城市活水工程泵站選型研究
——以九江鎮(zhèn)聯(lián)合涌活水工程為例

麥熾球

(佛山市南海區(qū)九江水利所，廣東 佛山 528000)

隨著城市的快速發(fā)展，居民工業(yè)等用水量逐漸增加，對沿線河道水系的水資源需求逐漸增加，導(dǎo)致現(xiàn)狀河道水系下流流量逐漸減少，水動力不足，水質(zhì)不斷惡化，制約城市整體發(fā)展[1]。活水工程即將外源較好的水源通過管道管渠等方式向水動力缺乏或污染較為嚴(yán)重的城市河道水系注入來水流量，達(dá)到水動力措施和促進河道水系水質(zhì)整體改善的目的[2]。城市活水工程在現(xiàn)有水系格局前提下，遵循上游引進下游排出原則，加強內(nèi)部水系的水動力，全面提高城市水環(huán)境效益[3]。活水泵站遵循規(guī)劃總體布置，局部與整體相結(jié)合的方式力求外形美觀，管理方便，充分利用現(xiàn)有水利工程及河涌條件，因地制宜地進行全面綜合設(shè)計[4]。城市活水工程主要由活水泵站、活水管線等組成，其中活水泵站的泵房，泵站選型等設(shè)計參數(shù)顯得尤為重要，直接關(guān)系到活水工程的整治效果[5]，因此活水泵房的設(shè)計尤為重要。

本文以九江鎮(zhèn)聯(lián)合涌為例，通過對聯(lián)合涌活水工程的整體設(shè)計，采用閘門泵的形式設(shè)計泵房典型參數(shù)，重點分析了泵站泵型比選，選擇全貫流電泵作為泵房泵型，全貫流電泵整體性能能夠滿足活水工程需求，以期為類似活水工程泵站選型提供參考依據(jù)。

1 工程概況

九江鎮(zhèn)屬于廣東省佛山市南海區(qū)下轄的鄉(xiāng)鎮(zhèn)之一，原沙頭鎮(zhèn)并入九江鎮(zhèn)后形成新區(qū)劃九江鎮(zhèn)，地理位置在佛山市南海區(qū)的南端，由東邊相鄰順德區(qū)龍江鎮(zhèn)，西南方向為鶴山市，西北方向為高明區(qū)，北邊相鄰南海區(qū)的西樵鎮(zhèn)。九江鎮(zhèn)聯(lián)合涌活水泵站工程位于九江鎮(zhèn)沙頭大涌與羅客涌交匯處(萬安西路南側(cè))。按活水規(guī)劃要求，新建泵站設(shè)計引水流量為2.0 m3/s，泵站為閘門泵形式，閘門寬度為3.0 m，底板降低到-1.50 m。泵室采用雙孔箱涵結(jié)構(gòu)，總長21.00 m，寬度為8.20 m，單孔寬度為3.0～3.3 m，底板面高程為-1.00～-1.50 m，底板面高程為3.30 m。底板前后與現(xiàn)有河涌銜接，高程為-1.00 m，降低到閘門最低點為-1.50 m。底板厚度為0.60 m，頂板厚度為0.35 m。安裝2臺600QGWZ-125型全貫流電泵，電機功率65 kW，總裝機容量130 kW，實際總裝機流量2.32 m3/s，本工程等別屬于Ⅳ等，建設(shè)規(guī)模為小(1)型泵站，主要的永久性建筑物建設(shè)級別為4級，永久性次要建筑物為5級。聯(lián)合涌活水泵站將人字水引入的外江活水從沙頭大涌提升至羅客涌、聯(lián)合涌，將水推動進入東西運河匯入南北主涌，最終由沙口泵站排出。項目建設(shè)周期為12個月，計劃安排在當(dāng)年12月—次年12月施工，各個工序之間互相交叉，確保工程按時完成[6]。

2 泵站設(shè)計

2.1 工程地質(zhì)

