前置泵站在泵站設計中的應用

殷林海

(云南省紅河州水土保持監測中心站，云南 蒙自 661100)

隨著工業技術水平的提高和水資源的不斷開發利用，在現代的取水輸水工程中，泵站“提水”的方式迅速得到發展，對泵站的設計也提出了新的要求。泵站站址選擇與樞紐布置對整個工程的投資、施工及運行管理影響很大，如何綜合考慮站址的地形、地質、水流、泥沙、施工、征地拆遷、環境等條件，做到布置合理、有利施工、運行安全、管理方便、節約用地、投資節省和美觀協調，減少提水工程的能源消耗，降低泵站工程的運行成本，已成為泵站工程科技人員的重要任務。

對于從河流上直接取水的泵站，最低運行水位是確定水泵站安裝高程的依據。如果最低運行水位確定高了，將會引起水泵的氣蝕、振動，給工程運行造成困難；如果最低運行水位確定太低，將增大工程量，增加工程投資。對于從河道取水的灌溉提水泵站，確定最低運行水位時取用的設計保證率比確定設計運行水位時取用的設計保證率高，最低運行水位應取歷年灌溉期水源保證率為95%～97%的最低日平均水位。

從河道直接取水的灌溉提水泵站，在設計中應合理確定泵房的開挖深度。如開挖深度不足，滿足不了水泵安裝高程的要求，還可能因地質條件不滿足要求而增加地基處理的工程量；開挖深度過深，大大增加了開挖工程量、邊坡治理難度，極有可能受地下水位影響增加施工難度，對泵房施工、運行管理(如泵房內排水、防潮等)均帶來不利的影響，同時因通風、采暖和采光條件不好，還會惡化泵站的運行條件。針對開挖深度過深，工程量過大，筆者在工作實踐中提出將同一級泵站改為兩級泵站，在主泵站前增加低揚程的前置泵站，由低揚程的前置泵站為主泵站供水，這樣做，不僅可提高主泵站的水泵安裝高程，減少開挖工程量及后續相應工程措施，使主泵站泵房置于地面，施工容易，通風、采光及防潮條件較好，同時還可以在前置泵站的出水池上布置沉沙、沖沙及其他排沙措施，減少工程投資，方便運行管理。

1 增加前置泵站的可行性、合理性

1.1 水泵安裝高程

水泵安裝高程是指水泵的基準面高程，不同型式水泵的葉片安裝高程基準面是不相同的。若水泵安裝高程確定不合理，水泵將發生氣蝕，水泵性能下降，嚴重時會發生振動和噪聲及葉輪材料破壞，給工程運行造成困難，故水泵安裝高程確定合理與否，對防止水泵發生氣蝕至關重要。水泵安裝高程由泵站進水池的最低運行水位和水泵吸程決定，水泵吸程與吸水高度、水流的動能、吸水管路的水頭損失、水泵裝置處的海拔高程、當地大氣壓力和水的實際溫度等因素有關，水泵選型后，廠家會提供性能曲線，給出不同效率下的必須氣蝕余量，使用時只需根據當地大氣壓力和水的實際溫度進行修正即可。在水泵吸程確定后，水泵安裝高程就由泵站進水池的最低運行水位確定。換言之，可通過改變最低運行水位來實現所需的水泵安裝高程，這就為增加前置泵站提供了理論支撐。

1.2 前置泵站與主泵站流量不衡的問題

前置泵站與主泵站間流量不平衡的問題，是保證引水系統安全、經濟運行的關鍵之一。當前置泵站提水流量大于主泵站的抽水流量時，主泵站將發生棄水；當主泵站抽水流量大于前置泵站的提水流量時，主泵站前池(前置泵站出水池)水位將下降并可能被抽空，使機組受到氣蝕破壞。為此，應采取一定措施，解決前置泵站與主泵站間流量不平衡的問題，使前置泵站的來水與主泵站的抽水相適應，不致產生棄水或頻繁開停機現象。解決措施可采用帶變頻裝置的變速機組，改變機組的轉速以達到改變水泵抽水流量的目的。

