水庫應急補水浮船取水技術研究

楊學江，李 萌

(四川港航建設工程有限公司，四川成都 610000)

隨社會經濟的快速發展，工業和民生用水的工程也隨之增多，而如何根據實際情況選擇最適宜的取水方式就顯得尤為重要。30多年來，我國補水工程有了很大發展，在取水工程結構設計和施工方面，也有較多革新。如水位變化幅度大的深基泵房底板，采用錨桿嵌固技術處理，對于泵房穩定和減薄底板厚度起了重要作用，有的中小型取水泵房，采用薄壁瓶式豎井泵房，將基礎嵌入巖石一定深度，可克服泵房筒體的浮力，減少薄井筒壁厚和底板厚度。以上結構形式，均具有技術較先進、節省投資、材料消耗低、施工周期短和使用安全等優點。

1 工程概況與取水技術原理

1.1 工程概況

營山縣幸福水庫應急補水工程線路起于綠水鎮浮山村，止于幸福水庫，設計起點樁號為K0+000，設計終點樁號為K6+600.354，全長約6.6 km。管線大部分采用明挖法施工，跨河部分采用橋管，局部埋深較深處采用頂管，局部采用支墩架管。管道一般埋深約1～3 m，擬采用直徑1000 mm鋼管。另有三處泵船支墩及一處變配電房，泵船支墩基礎埋深約1.5 m，變配電房基礎埋深約3.5 m。取水頭部采用浮船取水，補水規模6×104m3/d。

1.2 取水技術原理

水庫邊及江河湖泊建設大型取水工程主要采用泵船，傳統的施工做法是，在山區水庫邊江或河湖泊建造固定汲水泵站，先圍堰筑壩，然后全部抽干圍堰區域內的水，建造泵房，再安裝管路、閥門、控制、水泵等。固定式泵站的特點是：(1)施工周期長，圍堰工作量大，費用高；(2)泵房造價高，水位落差越大，泵房造價越高；(3)傳統汲水泵站因取水口固定在低水位以下，取出的水永遠是底層的原水，泥砂含量較高；(4)進水管一直沉在水底，如遇污物堵塞，無法發現和清理；(5)泵站建設時對環境影響大，安全系數低。

鑒于以上論述，為了克服傳統汲水泵站建造使用時存在的缺點，滿足不同工況下的特殊取水要求，結合傳統的取水方式并進行改進和創新，營山縣幸福水庫應急補水工程采用浮動泵站取水，這種方式水下工程量少，施工簡便，投資較少，不但可作為臨時補水，同時可以作為永久性取水結構，可顯示其機動靈活的優越性。浮動泵站主要采包括起吊設施(檢修時使用)、出水管、泵站浮體、水泵、進水管、真空系統、輸水管、配電系統、閥門、消防系統、自動控制系統、錨固系統、發電機組、棧橋等組成部分(根據用戶要求及實際工況選擇配置)；泵船在水位變化時，能連續供水，無須更換接頭。浮動泵站可采用PLC全自動控制及手動控制，水泵啟停操作簡單，運行安全可靠。智能化模塊拼裝取水泵站是個系統工程，涉及到船舶、電氣、給排水、高低壓控制系統、自控系統、防腐學、材料學、力學等多門專業。圖1為水庫應急補水浮船取水工藝剖面示意圖，水庫應急補水浮船取水安裝施工示意圖如圖2所示。

2 水庫應急補水浮船取水設計施工方案

2.1 確定取水方案

根據前期調研，儀隴河在安固鄉設有溢流壩，浮山村取水點處河岸較陡(α=25°～30°)、停泊條件較好。針對山區小河流的特點、場地交通運輸條件以及本工程應急時效性要求，同時結合岸邊固定式取水泵房存在選址論證、水下地質勘察等前期耗時工作，且混凝土施工、養護周期長，為了節省工期，推薦采用浮船取水。

2.2 確定浮船設備及其附屬設施

浮船設備由專業廠家配套提供，并負責整體安裝。棧橋即是為了聯系取水泵頭部的人行棧道和取水管道的承托棧道，也是水廠人員察看取水泵運行情況和維護維修取水泵的通道。浮船是安裝水泵的平臺、也是維修維護水泵的平臺。移動式取水浮橋、浮船主體為鋼質、全電焊、橫骨架式結構，取水泵安裝在浮船中。浮橋上的輸水鋼管也為分節式、每節之間以軟接頭相連接。浮橋與岸邊的聯接采用軸輪和軸套筒，以適應浮橋隨水位上下而變化、左右之擺動。為了實現供配電，在岸邊平坦處設一座變配電間，出入道路與現狀村道順接。

圖1 水庫應急補水浮船取水工藝剖面示意

圖2 水庫應急補水浮船取水安裝施工示意

2.3 浮船取水平臺的確定

綜合考慮幸福水庫所處的勢及地區域位置，儀隴河的水源為最優選擇。根據提供的資料，儀隴河在2011年、2012年出現斷流現象，2013～2015年最小流量平均為7.3×104m3/d。因水文監測站建站時間短，缺乏儀隴河流量持續時間、洪水位、枯水位等水文資料。根據2016年8月16日的地形測量單位實測河道斷面及流速推算，儀隴河取水口處流量為99.7×0.075=7.48m3/s，流量折合為64.6×104m3/d。從營山縣城目前實際供水情況來看，城北凈水廠供水規模4×104m3/d，老水廠供水規模2×104m3/d，合計6×104m3/d，因此浮船取水平臺按照6×104m3/d設計。

