戴林軍,郝曉偉,陳 勝
(1.德清縣水利工程管理所,浙江 德清 313200;2.浙江省水利科技推廣服務(wù)中心,浙江 杭州 310012;3.浙江中水工程技術(shù)有限公司,浙江 杭州 310020)
近年來,隨著杭嘉湖地區(qū)水利工程縱深推進,進一步加快區(qū)域河網(wǎng)水體流動、重點防范流域突發(fā)性洪水侵襲將成為治水新要素。當(dāng)?shù)卣Y(jié)合骨干河道建設(shè),通過閘站建設(shè)、堤防等級提升、河道水系連通等方式,加速杭嘉湖圩區(qū)整治,完善灌排體系,努力提升杭嘉湖平原的區(qū)域防洪排澇能力、水資源配置能力和水環(huán)境容量,具有十分重要的意義。
一體化泵閘系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)泵房結(jié)構(gòu),將潛水軸(貫)流泵布置在閘門門葉上,閘門既是擋水建筑物又是水泵支承的基礎(chǔ),使水閘和泵站合二為一。與傳統(tǒng)閘站相比,該系統(tǒng)在保有防洪排澇功能的同時,更具以下獨特優(yōu)勢:①泵房不侵占天然河道,不束窄過流斷面,圩區(qū)內(nèi)外水體交換能力強;②閘站整體結(jié)構(gòu)尺寸小,土建投資減小,施工工期縮短,整體成本降低;③設(shè)備高度集成化和智能化,操作簡單,便于日常運行管理;④系統(tǒng)適用性強,不僅可用于新建工程,也適用于老閘改造。
目前,一體化泵閘系統(tǒng)主要應(yīng)用于圩區(qū)整治、城市低洼地區(qū)的防洪排澇,以及黑臭河的水循環(huán)治理等工程。在國外,該系統(tǒng)在荷蘭、德國、美國等歐美國家,以及日本、韓國、馬來西亞等東南亞地區(qū)均得到廣泛應(yīng)用。在國內(nèi),一體化泵閘系統(tǒng)前期主要以技術(shù)引進的形式進入市場。近年來,隨著技術(shù)開發(fā)和革新,國內(nèi)已經(jīng)涌現(xiàn)出一批較為成熟的自主研發(fā)產(chǎn)品,在廣州、福州、天津等城市內(nèi)河治理,以及杭嘉湖圩區(qū)整治等防洪排澇工程中得到應(yīng)用[1-4]。
雖然一體化泵閘設(shè)備已在水利、市政等公共基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,但仍無完整、系統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范或團體標(biāo)準(zhǔn)。為此,有必要對一體化泵閘系統(tǒng)進行專門的應(yīng)用研究,提出主要設(shè)計參數(shù)和指標(biāo),為后續(xù)杭嘉湖圩區(qū)工程設(shè)計、施工提供參考和借鑒。本文以杭嘉湖圩區(qū)整治工程的閘站建設(shè)為切入點,基于當(dāng)前及今后一段時間內(nèi)的閘站建設(shè)模式(以新建和更新改造為主),提出引入一套泵閘一體化系統(tǒng)替代傳統(tǒng)閘站。
為便于一體化泵閘系統(tǒng)在已建工程中的應(yīng)用成效分析,選取德清縣東部圩區(qū)作為研究對象。德清縣位于杭嘉湖平原中上游地區(qū),西部為山區(qū)、東部為平原,現(xiàn)狀多以小格局的自然圩區(qū)為主。東部圩區(qū)河道底高程-1.00~0.00 m,骨干河道底高程-3.00~-1.50 m,常水位0.80~1.30 m,圩內(nèi)10 a一遇排澇高水位2.20~2.40 m。
根據(jù)德清縣東部圩區(qū)格局大小、排澇水位以及常年工程運行經(jīng)驗等,以低水頭、小流量一體化泵閘作為研究對象。因此,選取單孔設(shè)計流量0.6 m3/s、設(shè)計揚程2.00 m 的泵閘作為典型設(shè)計方案,分析各組件參數(shù)、工程造價等主要指標(biāo),建立一套完整的一體化泵閘系統(tǒng)設(shè)計模型。
泵閘一體化設(shè)備主要特點為水泵(組)集成化在閘門門葉上,因此水泵(組)具有重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單和操作方便等有利因素。
