南水北調(diào)東線一期三座泵站工程技術(shù)特點(diǎn)淺析

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230601）

1 工程概況

南水北調(diào)工程是解決我國北方地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺問題的重大戰(zhàn)略舉措，是關(guān)系到我國經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的特大型基礎(chǔ)設(shè)施。從20世紀(jì)50年代初提出“南水北調(diào)”的設(shè)想，歷經(jīng)近半個世紀(jì)的前期工作，對東、中、西三條調(diào)水線路進(jìn)行了廣泛深入的研究論證，形成了“四橫三縱多點(diǎn)”的國家水資源優(yōu)化配置總體格局。東線一期工程是我國南水北調(diào)總體布局中的重要組成部分，規(guī)劃從江蘇省揚(yáng)州附近的長江干流引水，利用京杭大運(yùn)河以及與其平行的河道輸水，連通洪澤湖、駱馬湖、南四湖、東平湖作為調(diào)蓄水庫，經(jīng)泵站逐級提水進(jìn)入東平湖后，分水兩路，一路向北穿黃河后自流到山東德州；另一路向東自流經(jīng)新辟的山東半島輸水干線接引黃濟(jì)青渠道，向山東半島供水。

南水北調(diào)東線工程從長江至東平湖段共設(shè)13 個梯級泵站，實(shí)現(xiàn)水往高處流，新建擴(kuò)建泵站共21 座，總揚(yáng)程40m。臺兒莊、藺家壩和八里灣泵站工程是分別是東線工程的第七級、第九級和第十三級泵站，三座泵站的設(shè)計(jì)工作由中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司承擔(dān)。三座泵站主要建設(shè)內(nèi)容包括：進(jìn)水引渠、清污機(jī)橋、前池、進(jìn)水池、泵房、出水池、公路橋、出水渠、副廠房、安裝間和變電站、防洪堤和站區(qū)平臺等，總投資7.47 億元。

2 南水北調(diào)東線一期三座泵站工程

2.1 臺兒莊泵站

臺兒莊泵站工程是南水北調(diào)東線工程的第七級泵站，位于山東省棗莊市臺兒莊區(qū)境內(nèi)。泵站設(shè)計(jì)調(diào)水流量125m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.53m，平均揚(yáng)程3.73m，站內(nèi)安裝ZL31-5（葉輪直徑2950mm）型立式軸流泵5 臺套，總裝機(jī)容量12000kW，泵站為Ⅰ等工程。泵站由進(jìn)水渠、清污機(jī)閘、前池、進(jìn)水池、主泵房、出水池、出水渠、副廠房、安裝間和變電站、賠建交通橋及排澇涵洞等幾部分組成。泵站采用堤身式布置，主泵房下部為塊基型結(jié)構(gòu)，采用肘型流道進(jìn)水，微彎型流道出水。進(jìn)水流道前設(shè)防洪檢修門，出口設(shè)兩道互為備用的快速平面鋼閘門斷流。副廠房布置在主泵房北側(cè)，安裝間布置在主泵房南側(cè)，變電站布置在出水池北側(cè)，緊靠韓莊運(yùn)河大堤。泵站前池和進(jìn)水池總長48.75m，進(jìn)水池與進(jìn)水渠之間采用斜坡段聯(lián)結(jié)，斜坡段長28.75m。泵站出水池總長40.8m。泵站進(jìn)水渠布置在廢棄的臺兒莊老船閘下游引航道上，與韓莊運(yùn)河主槽連通，全長1051.54m。泵站出水渠布置在老船閘上游引航道上，接入韓莊運(yùn)河主槽，全長688.47m。清污機(jī)閘布置在進(jìn)水渠內(nèi)，清污機(jī)閘為鋼筋混凝土整底板、墩墻式結(jié)構(gòu)，共9 孔，清污機(jī)布置在進(jìn)水側(cè)，采用鋼絲繩牽引式格柵清污機(jī)。防洪閘門布置在出水側(cè)，采用平面鋼閘門擋水，配卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。排澇涵洞布置在交通橋以東，與韓莊運(yùn)河大堤正交，采用鋼筋混凝土箱涵，共3 孔，每孔3.50m×3.50m（寬×高），洞身總長50.20m。臺兒莊閘交通橋按公路-Ⅱ級折減設(shè)計(jì)，采用預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋。管理區(qū)選在泵站以東2.5km 的棄土區(qū)，通過韓莊運(yùn)河北堤堤頂?shù)缆放c主站區(qū)連接。