綜上所述，在泵站設計中，增加前置泵站，提高主泵站最低運行水位，繼而抬高主泵站的安裝高程，從而達到減小開挖深度，減少開挖量及后續工程措施，理論上是可行的、合理的。

2 工程應用實例

2.1 基本情況

云南省紅河州彌瀘灌區位于云南省紅河州北部，涉及彌勒、瀘西兩市(縣)13個鄉鎮和1個農場的農業灌溉和鄉鎮供水，設計總灌溉面積4萬hm2，是國家150件重大水利建設項目之一。團結提水泵站由團結泵組和平地泵組組成，灌溉控制高程為1350m，設計灌溉面積1600hm2，其中團結泵組設計灌溉面積為1000hm2，設計流量0.48m3/s；平地泵組設計灌溉面積為600hm2，設計流量0.28m3/s。泵站水源為甸溪河，泵站布置于右岸，地勢較平坦，自然邊坡坡度為5°～15°，山坡坡腳處稍陡，地面高程1095～1100m。地基土層有高液限黏土、含砂低液限黏土、含礫低液限粘土、含細粒土礫及礫石等。設計水位取歷年灌溉期滿足設計灌溉保證率的日平均水位，河道水位為1091.10m；最高運行水位取重現期5年一遇洪水的日平均水位，河道水位為1094.3m；最低水位取歷年灌溉期水源保證率為95%最低日平均水位，河道水位為1090.30m。

2.2 方案比較

設計時，選取一級提水方案和(前置泵站+主泵站)二級提水方案進行比選：

方案1：一級提水，即設取水渠、取水閘直接從河道引水至進水池，再經泵站提水至高位水池。共設4套水泵機組，其中團結泵組設2套水泵機組(無備用)，單機提水流量0.24m3/s，總提水流量0.48m3/s；平地泵組設2套水泵機組(無備用)，單機提水流量0.14m3/s，總提水流量0.28m3/s。

方案2：分二級提水，即先在河道取水口處設一座低揚程的前置泵站，將水提到稍高處的進水池，其后再設主泵房，經水泵將水提至高位水池。前置泵站布置3臺潛水型導葉式混流泵，總裝機容量135kW，總設計提水流量0.76m3/s，提水設計凈揚程8.75m。主泵站布置4臺水泵機組，其中中團結泵組設2套水泵機組(無備用)，單機提水流量0.24m3/s，總提水流量0.48m3/s；平地泵組設2套水泵機組(無備用)，單機提水流量0.14m3/s，總提水流量0.28m3/s。水泵機組采用單列布置，泵站采用一機一管的正向進水、正向出水方式。

2.2.1水泵選型

水泵基本參數表見表1。

方案1：團結泵站水泵揚程范圍為263.95～268.87m，單泵設計流量0.19m3/s，屬于高揚程水泵，在此揚程、流量下適宜的水泵型式為中開臥式多級離心泵。

方案2：前置泵站水泵揚程范圍為4.4～10.9m，設計流量為0.76m3/s，屬于低揚程水泵，結合團結泵站2個供水方向的供水流量(分別為0.48m3/s和0.28m3/s)，采用裝機3臺方案，在此揚程、流量下適宜的水泵型式為導葉式混流泵。

團結泵組水泵揚程范圍為252.0～264.7m，單泵設計流量為0.24m3/s，屬于高揚程水泵，在此揚程、流量下適宜的水泵型式為中開臥式多級離心泵。

平地泵組水泵揚程范圍為165.8～180.9m，單泵設計流量為0.14m3/s，屬于高揚程水泵，在此揚程、流量下適宜的水泵型式為中開臥式多級離心泵。

2.2.2水泵安裝高程的計算與確定

水泵安裝高程用下列公式計算：

(1)

(2)

