潛水軸流泵在排灌工程中的應(yīng)用

張國慶，吳昌成

（1.江蘇省濱?？h水利勘測設(shè)計室，224500，濱海；2.江蘇省鹽城市亭湖區(qū)水利局，224002，鹽城）

江蘇省濱?？h共有1 650座泵站，其中絕大部分是能耗大的立式軸流泵和圬工泵，總裝機(jī)容量5.3萬kW，浪費約1.5萬kW，按年運(yùn)行500小時計算，每年要浪費電750萬kWh。近年，隨著潛水軸流泵的開發(fā)應(yīng)用，其運(yùn)行保證率不斷提高，流量揚(yáng)程逐步增大，具有立式軸流泵所不具備的眾多優(yōu)點，促進(jìn)了潛水軸流泵在排灌工程中的運(yùn)用。

一、技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢

與立式軸流泵相比，潛水軸流泵具有以下幾個特點：

①結(jié)構(gòu)緊湊：潛水電機(jī)與軸流泵連成一體共用一軸，結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)泵與電纜線用機(jī)械密封隔開，泵體設(shè)有泄漏及溫升保護(hù)裝置，機(jī)組潛沒水下運(yùn)行，不需潤滑、冷卻。

②安裝簡易：整泵吊入預(yù)設(shè)井筒，不需復(fù)雜的對中同心定位。

③遠(yuǎn)程控制：可不設(shè)泵房，遠(yuǎn)程控制。

④管理方便：無人值守，整機(jī)吊出檢修，不需打壩排水，方便快捷，尤其是運(yùn)行不受汛期影響。

⑤適應(yīng)性強(qiáng)：潛水軸流泵在泵站的設(shè)計、施工、運(yùn)行管理等方面都有了大的改進(jìn)，適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊。

二、潛水軸流泵的選型

排灌泵站結(jié)構(gòu)形式常見為排澇、灌溉和排灌結(jié)合三種，圖1為排灌結(jié)合站常見形式，通過閘門控制，實現(xiàn)機(jī)械抽排、自排、灌溉、擋洪功能，單灌、單排站結(jié)構(gòu)形式通常與之類似。

1.設(shè)計流量

一般排澇模數(shù)大于灌水率，對于排灌結(jié)合泵站，按排澇流量確定泵站設(shè)計流量。具體要根據(jù)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，按近期水利規(guī)劃確定的排澇標(biāo)準(zhǔn)，分析擬定排澇模數(shù)。灌水率以泵站控制區(qū)作物分布情況確定作物需水量，控制工況一般是在灌溉高峰期干旱無雨的情況下。

根據(jù)有關(guān)資料計算成果，考慮到河湖調(diào)蓄作用，里下河地區(qū)排澇模數(shù)一般為 0.3～0.76(m3/s)·km2，灌溉模數(shù)一般為 16～29(m3/s)·萬 hm2。 灌水率約為排澇模數(shù)的一半，按排澇流量設(shè)計的排灌結(jié)合站有足夠的備用機(jī)組，可以保證灌溉用水高峰期需求。

2.設(shè)計揚(yáng)程

通常情況下灌溉揚(yáng)程大于排澇揚(yáng)程，取用設(shè)計灌溉保證率下的抽引水位與出水池水位差及沿程和局部水頭損失確定泵站設(shè)計揚(yáng)程，特殊的干旱年和豐水年水位組合作為校核揚(yáng)程，按灌溉揚(yáng)程設(shè)計的排灌結(jié)合站相對于排澇揚(yáng)程是足夠的。

3.泵的選型

潛水泵是機(jī)泵合一的形式，選型比傳統(tǒng)立式軸流泵簡單。從潛水泵性能曲線上看，在相同工況下，潛水泵的綜合性能優(yōu)于相同口徑的立式泵。根據(jù)設(shè)計流量、揚(yáng)程，選擇確定泵型、機(jī)組臺數(shù)。對于校核工況，還可通過調(diào)整葉片角或變速的方法，保證水泵在實際運(yùn)行過程中工作點落在綜合性能曲線高效區(qū)內(nèi)，一般設(shè)計時取用80%以上為高效區(qū)。

三、泵室設(shè)計

建設(shè)于圩堤下的排灌結(jié)合站濕式泵室結(jié)構(gòu)（見圖1），將泵站和引排涵洞連為一體，可以減少一座自排涵洞。同時也可有效均布泵室自重，減小偏心距，利用引排涵洞作為消力設(shè)施，提高泵的裝機(jī)效率。

1.泵室穩(wěn)定計算

（1）地基應(yīng)力計算

地基應(yīng)力計算工況分為完建期、運(yùn)行期、校核期等。各種工況下受力的組合和大小都不同。

一般來說，泵站出水池的寬度要大于引排涵洞的寬度?？傮w布置時，需將出水池設(shè)計成梯形。在計算地基反力時，需計算出泵室底板截面形心軸及慣性矩，再根據(jù)疊加原理對地基進(jìn)行穩(wěn)定計算。若機(jī)組較少可取整個泵房作為計算單元，否則可沿泵室長度取一臺機(jī)組與相鄰兩臺機(jī)組的中線之間范圍作為計算單元。泵室的穩(wěn)定分析計算是一項十分重要的工作，穩(wěn)定滿足要求后才能進(jìn)行各分部的結(jié)構(gòu)計算。

