試論排澇泵站布置在隧洞進口的優勢

梁一欖，何震洲

（1.中原大學，臺灣 中壢 32023；2.浙江省錢塘江管理局，浙江 杭州 310016）

1 問題的提出

浙江省平原地區經濟要素集聚，很多區域排澇能力明顯與經濟發展不匹配，需新建排澇泵站。與泵站配套的輸水河道因城市用地緊張而難以實施，近期出現了長距離壓力隧洞穿越山體直排承泄區的線路方案。

典型的排澇泵站輸水河道系統，排水區內明渠匯集澇水，排澇泵站建在承泄區側的堤岸上[1]；典型的供水泵站管路系統，供水泵站建在取水點，即布置在壓力輸水管道進水口側，通過壓力管道向供水區供水[2]。在泵站與隧洞工程組合中，站址是選在隧洞進口（排水區側）還是隧洞出口（承泄區側）成為一個新的課題，值得進一步探討。

本文用水力學方法，推求2站址方案的泵站揚程、水泵安裝高程，并分析站址對泵站、隧洞工程的影響；剖釋隧洞進口建站具有優勢，分析隧洞長度、泵站年運行時間，這2個獨立變量對優勢強度的影響；最后以工程實例量化分析隧洞進口建站的優勢，使結論更加明晰。

2 站址對泵站、隧洞工程的影響

此處隧洞為長距離有壓隧洞。為便于論述，設計工況下流量、水位過程均設為定值。

2.1 站址布置方案

隧洞進口建站:泵站建在隧洞進口，隧洞出口設防洪閘（見圖1）。隧洞出口建站:泵站建在隧洞出口，隧洞進口設防洪閘（見圖2）。

在隧洞進口前設斷面1 - 1（該斷面的參數設下標1，下同），隧洞出口后設斷面2 - 2。斷面1 - 1上的水位為Z1，斷面2 - 2上的水位為Z2，有Z1＜Z2。圖中Q為設計排澇流量，m3/s；l為隧洞長度，m；測管水頭為，m；基準面0 - 0取在水位Z1處。

圖1 隧洞進口建站布置概化圖

圖2 隧洞出口建站布置概化圖

2.2 泵站輸出揚程推求

在斷面1 - 1和斷面2 - 2間建立有能量輸入的能量方程，2方案均可寫成如下方程:

式中:h凈為隧洞進出口水位差，m，該值在設計工況下為定值。泵站輸出揚程為隧洞進出口水位差與隧洞水頭損失之和。

2.3 站址對水泵安裝高程的影響

把泵站概化為具有水泵安裝高程，帶前池、出水池的裝置。隧洞進口建站泵站前池水位Z進1= Z1，在泵站出水池與斷面2 - 2間建立能量方程，求得出水池水位Z出1= Z2+hW1-2；隧洞出口建站泵站出水池水位Z出2= Z2，在斷面1 - 1與泵站前池間建立能量方程，求得前池水位Z進2= Z1- hW1-2。2方案以水位Z1為基準面（見圖3）。

圖3 水泵安裝高程比較圖

圖3 中hs1、hs2分別為隧洞進口建站和出口建站的水泵安裝高程，m。由于泵站的設計流量和揚程相同，2方案水泵淹沒水深取同一值h淹。隧洞進口建站水泵安裝高程hs1=Z進1- h淹= Z1- h淹，隧洞出口建站水泵安裝高程hs2= Z進2-h淹= Z1- hW1-2- h淹。

2.4 站址對泵站、隧洞工程影響的結論

2方案在隧洞規模相同情況下，有如下結論。

2.4.1 對泵站的影響

（1）2方案泵站輸出揚程相同，均為Hm= h凈+ hW1-2。

（2）隧洞進口建站水泵安裝高程不受hW1-2影響，出口建站水泵安裝高程需降低一個hW1-2，即隧洞進口建站泵站建基面高程（不包括泵站出水池部分，下同）不受hW1-2影響，出口建站泵站建基面高程需降低hW1-2；隧洞出口建站出水池建基面高程受Z2控制，進口建站出水池建基面高程可以比出口建站抬高一個hW1-2。