水泵安裝高程計算見表2。

表1 水泵基本參數表

表2 水泵安裝高程計算表 單位：m

根據上述計算成果，考慮運行便利及可靠，水泵均采用淹沒式進水，結合地形、地質條件，水泵外形尺寸及泵房布置要求，方案1水泵安裝高程確定為1088.70m，方案2水泵安裝高程確定為1095.80m，方案2比方案1的水泵安裝高程抬高7.1m。

2.2.3工程總體布置

方案1:取水渠長20m，首端寬12.3m，末端寬1.5m，收縮角15°，底坡1/6.7，首端底板高程1090.90m，末端底板高程1087.95m。取水閘緊接取水渠末端，長7m，寬4.9m，高11.75m，設檢修門槽和工作閘，閘門孔口尺寸為1.5m×2.0m(寬×高)。取水閘后接進水池，進水池尺寸為42.0m×8.4m×11.75m(長×寬×高)，底板高程1087.95m。最高運行水位1094.00m，設計運行水位1090.80m，最低運行水位1090.30m。主廠房尺寸為53.0m×13.0m×22.75m(長×寬×高)，分為地上和地下結構，其中地下結構高12.25m，地上結構高10.5m。水泵中心距8.0m，水泵安裝高程為1088.70m。

方案2：取水閘即為前置泵房，泵房尺寸為10.0m×10.8m×10.7m(長×寬×高)，共3孔，單孔凈寬2.0m，底板頂高程1088.70m。最高運行水位1094.00m，設計運行水位1090.80m，最低運行水位1090.30m。在進口處設1道攔污柵，采用電動葫蘆起吊。河水經潛水泵加壓后由3根DN400出水管流入進水池，出水管平面長度6.0m，坡度為1∶1。進水池為敞開式，尺寸為28m×7m×8.5m(長×寬×高)，底板高程1095.00m，在進水池上游側壁設兩根DN500溢流管，在上游底板處設1道沉沙溝，尺寸為26m×1m×0.5m(長×寬×高)。主廠房尺寸為43.0m×11.0m×15.5m(長×寬×高)，分為地上和地下結構，其中地下結構高5.0m，地上結構高10.5m。團結泵組水泵中心距7.0m，平地泵組水泵中心距5.5m，水泵安裝高程均為1095.80m。兩方案縱向示意如圖1—2所示。

2.2.4取得效果

方案1和方案2主要項目對比結果見表3。

由表3可知，水泵安裝高程提高了7.1m，最大開挖深度減小了5.85m，占地面積減小了0.23hm2，方案2的主要土建工程量比方案1均有大副減少，減少副度超過30%以上，節省投資約近608萬元。方案1中取水渠、取水閘、主廠房均埋深較大，主廠房從地面到基面深度達12.25m，需分3層布置，結構復雜，且對穩定不利，對泵房施工、運行管理(如泵房內排水、防潮等)均帶來不利的影響。相比方案1，方案2有較明顯的技術合理性及經濟效益，取得了較好的效果。

圖1 方案1縱向示意圖

圖2 方案2(前置泵站+主泵站)縱向示意圖

表3 方案1和方案2主要項目對比表

3 結語

(1)對從河流取水的泵站，尤其是小流量的灌溉提水泵站，當開挖深度較大時，采取增設低揚程的前置泵站，提高主泵站水泵安裝高程，從而減少開挖量，改善泵站運行條件，技術上是可行的，可取得良好的經濟效益。

(2)對從多泥沙河流取水的泵站，當不具備自流引水沉沙、沖沙條件及其他排沙措施時，同樣也可采取增設低揚程的前置泵站，將水提至適當高程、合適位置設置沉沙、沖沙及排沙措施。

(3)前置泵一般選用潛水混流泵，具有大流量，低揚程的特點，水泵葉輪和電機轉子安裝在同一根軸上，機組結構緊湊，輔助設備少，泵站啟停控制簡單，可直接在水下使用。