2.2 泵站特征水位

工程選址位于九江鎮(zhèn)沙頭大涌與羅客涌交匯處(萬安西路南側(cè))，采用閘門泵的形式不會影響到現(xiàn)有的河涌排澇能力，水泵的安裝在閘門上，整體泵站均布置在現(xiàn)有水利用地內(nèi)，不用新增征地，不需要拆現(xiàn)有土建。結(jié)合工程特點，活水泵站選擇為開敞式無進水流道型，泵室進水流道垂直方向尺寸小，泵室基礎(chǔ)面較淺；泵室結(jié)構(gòu)規(guī)整，線條簡單，施工方便，質(zhì)量保證。泵站不同工況下水位設(shè)計(見表1)，活水泵站進水池水位一般保持不低于0.70 m，平時保持0.5～1.5 m，取0.7 m作為活水泵站設(shè)計水位；考慮攔污柵過柵與過路涵洞的損失0.2 m，則進水池水位為0.5 m。由于當(dāng)沙頭大涌水位為低于0.50 m時，水質(zhì)較差，而且過路涵洞底板面高程為-0.30 m，考慮攔污柵過柵與過路涵洞的損失0.2 m，因此本階段將最低開機水位0.30 m，出水池水位羅客涌控制水位1.70 m，考慮到出口損失，出水池設(shè)計水位為1.80 m。

表1 泵站工況水位 m

2.3 主要構(gòu)筑物設(shè)計

活水工程泵站采用雙孔泵室的結(jié)構(gòu)，不減少現(xiàn)狀河涌的寬度，采用閘門泵的形式布置在河涌中間處，不會影響現(xiàn)狀河涌的排澇能力，臺水泵布置在閘門上面，為了減少垃圾對水泵的影響，在泵室入水口設(shè)置攔污柵門槽，安裝攔污柵，泵站所有的附屬建筑物均布置在泵室頂面，減少以后擴涌對現(xiàn)有泵站的影響。活水泵泵站2臺600QGWZ-125水泵布置在2扇閘門上面閘門，閘門寬度為3.0 m，底板降低到-1.50 m；泵室采用雙孔箱涵結(jié)構(gòu)，總長20.0 m，寬度為8.20 m，單孔寬度為3.0～3.3 m，底板面高程為-1.0～-1.50 m，底板面高程為3.30 m；泵室面高程3.30 m，在泵室的上部區(qū)域設(shè)置有啟閉室，啟閉室設(shè)計1×16 t型電動卷揚機2臺，同時閘面上預(yù)留著卷揚機安裝孔口，方便水泵檢修。外江段U形明渠總長6.1 m，凈寬度為7.2 m，墻頂高為2.2 m，底板面高程為-1.0 m，將泵室與現(xiàn)有方涵連通；內(nèi)涌段U型明渠總長3.0 m，凈寬度為7.2 m，墻頂高為2.2 m，底板面高程為-1.0 m，將泵室與現(xiàn)有擋土墻連通。底板厚度為0.4 m，頂板厚度為0.4 m。

滲流穩(wěn)定計算采用允許滲徑系數(shù)法進行計算，如式(1)所示，地質(zhì)鉆探顯示基面以下是置換砂層，砂層滲徑系數(shù)C=7～5；設(shè)計水位差在最高水位最大時計算△H值為1.5 m，根據(jù)規(guī)范要求泵站的滲徑設(shè)計參數(shù)需要>10.5 m的范圍，根據(jù)計算可知泵室實際滲徑的長度為22.7 m>10.5 m，可知實際滲徑長度滿足現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范。同時計算(見表2)可知，4級建筑物的地基的抗滑穩(wěn)定安全允許值在荷載基本組合時為1.20，在荷載特殊組合時為1.05，均滿足現(xiàn)有規(guī)范對抗滑穩(wěn)定安全允許值的要求。根據(jù)現(xiàn)場勘測，泵站的天然地基屬于粉質(zhì)性黏土，因此整個泵房地基按中等堅實土進行基礎(chǔ)處理，計算可知地基反力不均勻系數(shù)允許值基本荷載組合為2.0，特殊荷載組合為2.5，結(jié)果均大于設(shè)計推薦值，滿足現(xiàn)有的設(shè)計規(guī)范要求。

表2 泵室整體穩(wěn)定計算成果表

L≥CΔH

(1)