（3）2方案的泵站設計流量與揚程一致，可以認為主泵房平面尺寸一致，與主泵房相銜接的前池、出水池進出水面寬一致。

（4）前池:泵站前池對進水流態有嚴格要求。隧洞出口建站，前池岸墻頂高程由承泄區高水位確定，隧洞出口有壓流須在前池內轉化為明流，需更長流程擴散整流，所以出口建站比進口建站前池更長，岸墻更高。

（5）出水池:隧洞進口建站出水池蛻變為高位井，泵站出水流道排水入高位井，再壓入隧洞進水口，運行期高位井內水位為(Z2+ hW1-2) 。出口建站方案出水池為主泵房與承泄區河道間的過渡段，長度由泵站總體布置確定，極端情況主泵房的出水流道直排承泄區河道。

（6）運行期，在隧洞進口建站方案中，如高位井與主泵房合建，2方案泵站擋內外水位差相同，均為(Z2- Z1) +hW1-2，如高位井與主泵房分建，則高位井成為一個獨立的擋水建筑物，而主泵房不再擋承泄區側高水位，因高位井建基面較高，水位差減小。

2.4.2 對隧洞的影響

（1）運行期，隧洞進口建站隧洞處在(Z2+ hW1-2) ～ Z2壓力，出口建站方案隧洞處在Z1～ (Z1- hW1-2)壓力區。兩者測壓管水位差為(Z2- Z1+ hW1-2)，進口建站方案隧洞更有可能向排水區滲水，對山體或洞壁防滲要求更高。

（2）為滿足隧洞處于有壓流狀態，出口建站方案隧洞埋深需降低(Z2- Z1+ hW1-2)，不利于清淤維護。

3 隧洞進口建站的優勢分析

3.1 隧洞規模與隧洞水頭損失的關系

決定隧洞規模的參數主要為隧洞長度和洞徑，隧洞水頭損失為[3]:

式中:hf1-2為沿程水頭損失，m；Σhj為局部水頭損失，m；λ為沿程阻力系數；l為隧洞長度，m；d為圓形隧洞內徑，m；ζ為局部損失系數；C為謝才系數，m0.5/s；n為糙率；R為水力半徑，m；y為巴甫洛夫公式中的指數（在大直徑隧洞中應用此式）。

3.2 泵站裝機、年運行時間與用電量的關系

泵站裝機功率、年運行時間與年用電量關系為:

式中:N為裝機功率，kW；ρ為水的密度，kg/m3；Q為泵站設計流量，m3/s；Hm為泵站輸出揚程，m；E為年用電量，kW · h；T為年運行時間，h；η裝為裝置效率。

N與Hm呈線性關系，E與N、T均呈線性關系。

3.3 影響隧洞進口建站優勢的主要因素

根據上述結論，隧洞進口建站泵站建基面高程不受hW1-2影響，出口建站需降低一個hW1-2。影響隧洞進口建站優勢的主要因素有:

（1）站址位置。①隧洞進口建站具有天然的位置優勢:隧洞進口建站比隧洞出口建站泵站建基面高一個hW1-2，只要hW1-2不趨近于零，泵站土建工程更省。②隧洞進口建站更有優化潛力:當泵站與隧洞作為一個體系優化時，隨著隧洞洞徑縮小，hW1-2值增大，該值傳導至泵站，導致泵站對輸出揚程的需求增大。隧洞進口建站，泵站僅需增加水泵揚程，水泵部分只涉及葉輪翼型、轉速，電工部分涉及配套功率及電工一次容量增加，年運行費用以用電量增加為主。隧洞出口建站尚導致泵站建基面降低和隧洞埋深增加，增加泵站土建工程量，進而制約體系優化。由于隧洞進口建站泵站建基面高程不受hW1-2影響，使泵站揚程與隧洞洞徑間優化更有潛力。