臺兒莊泵站工程設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)為：（1）采用科學(xué)合理的選址及總體布置方案，充分利用河道內(nèi)廢棄建筑物（原船閘及引航道），并采用新型的清污機(jī)閘將清污、擋洪和排澇結(jié)合為一體，成功解決了行洪河道內(nèi)合理布置調(diào)水結(jié)合防洪、排澇等多功能泵站樞紐的設(shè)計(jì)難題，節(jié)省了占用土地和工程投資；（2）采用全長透水型深井結(jié)合固結(jié)灌漿方法，成功解決了復(fù)雜工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件下的巖溶裂隙承壓水的降水問題；（3）通過對站身混凝土結(jié)構(gòu)施工期的非穩(wěn)定溫度場和應(yīng)力場的三維仿真計(jì)算，采用后澆帶、在墩墻中心部位預(yù)砌漿砌石芯核、三級配常態(tài)混凝土、埋設(shè)冷卻水管等措施，成功解決了巖基上超大尺寸整體塊基型基礎(chǔ)及復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)的施工期溫控防裂難題；（4）采用灌注樁結(jié)合預(yù)應(yīng)力土錨桿支護(hù)方案，成功解決了土質(zhì)高邊坡整體穩(wěn)定及深基坑開挖施工難題，保障了工程施工及周邊建筑物安全，減少了大量移民占地；（5）采用回填水泥土措施，成功解決了土基和巖基上相鄰大高差高擋土墻沉降控制難題；（6）采用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）理論與技術(shù)，進(jìn)行了微彎型平直管出水流道優(yōu)化設(shè)計(jì)及模型試驗(yàn)研究，成功突破了常規(guī)平直管出水流道損失大、效率低的難題，為長時間調(diào)水運(yùn)行節(jié)約了成本。

該研究成果在臺兒莊泵站的應(yīng)用填補(bǔ)了直管式出水流道在國內(nèi)大型低揚(yáng)程立式軸流泵站工程應(yīng)用的空白，并獲得2006年水利部淮河水利委員會科學(xué)技術(shù)獎一等獎和2007年安徽省科學(xué)技術(shù)獎三等獎。該研究成果具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2.2 藺家壩泵站

藺家壩泵站工程是南水北調(diào)東線工程的第九級泵站，位于江蘇省銅山縣境內(nèi)。泵站設(shè)計(jì)調(diào)水流量75m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程2.4m，平均凈揚(yáng)程2.08m，站內(nèi)安裝2850ZGQ25-2.4 型燈泡貫流機(jī)組4 臺套，總裝機(jī)容量5000kW，泵站為Ⅰ等工程。泵站由進(jìn)水渠、清污機(jī)橋、進(jìn)水池、主泵房、出水池、出水渠、副廠房、安裝間和管理區(qū)等組成。進(jìn)水渠利用現(xiàn)有的順堤河河道，主泵房下部為塊基型結(jié)構(gòu)，進(jìn)、出水流道均為平直管型，進(jìn)水流道前部設(shè)檢修門，出口設(shè)兩道快速閘門。副廠房布置在主泵房南側(cè)，安裝間布置在主泵房北側(cè)。泵站進(jìn)水引渠標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)斷面為河底高程27.00m、底寬40.0m、兩側(cè)邊坡1 ∶3。清污機(jī)橋共12 孔，總長76.62m。前池和進(jìn)水池布置于清污機(jī)橋與主泵房之間，兩側(cè)采用鋼筋混凝土扶壁式擋土墻連接。主泵房后接出水池，出水池長69.06m，兩側(cè)采用鋼筋混凝土扶壁式和空箱式擋土墻連接。防洪閘位于出水池后，用于泵站擋洪，共4 孔，單孔凈寬8.0m，閘門采用平面鋼閘門，配QPQ-2×250kN 固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。防洪閘出口設(shè)長95.6m 的擴(kuò)散段，后接出水渠，出水渠主要是利用現(xiàn)有的湖西航道。