3 泵型設(shè)計

水泵選型在設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的各種工況水泵機組能正常安全運行，必須滿足流量和揚程的要求，具有高效范圍運行，泵站效率較高，能量消耗少，運行費用較低，工程投資較少等特點，不允許發(fā)生氣蝕、振動和超載等現(xiàn)象。

3.1 泵型比選

活水泵站主水泵類型一般根據(jù)泵房選址、周邊環(huán)境和泵站流量設(shè)計要求、活水性質(zhì)等進行綜合比選，在一般的情況下，對于揚程較小的泵(如<10 m)時建議選用全貫流電泵或常規(guī)的GQB型貫流潛水泵。本工程設(shè)計揚程2.40 m，最高揚程2.90 m，均<10 m，根據(jù)比較(見表3)后可知，全貫流電泵具有整體結(jié)構(gòu)布局緊密，軸向尺寸相對同類型泵減小約一倍，泵體重量較輕，金屬耗量比傳統(tǒng)同類別泵型低，僅為傳統(tǒng)潛水電泵的一半，一體化高精度裝配，動靜平衡性能良好，運行平穩(wěn)無噪聲，機械振動低等特點。結(jié)合本工程運行特點，調(diào)查已建低揚程泵站的實例，本工程揚程較低，水力損失小，結(jié)構(gòu)流道平直，適用于臥式泵。臥式全貫流電泵具有揚程低、流量大，在國內(nèi)廣泛使用。本工程水泵類型設(shè)置全貫流電泵600QGWZ-125型全貫流電泵2臺，單泵裝機流量1.16 m3/s，最大引水流量為2.32 m3/s，總裝機容量130 kW。

表3 泵型對比表

3.2 水力計算

根據(jù)設(shè)計手冊，水泵入口損失ΔH1與水泵出口與拍門水力損失計算ΔH2的計算如式(2)、式(3)所示，水泵入口損失ΔH1=0.2758Q2；水泵出口與拍門水力損失計算ΔH2=0.5512Q2，總水力損失為0.8268Q2。600QGWZ-125 水泵裝置性能曲線在設(shè)計工況下為H設(shè)計=1.30+0.8268Q2，在最高工況下H校核=1.50+0.8268Q2，上述最高工況和設(shè)計工況下曲線在水泵性能曲線圖進行疊加組合，得到泵房選型水泵的相關(guān)工作點參數(shù)，方案設(shè)計工況、最高工況和平均揚程工況下潛水電泵工作點整體都位于高效工作區(qū)，設(shè)計流量及揚程要求均能滿足運行工況要求，因此泵型選擇合理。

(2)

(3)

式中：δ1為入泵入口局部阻力系數(shù)；v為水泵入(出)口流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；δ2為水泵出口局部阻力系數(shù)。

3.3 電氣設(shè)計

電氣布置在泵室頂旁邊，總寬為13.0 m，長為13.05 m，內(nèi)安裝水泵控制柜。設(shè)置雙層廠房，一樓作為低壓控制室與中控制室，二樓為啟閉機室與站區(qū)管理人員管理室。活水泵站電源及主電路配套電動機為65 kW，電壓等級0.38 kV，總裝機容量130 kW，另有三個節(jié)制閘及站內(nèi)用電負(fù)荷約為15 kW。工程負(fù)荷等級為三級，系統(tǒng)接地型式采用TN-S。本工程供電電源點接泵站附近人字水泵站，供電距離約為405 m，采用YJV22-0.6/1 kV-4×95+1×50電力電纜埋地敷設(shè)及BVV-3(1×185)+1(1×95)電力電線架空敷設(shè)方式結(jié)合。

