棗莊市山城橡膠壩水泵選型設(shè)計分析

褚 洋

（棗莊市水利勘測設(shè)計院，山東 棗莊 277000）

橡膠壩作為景觀效果好、性價比高的攔蓄工程，越來越多地出現(xiàn)在河道中。橡膠壩通過水泵實現(xiàn)充壩、塌壩，水泵的運行狀況直接影響到工程防洪安全和蓄水灌溉、景觀等效益的發(fā)揮。作為充排水系統(tǒng)中的重要水力設(shè)備，水泵的合理選型是橡膠壩正常運行的關(guān)鍵。

1 水泵選型設(shè)計

1.1 泵型初選

根據(jù)《橡膠壩工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50979-2014），水泵的選型應(yīng)根據(jù)橡膠壩的規(guī)模、充（塌）壩時間及擬定的系統(tǒng)計算水泵的流量及揚(yáng)程。

1）水泵流量。水泵的流量按公式（1）計算：

式中：Q 為計算水泵所需最小流量，m3/h；V為壩袋充水容積，m3；n為水泵臺數(shù)；t為充、塌壩所要求的最短時間，h。

2）水泵揚(yáng)程。水泵的揚(yáng)程按公式（2）計算：

式中：HB為水泵所需揚(yáng)程，m；α 為壩袋內(nèi)、外壓比；H1為設(shè)計壩高，m；Δ3為壩底板高程，m；Δ2為水泵吸水管最低水位，m；ΔH 為水泵吸水管和出水管水頭損失總和，m。

1.2 泵型復(fù)核

根據(jù)規(guī)范推薦的公式（1）、（2）計算出的數(shù)據(jù)為水泵最小流量和最大揚(yáng)程，可用作水泵型號初選的依據(jù)。但在橡膠壩實際運行中，隨著壩袋充水升壩或排水塌壩，水泵出水管口或進(jìn)水管口水壓力在不斷變化，總揚(yáng)程也隨之變化。因此，水泵的揚(yáng)程應(yīng)根據(jù)不同工況、不同進(jìn)出口水位組合進(jìn)行計算，以進(jìn)一步復(fù)核初選水泵是否符合工作要求，具體可采用公式（3）（4）分別計算充水、排水時所需水泵揚(yáng)程。

式中：4為強(qiáng)排管出水口水位，m；其他符號意義同上。

充壩工況下，初始時具有最小凈揚(yáng)程，壩袋升至設(shè)計壩高時具有最大凈揚(yáng)程；塌壩強(qiáng)排工況下，初始時壩袋內(nèi)水位最高，具有最小凈揚(yáng)程，壩袋塌平時具有最大凈揚(yáng)程。在計算中，應(yīng)分別按照充壩、塌壩兩種不同工況，根據(jù)水泵進(jìn)、出水口凈揚(yáng)程和相應(yīng)管路水頭損失計算水泵所需揚(yáng)程，同時結(jié)合水泵Q～H 性能曲線，通過不斷試算確定水泵實際工況點，復(fù)核初選泵型工況點范圍是否在其工作高效區(qū)內(nèi)。否則，應(yīng)通過調(diào)整泵型或管道直徑、出口高程等措施使水泵滿足工作要求。

2 工程設(shè)計實例

以山東省棗莊市山亭區(qū)山城橡膠壩為例，闡述分析充、排水水泵選型設(shè)計。

山城橡膠壩位于棗莊市十字河北支上，壩址以上流域面積123.26 km2，工程規(guī)模為中型，是一座具有蓄水灌溉功能的水利工程。由于年久失修，壩袋老化漏水，泵房滲水，機(jī)電設(shè)備銹蝕損壞，該壩已不能運行。2020 年，對山城橡膠壩實施了除險加固工程，主要建設(shè)內(nèi)容為更換壩袋、新建泵房及其充排水系統(tǒng)等。橡膠壩壩長66 m，設(shè)計壩高3.5 m，壩袋設(shè)計內(nèi)、外壓比為1.3，壩袋容積1 390.95 m3。在橡膠壩左岸設(shè)置集水井和充排水泵房，內(nèi)設(shè)充排水管管路，配備2 臺充水泵和2臺強(qiáng)排泵（1 用1 備）以實現(xiàn)升壩和快速塌壩。根據(jù)橡膠壩控制運用、山丘區(qū)典型洪水過程特點和已建工程經(jīng)驗等因素，綜合確定該橡膠壩設(shè)計充壩時間5 h，設(shè)計強(qiáng)排塌壩時間1.5 h。

根據(jù)壩高、壩袋容積等數(shù)據(jù)和公式（1）（2）分別計算充水泵和強(qiáng)排泵的流量、揚(yáng)程，進(jìn)行水泵初選。初選的充水泵和強(qiáng)排泵性能曲線分別如圖1、圖2 所示。

圖1 充水泵性能曲線（曲線2）

圖2 強(qiáng)排水泵性能曲線

根據(jù)充壩、塌壩時不同工況，進(jìn)行泵型復(fù)核。通過試算確定不同條件、不同進(jìn)出口水位組合下的水泵工況點，分析是否在水泵工作高效區(qū)內(nèi)。充水泵的工況范圍分別見圖3 和表1，強(qiáng)排水泵工況范圍分別見圖4 和表2，圖中最大H 凈線、最小H 凈線之間的Q～H 曲線就是水泵工作工況范圍。通過表中水泵工況點范圍和水泵性能曲線分析，充、排水泵工況點范圍均在其運行高效區(qū)內(nèi)，故初選水泵泵型是合適的。

圖3 充水泵工況范圍圖

圖4 強(qiáng)排泵工況范圍圖

表1 充水泵運行工況點范圍

表2 強(qiáng)排泵運行工況點范圍

水泵選型是橡膠壩充排水系統(tǒng)設(shè)計中的重要工作，水泵的工作狀態(tài)直接影響工程安全、使用壽命和效益的發(fā)揮。山城橡膠壩除險加固工程已完成蓄水驗收，橡膠壩充排水系統(tǒng)經(jīng)過多次充、塌壩試驗，目前正常運行。