡度趨勢與本次設計出水涵管中心線高程30.194 m 以圓弧相交，涵管凈高2.5 m，切點以出主廠房流道內邊頂點為控制，中心線圓弧角度為26.57°，圓弧半徑5.606 m。平面上按已有機組間距及廠房內部流道尺寸的擴散趨勢，與外部設計涵管每孔凈寬為5.8 m 時相交確定，每孔涵管中設置隔墩，厚0.4 m、0.5 m 不等，邊墩、縫墩厚度1 m，1#、2#機組間分縫，縫墩厚度0.6 m。涵管段總長28.70 m，保持原有的流道平面長度不變。

將原有混凝土流道按設計流道結構所需尺寸切割完成，剩余的流道孔口、原老閘涵管及右側經現場標準貫入試驗確定地基承載120 kPa，不滿足設計要求，故采用水墜砂卵石填充；流道左側1#機部位現場地基承載力試驗數據為240 kPa，滿足設計要求。

根據地基的不同分類，將出水流道分縫調整為1#機1 縫，2#、3#機1 縫，4#、5#、6#機1 縫；橫縫按已有涵管下漿砌石基礎墩的不同位置長度設置；縫縫之間采用橡膠止水帶止水。

閘室底板高程28.644 m，長度7.8 m，閘頂高程36.30 m，靠上游側設置進人孔兼做通氣孔，3 機1縫，各機組間設置隔墩；每機考慮2 片拍門，拍門底板高程28.944 m，頂高程32.534 m，中間隔墩支撐。出水流道底板高程28.644 m 與原有消力池底板高程22.60 m 之間，為避免跌坎消能，淘刷閘基礎，設計1∶2.0 的斜坡段銜接，填筑材料為漿砌石，面板為0.5 m 厚防滲抗沖面板。

涵管開挖回填后，要求恢復其原有的混凝土公路路面及鄰近銜接道路，公路高程36.80 m，寬8 m，上下游坡比1∶2.0，草皮護坡。

每臺機組出水流道均分兩孔，孔口尺寸為2-2.65 m×2.2 m（孔數-寬×高），管道末端裝設兩扇電動油壓拍門控制。拍門垂直方向夾角10°，最大開啟角度70°，可隨機組同步開啟和關閉，防止洪水倒灌和機組反轉，確保了機組安全運行。

2.4 施工建設

由于原倒虹吸混凝土出水流道地板開挖后發現遺留五孔廢閘，未作處理。經過補充勘探地質報告，對原設計方案進行調整。調整后的設計方案：采用水墜砂礫石回填，預Ф110 PVC 管埋灌水泥漿的處理辦法。2007年11月5日，在排水措施準備完畢后，施工人員用人工回填砂礫石并高壓水槍反復沖墜的辦法回填砂礫石，并按設計要求預埋好Ф110 PVC 管，然后充填灌漿處理。根據檢測報告顯示，出水流道水墜砂礫石充填灌漿現場平板載荷試驗3 點，地基豎向抗壓承載力滿足出水流道對地基豎向抗壓承載力240 kPa 的設計要求。

混凝土澆筑時巧遇2008年嚴重冰凍，低溫期間采用稻草布麻袋塑料布三層覆蓋。針對在其迎風面和邊角等多處新澆筑混凝土結構呈蜂窩狀和粉未狀等明顯的凍壞痕跡，為了不影響出水流道的整體結構及承載力性能，采取了風鉆、人工等方式加班加點，及時進行拆除和修復。

3 運行評價與建議

（1）出水流道結構簡單，維護方便。直管式出水流道設計簡單，虹吸式出水流道因形態復雜設計工作量大，特別在進行流量和流態復核計算中，直管式在增加或減少20%流量情況下流態基本穩定，而虹吸式必須要進行流道脫流和出口段環流量模擬測試。現場施工中直管式出水流道布置簡單，荷載基本均勻，在基礎加固、鋼筋制安、混凝土澆筑等方面施工易于控制質量與進度。同時，直管式出水流道還省去了真空系統的配套設施。改造后投入運行的幾年中，僅對出水口拍門進行了維修，流道年度維護、保養要簡單方便很多。

（2）機組啟動過程簡化，運行平穩。直管式出水流道在開機前沒有必須抽取真空的環節，簡化了開機準備程序，節省了開機時間，提高了開機可靠性。直管式出水流道機組啟動至平穩運行過程，僅為出水流道內出水流勢由紊流趨于常態的過程，時間短、機組振動小。

（3）減小出水流道損失，效率提高。針對大型低揚程泵站出水流道而言，水力損失占泵站揚程的15%～25%，很大程度上影響泵站裝置效率。在某大學選定的出水流道模型測試中，因為直管式出水流道有一個90°轉向角，與其虹吸式出水流道比較水力損失值要大一些，國內一些學者也極力堅持虹吸式出水流道優于直管式出水流道，筆者認為這是一個錯誤導向。我們在兩種流道形式的水力損失比較中，必須考慮虹吸式出水流道存在的機組啟動過程高揚程運行水力損失階段和駝峰頂斷面為防止水流態脫流而將其減少截面所造成的水力損失情況，最為重要的一點，在湖南省乃至全國虹吸式出水流道排澇泵站普遍存在流道裂縫漏氣、漏水現象，導致真空度降低，運行揚程提高，機組振動增大，而造成出水流道水力損失增加的現實情況。在本次改造設計中，選擇了最大限度減少水力損失的方案，比如：為了減少轉向角水力損失，選定轉彎半徑為5.606 m，中心線圓弧角度為26.57°；為了減少流道摩阻水力損失，流道漸擴段選定最佳不脫流擴散角2θ≤12°；為了防止出水環量水力損失，水泵后導葉按無出流環量設計，出水流道采用由圓形逐漸過渡到2.5 m×5.8 m 凈空矩形斷面，并且中間設有（0.4～0.5）m 厚隔墻；為了減少管路水力損失，直管式出水流道中心線堅持取直線走向，并將其長度縮短至28.7 m；為了減少拍門水力損失，采用電動油壓拍門，將其開度角設定為70°，把拍門水力損失系數控制在0.1 以下。出水流道改造為直管式以后的運行情況為：機組啟動方便，運行平穩，出水量大，流態穩定，效率提高，實踐證明直管式出水流道優于虹吸式出水流道。

（4）兩種出水流道型式運行比較見附表。

附表 兩種出水流道型式效果比較

5 建 議

綜合以上表述，收集多處大型排澇泵站虹吸式出水流道運行情況，針對湖區地質基礎較差、外河水位變化較大、啟動頻繁的大型泵站，宜采用直管式出水流道結構型式。