活水泵站全部為0.4 kV異步電動機，采用軟啟動方式，電動機額定功率為65 kW，額定電壓為0.4 kV，轉(zhuǎn)速為1000 r/min，功率因數(shù)為0.8，額定效率為93.4%，堵轉(zhuǎn)電流為5.32A，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為1.4，最大轉(zhuǎn)矩為2.0。低壓采用GCK低壓抽出式開關(guān)柜3面，電動機設(shè)電機控制柜1面，啟動采用軟啟動方式。1面控制箱控制2臺電機。低壓電纜室內(nèi)選用ZRYJV-1 kV型阻燃交聯(lián)電纜，室內(nèi)選用YJV-1 kV型交聯(lián)電纜。敷設(shè)方式主要采用電纜溝、電纜支架、電纜穿鋼管等。中控室集中控制為主，開關(guān)柜、配電屏、機旁控制為副，電動機設(shè)過流保護、電流速斷保護等，保護定值設(shè)置在低壓智能開關(guān)，過負(fù)荷保護動作于熱繼電器。

3.4 閘門設(shè)計

泵室2孔設(shè)兩扇閘門，閘門寬3.0 m。閘門需要雙向擋水，所以單向擋水的人字門、掩門等閘門不適用，雙向擋水的一般采用平面閘門。根據(jù)本工程的特點，需要將水泵掛在閘門上，考慮維修、管理方便，閘門采用直升式平面閘門形式。閘門采用多主梁平面結(jié)構(gòu)，梁格與門板形成整體，整體剛度好，面板為四邊支承，受力條件好；面板可以作為梁截面的一部分參與梁格的抗彎工作，從而減少梁格的用鋼量。平面鋼閘門的構(gòu)造主要由面板系統(tǒng)、梁系統(tǒng)和支承系統(tǒng)組成，實際工作中平面鋼閘門表現(xiàn)為空間結(jié)構(gòu)，為便于設(shè)計，一般將鋼閘門的空間結(jié)構(gòu)進行分解，從不同的方向分解成若干個平面體系，在平面設(shè)計中組合為空間結(jié)構(gòu)。直升式閘門是工程最廣泛使用的門型，它是平板式門葉卡在門槽內(nèi)而封閉孔口的。閘門和啟閉機型式是結(jié)合現(xiàn)有水工建筑物的整體設(shè)計，運行工況，水位控制參數(shù)等綜合確定；根據(jù)閘門型式來設(shè)計閘門各縱梁、頂梁、底梁等梁系統(tǒng)，如截面尺寸、相對位置，厚度、空間布置等；最后是對閘門進行驗算，對閘板梁系統(tǒng)、面板、支承配套零部件綜合驗算結(jié)構(gòu)、強度、剛度、整體和局部穩(wěn)定性等。

3.5 地基處理

根據(jù)地質(zhì)報告活水泵站建基面位于粉砂層與砂性素填土層。砂性素填土：灰、淺灰色，局部黃色，松散，濕～飽和，主要由砂土填成，局部含少量黏性土，填成時間超過5 a。各工況泵室基礎(chǔ)底面平均基底應(yīng)力為91.82 kPa，泵室基礎(chǔ)底面最大基底應(yīng)力為115.12 kPa。泵室基礎(chǔ)的平均基底應(yīng)力不得超過設(shè)計允許承載力，最大的基底應(yīng)力也不得高于設(shè)計允許承載力的1.2倍。應(yīng)該本工程處理后地基允許承載力不應(yīng)<100 kPa。根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合類似工程基礎(chǔ)處理經(jīng)驗，對泵室主體采用人工基礎(chǔ)處理，參照基礎(chǔ)處理的經(jīng)驗，對泵室閘室打木樁處理，樁長4 m，尾徑100 mm，木樁間距為0.5 m×0.5 m。可以有效減少基礎(chǔ)的沉降，增強基礎(chǔ)強度的統(tǒng)一性。

4 結(jié) 語

本文以九江鎮(zhèn)聯(lián)合涌活水工程為例，對活水工程的泵站進行了系統(tǒng)性設(shè)計，分析了泵型比選，水力計算選擇為600QGWZ-125型全貫流電泵，配套進行電氣、閘門和地基處理等設(shè)計，活水泵站設(shè)置全貫流電泵600QGWZ-125型全貫流電泵2臺，單泵裝機流量1.16 m3/s，最大引水流量為2.32 m3/s，總裝機容量130 kW，工程實施后有利于改善聯(lián)合涌水動力和水質(zhì)，活水效果良好，同時本文對類似活水工程泵型設(shè)計具有一定的參考價值。