藺家壩泵站工程設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)為：（1）大型齒聯(lián)燈泡貫流泵的研制與應(yīng)用，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，主要表現(xiàn)為：燈泡體外形尺寸較小，大大改善了出水流道燈泡體處的水流流態(tài)；首次采用機(jī)械式葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對葉片進(jìn)行角度調(diào)節(jié)，具有沒有調(diào)節(jié)死區(qū)和調(diào)節(jié)范圍大的特點(diǎn)，自潤滑的無油潤滑軸承避免了潤滑油泄漏污染水質(zhì)的可能；首次采用1 套雙向球面滾子推力軸承、2 套徑向?qū)лS承的支撐形式，改善了水泵軸系的受力條件，提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性和壽命；首次采用迷宮與空氣圍帶相結(jié)合的主軸密封裝置，解決了傳統(tǒng)密封裝置可靠性低、壽命短的難題；首次采用CFD 技術(shù)計(jì)算出流道不同部位的水力損失值，分析出流道優(yōu)化工作的重點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，使流道的水力損失降至最小值，優(yōu)化了整體流道的型線；在結(jié)構(gòu)和整體流道優(yōu)化的基礎(chǔ)上，最大可能地減少過流部件的水力損失，機(jī)組裝置效率得以充分提高；（2）通過科學(xué)合理的工程選址和總體布置，成功解決了泵站垂直進(jìn)、出水和泵站出口垂直水流影響湖西航道航運(yùn)的難題；（3）通過采用泵站空間有限元靜動力分析與研究，優(yōu)化泵室結(jié)構(gòu)，成功解決了貫流泵機(jī)組泵房“扁擔(dān)型”結(jié)構(gòu)易造成底板和墩墻斷裂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難題；（4）采用非穩(wěn)定溫度場和應(yīng)力場的三維仿真技術(shù)，成功解決了泵房、防洪閘等超長底板及薄壁墩墻結(jié)構(gòu)施工期溫控防裂問題，達(dá)到未發(fā)現(xiàn)一條施工期裂縫的預(yù)期效果。

藺家壩泵站工程大型齒聯(lián)燈泡貫流泵的研制與應(yīng)用成果獲得2010年水利部淮河水利委員會科技進(jìn)步二等獎。

2.3 八里灣泵站

八里灣泵站工程是是南水北調(diào)東線工程的第十三級泵站，位于山東省東平縣境內(nèi)的東平湖滯洪區(qū)，也是南水北調(diào)東線工程最后一級泵站。工程設(shè)計(jì)調(diào)水流量100m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程4.78m，平均凈揚(yáng)程4.15m，站內(nèi)安裝3150ZLQ33.4-4.78 型立式全調(diào)節(jié)軸流泵4 臺套，總裝機(jī)容量11200kW，泵站為Ⅰ等工程。泵站布置在東平湖新湖區(qū)的柳長河以東，緊鄰東平湖老湖區(qū)南堤，泵站中心線方位為正北偏西4°，距原柳長河入東平湖口384m。泵站由進(jìn)水引渠、清污機(jī)橋、前池、進(jìn)水池、泵房、出水池、公路橋、出水渠、副廠房、安裝間和變電站、防洪堤和站區(qū)平臺等組成。泵站站下進(jìn)水引渠接新拓挖的柳長河，站上出水渠穿過南堤入東平湖老湖區(qū)。泵站采用堤身式布置，主泵房下部為塊基型結(jié)構(gòu)，采用肘型流道進(jìn)水，低駝峰平直管流道出水，進(jìn)水流道前部設(shè)防洪檢修門，出口設(shè)兩道互為備用的快速平面鋼閘門斷流。副廠房布置在主泵房東側(cè)，長32.20m，寬21.20m。安裝間布置在主泵房西側(cè)，長15.50m，寬12.70m。泵站進(jìn)水引渠標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)斷面為河底高程31.30m、底寬43.0m、兩側(cè)邊坡1 ∶3.5。清污機(jī)橋采用兩側(cè)斜坡式鋼筋混凝土箱涵式結(jié)構(gòu)，平底板基礎(chǔ)，共16 孔，總長103.0m。前池采用約1 ∶5 向下的縱坡與進(jìn)水池連接，前池、進(jìn)水池兩側(cè)翼墻均為鋼筋混凝土空箱減壓板結(jié)構(gòu)。主泵房后接出水池，出水池長20.0m，兩側(cè)采用鋼筋混凝土空箱減壓板結(jié)構(gòu)。出水池后接出水渠，全長為182.0m，兩側(cè)邊坡均為1 ∶3.5。公路橋位于東平湖老湖區(qū)南堤，橫跨泵站出水渠，全長100.0m，橋面汽車荷載等級采用公路Ⅱ級，公路橋采用排架式鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力空心板簡支結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。站區(qū)平臺頂高程為46.10m，平臺南北道路中心線距離140.5m，東西向275.0m，平臺邊坡為1∶3，平臺分東、西兩個區(qū)，東區(qū)主要布置辦公管理用房和輔助生產(chǎn)用房，西區(qū)為生活區(qū)。