（2）隧洞長度（l）。l越長，hf1-2越大，hW1-2相應增大，隧洞進口建站與隧洞出口建站泵站建基面高程差加大，所以對長距離隧洞，隧洞進口建站更有優勢。

（3）泵站年運行時間（T）。T越短，裝機功率N增大對年用電量增加越不敏感，N可以取用較大值，使泵站以較高輸出揚程與較小隧洞洞徑相適配。由于隧洞進口建站泵站建基面高程不受hW1-2影響，在泵站揚程與隧洞洞徑間優化時，更能適應以增加泵站揚程換取隧洞洞徑縮小。

綜上所述，隧洞進口建站具有天然的位置優勢，泵站土建工程更省，泵站揚程與隧洞洞徑間優化更有潛力。隧洞越長、泵站年運行時間越短，這種優勢越大。

4 工程實例量化分析隧洞進口建站優勢

上述定性分析了隧洞進口建站的優勢，由于邊界條件眾多，難以給出定量結論。下面以實際出現的某案例與文中擬定的優化方案比較，進一步說明站址對工程及費用的影響程度。

4.1 某案例概況與優化方案

4.1.1 某案例

泵站布置在隧洞出口，年運行時間200 h，泵站設計流量200 m3/s。壓力隧洞內徑11.00 m，全長11 km，進口局部損失系數ζ1= 0.20，出口局部損失系數ζ2= 0.20（洞徑漸擴回收部分動能），洞壁用混凝土襯砌，粗糙系數n=0.012 5。隧洞工程費用為20億元。

4.1.2 優化方案

考慮到某案例具有隧洞距離長、泵站年運行時間短的特性，把泵站布置在隧洞進口后，通過增加泵站輸出揚程減小隧洞洞徑，有減少工程費用的潛力，擬定如下方案。

優化方案:泵站布置在隧洞進口，隧洞內徑7.78 m（斷面面積為某案例的1/2），其余條件與某案例相同。

4.2 某案例與優化方案的工程差異

由公式（3）計算某案例與優化方案的隧洞水頭損失，成果見表1。優化方案比某案例隧洞水頭損失增加11.21 m，其中hf1-2由2.11 m增加到13.05 m。

（1）隧洞洞徑。某案例隧洞洞徑為11.00 m；優化方案隧洞洞徑為7.78 m。

（2）泵站。①主泵房:某案例與優化方案主泵房平面尺寸均為80.00 m×49.00 m（進水面寬×順水向長度，下同）。某案例建基面高程-15.70 m，廠房地坪高程10.00 m。優化方案建基面高程-13.50 m，廠房地坪高程6.50 m。②前池:某案例須在前池內由有壓流轉化為明流，前池更長，前池平面尺寸為80.00 m×100.00 m，底板頂高程-12.70 m，岸墻須抵擋承泄區高水位，頂高程為9.30 m；優化方案前池平面尺寸為80.00 m×70.00 m，底板頂高程-10.50 m，岸墻受場地地坪高程控制，頂高程為6.00 m。③出水池:某案例出水池平面尺寸為80.00 m×20.00 m，出水池底板頂高程-2.00 m，岸墻、導墻頂高程為9.30 m；優化方案的出水池蛻變為高位井，與主泵房分建，運行期獨立承擔擋(Z2+ hW1-2)高水位任務，可免除主泵房擋高水位，高位井平面尺寸為80.00 m×30.00 m，優化方案隧洞水頭損失hW1-2= 13.41 m，高位井底板高程可以比某案例抬高一個hW1-2，受場地地坪高程限制，底板頂高程取6.00 m，高位井頂高程須比某案例抬高一個hW1-2，取23.00 m。

（3）優化方案泵站配套功率與年用電量增量。由公式（4）計算優化方案比某案例泵站配套功率增量（N增）和年用電量增量（E增）。參數取值如下:

式中:η電機為電機效率，取值0.93；η水泵為水泵效率，取值0.88；η流道為流道效率，因流速不變，故取值1.00。經計算，成果如下:

4.3 某案例與優化方案的費用比較

4.3.1 某案例與優化方案泵站工程費用比較

（1）主泵房:某案例與優化方案主泵房面積均為3 920 m2，某案例建基面至廠房地坪高度25.70 m，優化方案高度20.00 m，優化方案土建費用省。

（2）前池:某案例前池面積8 000 m2，岸墻高度22.00 m。優化方案前池面積5 600 m2，岸墻高度16.50 m。優化方案比某案例前池面積小，池更淺，土建費用省。

