橡膠壩充排水泵站布置及選型設計探究

雪靜（陜西省水利電力勘測設計研究院陜西西安710001）

橡膠壩充排水泵站布置及選型設計探究

雪靜
（陜西省水利電力勘測設計研究院陜西西安710001）

本文通過天水藉河二期程中的充排水泵站，探究了橡膠壩工程中充排水泵站的布置及選型設計，以期為類似案例提供借鑒。

橡膠壩；充排水；泵站；選型；水力計算

1　概況

天水藉河二期工程集防洪、蓄水及景觀美化于一體，規劃對左、右岸堤防進行達標治理，河道生態水景觀治理首先建立在左右岸堤防的達標治理基礎上。本工程治理河段全長9.6km，蓄水區共布置6座橡膠主壩，泄洪槽進口2座副壩，各橡膠壩的主要參數見表1。

藉河河道縱坡陡，汛期洪水水流速度大，本工程區上游只有幾座滾水壩，沒有調蓄滯洪能力，為了充分保證城市防洪安全，在上游發出超5年一遇洪水預警后，要求橡膠壩必須快速塌壩排空，以保證河道全斷面行洪。由于橡膠壩不具備完全自流排水條件，且自排時間長，一般滿足不了防洪要求，因此，通過修建泵站利用水泵強制抽排，將壩袋內部水短時間內排空，滿足河道行洪要求。根據國內已建橡膠壩工程的統計，其充壩時間為2h～3h，坍壩時間為1h～1.5h［1］。天水藉河二期工程橡膠壩參數表見表1。

2　站址選擇及方案布置

泵站工程是橡膠壩的控制系統，主要任務是滿足橡膠壩充水立壩及坍壩排水。結合實際地形、地質條件及工程特點，橡膠壩充水時通過水井內安裝潛水泵提水立壩，排水時通過安裝在泵站廠房內的離心泵坍壩，即泵站的主要任務是排水坍壩。根據工程布置情況，設計從泵站水源、運行管理及工程投資等方面對泵站站址及布置方案進行選擇比較。充排水泵站的布置首先考慮橡膠壩的位置及規模，有1站控制1壩、1站控制2座壩、1站控制3座或多座壩的布置型式。

方案一：1站控制1座橡膠壩方案。該方案采用一座橡膠壩布設一座泵站進行控制，各泵站位置均選擇在各橡膠壩軸線一側，優點是每座泵站規模小，管路系統簡單；缺點是占地多，運行費用較高，管理不便，影響堤防整體綠化效果。

方案二：1站控制2座橡膠壩方案。該方案考慮兩壩之間間距0.6km左右，可以將泵站布設在下級蓄水區靠近下游橡膠壩，這樣一座泵站可控制其相鄰的2座橡膠壩。每座泵站規模適中，管路系統相對單一，工程運行、管理、檢修都很方便。

方案三：1站控制3座橡膠壩方案。該方案采用一座泵站分別對3座橡膠壩的充排水行控制，泵站位置選擇在偏向下游的兩座橡膠壩軸線之間，其特點是充排水管線長，管路系統復雜且水泵運行工況繁瑣，水泵運行容易偏離高效區，使水泵發生故障。泵站座數減少，但泵站規模大，相對方案一、二來說其廠房埋深較深。

表1　橡膠壩主要參數表

對于天水藉河二期工程，有兩座進口副壩，壩袋容積不足其他橡膠壩壩袋容積的十分之一，若與其他橡膠壩合并一個泵站來控制充排水系統，造成泵站廠房挖深大，投資太大，同時水泵運行不均衡，故擬用一個泵站單獨運行。經過方案比較以及本工程的實際情況，本次采用方案一與方案二相結合的運行方式較為合適，即1#泵站控制1#進口副壩，2#泵站控制1#和2#橡膠壩，3#泵站控制3#和4#橡膠壩，4#泵站控制2#進口副壩，5#泵站控制5#和6#橡膠壩。這樣既解決方案一站點多管理不便的缺點，又避免了方案三管路系統復雜及水泵運行工況繁瑣的缺點。每座泵站規模適中，土建工程投資小；且管理運行方便。

根據天水藉河二期工程測量及實地踏勘，左岸堤防與堤外規劃路之間綠化帶地形開闊，地勢平坦，泵站取水方便，滿足建站要求。因此，為了便于管道布置及方便管理，5座泵站站址均選擇在蓄水區河道左岸堤防外側。

3　水泵選型

泵站的水泵選型按強制排水工況控制。五座泵站站址均位于河道左岸堤頂外側，由于橡膠壩設計底板高程基本與河道底持平，高程較低，為了滿足泵站自動排水啟動的運行要求，水泵機組均需布置在地面以下，設置地下式廠房。地面以上布置設備吊運通道、配電間及管理用房等。在滿足水泵機組運行以及起吊高度要求的前提下，設計應盡可能將安裝高程抬高，以減小廠房高度，方便工程管理及減少工程投資。水泵選型參數詳見表2。

（1）1#泵站和4#泵站分別控制1#進口副壩和2#進口副壩的充排水，由于進口副壩容積小，塌壩時間控制在1h以內，根據水力計算，綜合考慮工程管理及投資等因素，確定1# 和4#泵站分別安裝1臺臥式離心泵，泵站裝機功率均為22kW，進口副壩容積小，不會造成城市安全問題，所以不設備用泵。