2.4 取水泵的選型

為了在雨季“搶水蓄水”，本工程考慮豐水期(夏、秋兩季)取水6個月，3臺水泵全開，取水規模=9×104m3/d，枯水期(冬、春兩季)取水6個月，只開1臺水泵，取水規模=3×104m3/d。則全年平均可補水6×104m3/d，可以滿足營山縣城目前的供水需求。自然地形高差逾54 m，為保證選型揚程及水泵效率，因此取水泵采用14SH-28 350S16雙吸單級離心泵。

2.5 浮橋、泵船防腐施工

為了確保浮船水下部分終身免維護，且使用年限15 a以上，全浮船、連接件鋼材及棧橋除了選用像螺、防水藻等水生物的高級防腐防污材料，還應增加其厚度。

2.6 取水泵的選型

浮橋上取水管采用DN300鋼管，水泵采用恒流量變壓力變頻調速控制，以適應水庫水位的變化所引起的取水揚程和取水量的變化，從而節能省電。

2.7 浮船取水的附屬構筑物設計

2.7.1 閥門及閥門井

閥門采用：DN≤300mm的閥門均采用手動軟密封閘閥；DN>400 mm的閥門采用手動法蘭式偏心臥式蝶閥。閥門的公稱壓力P=1.0MPa。

閥門井采用：蝶閥井采用混凝土矩形臥式蝶閥井，閘閥井采用混凝土立式閘閥井。

2.7.2 排氣閥及井

在管道上容易積聚空氣的高點或一定長度的管道上設置彌合水錘預防閥，除橋管上的彌合水錘預防閥無需設置排氣閥井外，埋地管道均設排氣閥井，采用鋼筋混凝土排氣閥井。

3.7.3 排泥閥井

在管線的低凹處均設置排泥井。

排泥井：采用鋼筋混凝土排泥閘閥井，井內設彈性座封閘閥，通過磚砌φ800 mm排泥濕井間接泄水，排泥濕井兼作消力池。

2.7.4 水囊式空氣壓力罐

在樁號0+025處設置水囊式空氣壓力罐，靠近水泵出水口，起防止停泵水錘或彌合水錘的作用。

在管網和空氣壓力罐之間安裝一個檢修閥，便于將空氣壓力罐和管網分離開；在檢修閥和空氣壓力罐中間安裝一個旁通管，旁通管上安裝一個排水閥，具體詳見圖3。

圖3 水囊式空氣壓力罐原理

本次設計選型壓力罐容積V=6m3，就地設置混凝土基礎，氣壓罐采用吊環移動空氣壓力罐，便于起吊。

2.7.5 水錘泄放閥及井

在壓力罐之后設置水錘泄放閥，設置樁號0+030。

水錘泄放閥DN300，設于水錘泄放閥井內，鋼筋混凝土井尺寸A×B×H=1300mm×1300mm×1800mm。閥后排水管DN300，將排水引至邊溝或河邊。

2.7.6 管道支墩

浮船取水設計在岸邊設置2個主支墩，用于固定輸水管棧橋、人行棧橋，同時在兩旁分設2個鋼纜副支墩。

2.8 水錘分析

根據水錘分析計算結果，本設計采取如下措施。

按照驗算數據，泵后液控止回偏心半球閥的關閥規律為10 s關閉20 %，3 s關閉80 %，全程關閉時間為13 s。水囊式空氣壓力罐是很好的解決此類復雜地形的裝置，本工程選擇6 m3的水囊式空氣壓力罐，有效容積不小于4 m3(正常運行時的含水量)，與主管連接的管徑應不小于DN200，盡量靠近主管。

2.9 電氣設計

電氣設計以本工程引入的10 kV電源線進入總變配電間10 kV進線柜進線電纜終端頭為界；電纜終端頭及整個10 kV電源進線線路則由當地供電部門負責完成。本次設計具體內容有：站內高、低壓供配電系統設計、電氣控制及布置設計、照明配電及布置設計、導線敷設設計、防雷及接地保護設計。通過綜合技術經濟比較，本工程設計采用一臺所用變壓器，變壓器容量為75 kVA。

3 浮船取水施工安全防護措施

3.1 安全配置

消防救生設備：按有關規范，浮橋兩邊和浮船三周邊安裝鋼制擴欄、浮船配備了救生圈、移動式手動吊葫蘆等。

3.2 平衡措施

為保證取水泵船的正常使用和操作人員的安全，浮橋和泵船上的設備布置保證船體的平衡和穩定，力爭泵船在不增加載荷(平衡水管、壓載物等)的情況下達到自平衡，在工作狀態下也保持平衡穩定。

3.3 穩定性措施

本船穩定性滿足取水泵船的要求，泵船之干舷尺寸、吃水深度、船體能防風、浪及其它沖擊的影響。

3.4 不沉性措施

浮橋、泵船為首尾對稱的方箱形結構，并合理地選用船體鋼板的厚度。當泵船發生事故時，亦能確保船體的不沉性。

4 結論

本文結合國內外相關學者已有的研究并結合營山縣幸福水庫應急補水工程實際情況，對汲水泵站進行改進和創新，采用浮船取水技術有效地解決了營山縣幸福水庫的補給水施工難題。浮動泵站隨著水位漲落可實現自動升降，泵站整體穩定性較高，與傳統的固定式泵房相比較，不需要進行圍堰施工，工期明顯縮短，節約了成本；同時解決了固定式泵房進水管容易被堵塞且難以清理的難題，配合懸臂戶外吊車，保養檢修簡便。分析論證了采用浮船取水的可行性，具有良好的經濟效益和市場推廣價值，為類似工程實踐提供了借鑒依據。