八里灣泵站工程設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)為：（1）湖相區(qū)堤身式泵站工程選址及總體布置方案，成功解決了滯洪區(qū)內(nèi)泄洪閘、船閘及現(xiàn)有灌排體系影響下調(diào)水結(jié)合排澇綜合性泵站樞紐的布置難題；（2）采用三面圍封地連墻結(jié)合減壓井和排水孔技術(shù)，成功解決平原地區(qū)深厚砂土地基上復(fù)雜的多元滲流場滲透穩(wěn)定控制問題；（3）采用上層水泥土攪拌樁截滲墻結(jié)合下層高壓定噴墻分層截滲止水帷幕技術(shù)解決臨湖（河）深基坑降水問題；（4）采用空箱減壓板結(jié)合墻后回填水泥土技術(shù)解決軟土地基上高擋土墻穩(wěn)定問題；（5）采用自溢式出流方式解決泵站初始啟動出水流道出流技術(shù)難題，提高了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行可靠性；（6）利用振型分解反應(yīng)譜法分析研究泵站在地震設(shè)防烈度下自振特性、結(jié)構(gòu)動位移、動應(yīng)力和動內(nèi)力；（7）采用土基上超大尺寸混凝土塊基型結(jié)構(gòu)，避免了結(jié)構(gòu)分縫，提高了站身結(jié)構(gòu)的整體安全性，節(jié)省了工程投資；（8）采用灌注樁后注漿技術(shù)，解決了厚層回填土上灌注樁承載力不足難題；（9）通過采用計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）理論與技術(shù)，將平直管出水流道改進(jìn)為低駝峰型出水流道，成功解決了在泵房布置允許前提下進(jìn)出水流道內(nèi)水流水力條件最優(yōu)和裝置效率最高的難題。

八里灣泵站工程通過對深基坑工程降水及止水帷幕關(guān)鍵技術(shù)研究，采用上層水泥土攪拌樁截滲墻結(jié)合下層高壓定噴墻分層截滲止水帷幕技術(shù)解決臨湖（河）深基坑降水問題，該項(xiàng)研究成果獲得2013年黃河水利委員會科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎；平原地區(qū)深厚砂土地基復(fù)雜多元滲流場滲流穩(wěn)定控制研究成果獲得2013年山東黃河科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎。

3 結(jié)語

臺兒莊、藺家壩和八里灣泵站均具有低揚(yáng)程、大流量、年運(yùn)行時間長的特點(diǎn)，但工程選址、總體布置、水流流態(tài)、機(jī)組選型、工程地質(zhì)、泵室結(jié)構(gòu)、施工及運(yùn)行條件又各自不同，中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司本著科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、求實(shí)創(chuàng)新的精神，通過多方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，成功地解決了三座泵站的技術(shù)難題。三座泵站先后榮獲2015年度全國優(yōu)秀水利水電工程設(shè)計(jì)金獎、銀獎和2017年度全國優(yōu)秀水利水電工程設(shè)計(jì)銀獎，同時八里灣泵站榮獲了2017—2018年度中國水利工程優(yōu)質(zhì)（大禹）獎。三座泵站投入運(yùn)行以來，工程已經(jīng)歷多年調(diào)水的考驗(yàn)，運(yùn)行正常，操作方便，滿足工程使用要求■