（3）出水池:某案例出水池面積1 600 m2，岸墻高度11.30 m。優化方案高位井面積2 400 m2，岸墻高度17.00 m。優化方案的高位井為鋼筋混泥土結構，工程量和單價都比某案例高，某案例土建費用省。

從某案例與優化方案泵站結構體積及結構圍護體積來看，某案例遠大于優化方案，某案例泵站建基面低，相比優化方案來說，以挖建為主，單價更高。優化方案在運行期高位井擋承泄區側高水位，非運行期防洪閘擋承泄區高水位，跟某案例整個泵站擋承泄區高水位相比，前者工程體量更小，防御承泄區河道水流沖刷、風浪的工程費用也更省。總體認為，優化方案比某案例泵站土建費用省。

在此，忽略某案例與優化方案泵站土建和防洪閘費用差異。

4.3.2 優化方案減少隧洞工程費用估算

隧洞洞徑由11.00 m縮小到7.78 m，減少隧洞挖方52.3 萬m3及相應襯砌工程量，現以最保守的洞徑減少比例29.3%折減，某案例中隧洞工程費用為20.00億元，則減少工程費用5.86億元。

4.3.3 優化方案增加電氣設備費用和電費估算

優化方案比某案例配套功率增加2.69萬kW，年用電量增加537萬kW · h。工程正常運行期按100 a計，機電設備經濟壽命按25 a計，在運行期更新4次，社會折現率為8%。

（1）優化方案增加電氣設備費用估算。功率7 500 kW的TL7500 — 48同步電動機價格為780萬元/臺[4]，以此推算，2.69萬kW電動機費用為2 798萬元，電氣一次部分費用按電動機費用50%計，運雜、安裝費按20%計，合計5 036萬元。在運行期更新4次，電氣設備及安裝部分費用折算成現值，增加5 750萬元。

（2）優化方案增加的電費估算。年用電量增加537萬kW · h，電價 0.664 4 元 /（kW · h）[5]，則每年增加電費357萬元。按100 a運行期折算成現值，電費增加4 461萬元。

優化方案增加電氣設備費用和電費合計1.02億元，減少隧洞工程費用5.86億元，效益顯著。

4.4 優化方案比某案例費效比低的討論

優化方案比某案例體現了更低的費效比，主要原因是優化方案隧洞進口建站，使泵站揚程與隧洞洞徑間優化更有效率。其次，某案例中隧洞特別長，排澇泵站年運行時間短，使隧洞進口建站的優勢得到了強化。

如按某案例，把泵站布置在隧洞出口，隧洞洞徑縮小到7.78 m后，泵站建基面高程和隧洞埋深需下降11.21m，將極大增加泵站土建工程量，同時惡化泵站運行和隧洞維護工作條件，洞徑縮小方案就不再成立。

某案例與優化方案隧洞水頭損失計算成果見表1。

表1 某案例與優化方案隧洞水頭損失計算表

5 結 語

（1）近期出現的排澇泵站與長距離壓力隧洞工程組合，屬“典型供水泵站管路系統”類型。不能習慣性地把排澇泵站站址選在隧洞出口，而應把站址選在隧洞進口。

（2）無論站址選在隧洞進口還是出口，泵站揚程相同，但出口站址泵站建基面高程需降低一個隧洞水頭損失值，增加泵站土建費用，所以隧洞進口建站具有天然的優勢。

（3）站址選在隧洞進口，把泵站與隧洞作為一個體系，可以按供水泵站經濟管徑思路，做泵站揚程與隧洞洞徑優化。隧洞越長，排澇泵站年運行時間越短，越有優化潛力。

（4）優化后的泵站，由于以揚程增加換取隧洞洞徑縮減，泵站特性由大流量、低揚程向大流量、中揚程發展，對水泵葉輪翼型和大功率同步電機制造提出了更大挑戰。