（2）防滲長度校核

泵站水位差較大的工況處于灌溉期及擋洪期，由于泵室本身直接承受進(jìn)出側(cè)水位差而造成的水平推力及滲透壓力和浮托力，一般依靠在泵室底板長度各出口處設(shè)置防滲板，防止產(chǎn)生管涌和流土，避免滲透變形。

表1 潛水軸流泵在濱?？h應(yīng)用情況統(tǒng)計

（3）抗滑穩(wěn)定計算

修建在軟基上的泵站由于其地基承載力較小，在同時承受水平和垂直荷載情況下，泵室可能會發(fā)生滑動，必要時可以加長防滲板或鋪蓋，延長滲徑，加深齒坎，對墻后回填土優(yōu)先選用粗粒土料，增大內(nèi)摩擦角。

2.泵室結(jié)構(gòu)計算

潛水軸流泵泵室構(gòu)成一個箱式結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)計算時沿水流方向以出水池后壁為界將泵室分成上、下游兩個部分進(jìn)行內(nèi)力分析計算，通常情況結(jié)構(gòu)內(nèi)力受完建期控制。

（1）上游段

濕室型泵室可按箱式涵洞結(jié)構(gòu)計算，當(dāng)頂層的工作橋或板的剛度小于墩墻的10%時，可近似地將其視為兩端鉸支在墩墻上的鏈桿進(jìn)行計算。對于水泵梁，從安全角度考慮，可以忽略其對整個結(jié)構(gòu)的影響，將其設(shè)為一個單獨的半支半簡梁計算，實際上水泵梁的存在對泵室墩墻的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)整體剛度是有利的。

（2）下游段

下游段也是箱式結(jié)構(gòu)，為縮小出水池的計算跨度，一般設(shè)置與泵室同跨的隔墩。在排灌結(jié)合泵站中，出水池結(jié)構(gòu)和箱式泵室作為一個整體進(jìn)行內(nèi)力分析。

下游段結(jié)構(gòu)受力與上游段同理。荷載受完建期(出水池內(nèi)無水壓力)和枯水灌溉期(出水池有水壓力)兩種情況控制。內(nèi)力分析時，出水池段按雙層框架計算。

在出水池的出口與涵洞交界處設(shè)置調(diào)壓井，用來調(diào)節(jié)灌排水流，還可減小水錘的沖擊壓力，同時可作為檢修孔使用。

四、潛水軸流泵的實際應(yīng)用

1.在排灌工程中的應(yīng)用

近十年潛水軸流泵在濱海縣得到大量應(yīng)用（見表1），為地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了基礎(chǔ)性貢獻(xiàn)，有力地促進(jìn)了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

2.在風(fēng)景名勝區(qū)中的應(yīng)用

引水排澇泵站位于風(fēng)景名勝區(qū)、行政辦公區(qū)、城市綠化區(qū)時，使用傳統(tǒng)立式泵無法做到與自然景觀相協(xié)調(diào)。而潛水泵站可以做到地面無建筑物，占地面積小，遠(yuǎn)程集中控制，適合在風(fēng)景區(qū)內(nèi)應(yīng)用。濱?？h行政中心環(huán)水泵站、人民公園沿湖排澇站就屬于景區(qū)內(nèi)泵站，這些泵站位置現(xiàn)場看不到建筑物，在室內(nèi)集中控制，與景區(qū)融為一體。

五、建 議

潛水軸流泵站在國內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)有一段時間，從已建設(shè)的泵站情況來看，還需規(guī)劃、機(jī)電、結(jié)構(gòu)等專業(yè)技術(shù)人員結(jié)合泵的特點,聯(lián)系實際地形條件，不斷創(chuàng)新,才能進(jìn)一步突現(xiàn)出潛水軸流泵的新特色，更好地應(yīng)用于排灌工程。

1.潛水軸流泵站的最佳規(guī)模

從電機(jī)功率、電機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)組重量、水泵效率、電機(jī)電壓及泵組的流量價格比、裝機(jī)臺數(shù)等涉及泵站的眾多因素綜合考慮,潛水泵站的最佳規(guī)模應(yīng)為中小型(裝機(jī)流量30～10m3/s)，同一座泵站中盡量選用同型號、同廠家的機(jī)組。

2.提高泵站的監(jiān)控水準(zhǔn)

為了便于實現(xiàn)潛水泵站的自動控制運(yùn)行，一般在泵站前池設(shè)置遙感水位計，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程自控,這類泵站可按無人值守設(shè)計。而對于雨水泵站，水位變化較小，不便實現(xiàn)自控，可按臨時少人值守設(shè)計。泵站的進(jìn)出水位、泵組的實時功率、機(jī)組溫度等主要動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時自動傳送至泵站控制中心，對不同的參數(shù)設(shè)定相應(yīng)的變幅，由系統(tǒng)自動決定是否需要檢查、維護(hù)和故障處理，以此來降低工程建設(shè)投資及運(yùn)行管理費用。

3.設(shè)置副泵房

潛水軸流泵按設(shè)計可以露天運(yùn)行，但長期的日曬雨淋會降低設(shè)備使用年限，增加設(shè)備維護(hù)經(jīng)費支出，也不利于設(shè)備防盜。建議設(shè)置副泵房保護(hù)機(jī)泵，延長設(shè)備使用年限，景區(qū)內(nèi)副泵房可以設(shè)計成亭臺樓閣，與周圍的景觀和諧統(tǒng)一。

[1]武漢水利電力學(xué)院.水泵及水泵站[M].北京:水利電力出版社，1986.

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