（2）2#泵站、3#泵站和5#泵站，分別控制相鄰兩個橡膠壩的充排水，每座橡膠壩同時塌壩時間需控制在1h～1.5h以內，水泵設計流量由兩壩袋總水量和排水時間綜合確定，根據選型要求及水力計算，綜合考慮水泵運行、工程管理及投資等因素，確定這三座泵站均位于所控制的下游橡膠壩的附近，每座泵站分別安裝4臺臥式離心泵，各泵站總裝機功率均為440kW。為了確保城市防洪安全，水泵互為備用，單機塌壩排水時間為88min、89min和88min，滿足排水時間1h～1.5h的要求。

表2　泵站水泵選型參數

由表2可以看出，對于橡膠壩工程的排水泵站，由于在排水過程中，水泵有最大揚程Hmax和最小揚程Hmin，即橡膠壩充滿水和排空時引起的壩高水頭差，導致水泵的設計揚程和設計流量是個變化值，所以水泵運行高效工況是個區間值，這是與一般供水泵站工程的最大區別。對于一般橡膠壩的泵站工程，排水時間短，壩袋容積大，橡膠壩壩高較低，排水一般直接排入下游，排水管出口高程較低，因此導致水泵流量較大，揚程較低，在實際設計選型時比較困難。為了運行管理操作方便，泵站內盡可能選擇同型號的水泵，同時，對于一站控制多個橡膠壩的布置形式中，每個橡膠壩的排水時間不宜差別太大。

4　管路水力計算

橡膠壩的充排系統利用次數較少，在管路系統布置時常將充脹和排空的管路合二為一，通過啟閉管路系統中不同位置的閘閥，利用同一管路進行壩袋的充脹和坍壩排空的目的。管路的布置力求總長度最短，彎頭最少，盡量減少管路阻力損失水頭。管路阻力損失水頭是由管路的沿程摩擦損失水頭和管路形狀變化或管路附件而產生的局部損失水頭所組成。當水泵的管路確定后，則管路損失水頭與通過管路的流量平方成正比。h損=SQ2（h損為管路阻力損失，m；S為沿程和局部阻力參數之和，s2/m5；Q為流量，m3/s）。

一般橡膠壩工程中的充排水泵站管路短，揚程較低，流量變化大，故確定分段流量引起的水頭損失是水力計算的關鍵。在天水藉河二期工程中以5#泵站為例，探究在橡膠壩排水泵站中分段流量變化對水頭損失的影響。5#泵站運行流程圖見圖1。

對于6#橡膠壩的最不利工況路線為A-B-C-D-E-F-G-H-I-J-K-L，1臺水泵運行為1各流量Q，則A-B段和D-E-F-G段，流量為1Q，引起h損=SQ2；B-C-D段和G-H段，流量為2Q，引起h損=4SQ2；H-I段，流量為3Q，引起h損=9SQ2；I-J-K-L段，流量為4Q，h損=16SQ2。7#橡膠壩的不利工況路線為A′-B′-C′-N′-M′-D′-E′-H-I-J-K-L，分段引起的損失變化同理。

圖1　泵站流程示意圖

所以對于泵站充水和排水合二為一的這種特殊性，管路上每段的流量變化引起的損失水頭變化很大，應分段計算，同時兩個橡膠壩充排水系統水力計算應單獨計算。為了運行管理操作方便，泵站內盡可能選擇同型號的水泵，泵站位置盡可能放在控制下游橡膠壩的附近，這樣控制下游橡膠壩水泵選型容易，但導致上游側出水管路損失很大，水泵安裝較低，泵站投資較大，所以在做此類泵站工程中，應方案比選多優化，綜合管徑大小，水頭損失大小，一站控制幾個橡膠壩，投資經濟，以及實際工程現狀情況，做投資小，效益大的工程。

5　橡膠壩充水

橡膠壩的充水水源要水質干凈，否則，應先行沉淀或過濾，再充進壩袋。

橡膠壩采用動力式進行充壩時，壩袋的充脹可采用水泵將水直接充進壩袋來進行，也可先將水抽到高位水蓄水池或水箱后在間接充進壩袋。有條件的地方，當充水量不大時也可以利用自來水充壩。甘肅省天水市藉河生態綜合治理二期工程的橡膠壩是通過打井，潛水泵抽井內水，直接充入橡膠壩。在充水時，無嚴格時間要求注意充水時間的控制，不宜時間太長。

6　結語

對于沒有自流排水能力的橡膠壩工程，泵站是橡膠壩的充排水控制系統，任務是滿足橡膠壩充水立壩及坍壩，泵站的布置方案有1站控制1壩、1站控制2座壩、1站控制3座或多座壩等多種型式，根據實際工程可選擇單一方案或多種方案相結合的方案布置，天水藉河二期工程區設有有多座橡膠壩，采用1站控制1壩和1站控制2座相結合的方式。洪水來臨，水泵排水過程中，水泵有最大揚程Hmax和最小揚程Hmin，即橡膠壩充滿水和排空時引起的壩高水頭差，導致水泵的設計揚程和設計流量是個變化值，所以水泵運行高效工況是個區間。橡膠壩工程中的充排水泵站管路短，流量變化大，在進行水力計算時確定分段流量引起的水頭損失是水力計算的關鍵。陜西水利

［1］高本虎.橡膠壩工程技術指南〔M〕.中國水利水電出版社，2006.

［2］橡膠壩工程技術規范〔M〕.GB50979-2014.

［3］皮積瑞，解廣潤.機電灌排設計手冊〔M〕.水利電力出版社，1996.8.

［4］王忠誠.小埠東橡膠壩充排水系統的設計［J］.中國農村水利水電，1999.11.

（責任編輯：暢妮）

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