低揚程、小流量的適用泵型主要有潛水軸流泵和全貫流潛水泵,2 種泵型在設(shè)計和制造技術(shù)上均已非常成熟。潛水軸流泵泵體尺寸較長,最優(yōu)點效率達80.0%以上;全貫流潛水泵泵體尺寸較短,最優(yōu)點效率達75.0%以上,具體2 種泵型參數(shù)比較見表1。
表1 潛水軸流泵與全貫流潛水泵參數(shù)比較表
從表1 可知,潛水軸流泵泵體較長,但效率較高,適用于流量較大的一體化泵閘工程。目前國內(nèi)已有比較成熟的一體化泵閘專用潛水軸流泵,并已在江蘇省淮安市新泗河一體化泵閘工程(單泵3.00 m3/s,單機功率132 kW)和浙江省舟山市沈家門中弄海塘泵閘工程(單泵0.90 m3/s,單機功率65 kW)等多個工程中得到成功應(yīng)用。
全貫流潛水泵效率相對較低,但是泵體較短,結(jié)構(gòu)簡單,適用于低揚程小流量泵閘工程。目前國內(nèi)該泵型已實際應(yīng)用于多個工程,如擴大杭嘉湖南排工程(德清部分)梅介圩盧介兜閘站工程(單泵流量0.55 m3/s,單機功率45 kW)。
經(jīng)潛水軸流泵和全貫流潛水泵的結(jié)構(gòu)尺寸、效率以及投資比較分析,全貫流潛水泵雖然效率略低,但是泵體長度短、重量小,使得閘門門葉設(shè)計更合理、布置更緊湊,更符合小型泵閘工程投資小、工期短的特點。因此,本次典型方案泵性設(shè)計采用全貫流泵潛水泵500QGB-100,潛水軸流泵留待較大流量泵閘一體化設(shè)備研究討論。
閘門門葉作為水泵組的承力結(jié)構(gòu),是泵閘一體化設(shè)備的主要載體。由于門葉寬度為非控制參數(shù),且同一孔口寬度的閘門門葉寬度因布置、零件選型不同而各有差異,因此用流道寬度(孔口寬度)作為研究參數(shù)。
根據(jù)《水工設(shè)計手冊》,單臺水泵組進水寬度為2.5D1(D1 為水泵進水管喇叭口直徑,本文為480 mm)。500QGB-100 的水泵組進水池最小寬度為1 200 mm,再考慮水泵在閘門上的安裝檢修操作空間(泵體外框最大直徑為1 000 mm,兩邊留400 mm),計算最小尺寸為1 800 mm。
最終設(shè)計新建泵閘一體化設(shè)備孔口流道寬度為:1 000 mm+400 mm×2=1 800 mm。
泵閘設(shè)備中水泵組的淹沒深度、安裝高度和閘門的擋水高度是一組關(guān)聯(lián)參數(shù)。水泵的淹沒深度取決于閘址處的大氣壓、環(huán)境溫度和水泵的汽蝕性能等,根據(jù)杭嘉湖地理位置,本文淹沒深度選取1 000 mm(國內(nèi)較多一線水泵生產(chǎn)企業(yè)的500QGB-100 采用的淹沒深度)。安裝高度則由最小水泵淹沒深度、水泵進水管直徑和運行要求決定,選取水泵葉輪中心離閘底板600 mm;擋水高度則是安裝高度與淹沒深度、擋水超高(取500 mm)之和。
最終選取滿足結(jié)構(gòu)布置的最小門葉設(shè)計高度為2 100 mm(未考慮防洪擋水高度)。
泵閘設(shè)備中閘門門葉的關(guān)鍵技術(shù)之一為如何減少因水泵震動對閘門止水效果的影響。常規(guī)情況下,閘門門葉面板單向設(shè)置,水壓力方向由高水位側(cè)指向低水位側(cè);而泵閘一體化設(shè)備水泵組對閘門門葉的推力與水壓力方向相反,因此需要分析水壓力與水泵組推力的大小,才能確定止水型式以及采用最合理的閘門型式和啟閉機型式。
根據(jù)計算可知,500QGB-100 全貫流潛水泵的推力只有2.6 kN,而水壓力達到52.0 kN(按最小門葉設(shè)計高度計算),水泵組推力只有水壓力的5%,因此對閘門止水效果的影響可以忽略不計。所以本典型案例閘門結(jié)構(gòu)根據(jù)常規(guī)圩區(qū)河道進行設(shè)計,閘門門葉采用露頂直升式閘門作為水泵組的受力結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)簡單),啟閉設(shè)備采用固定式卷揚啟閉機[5-6]。
經(jīng)復(fù)核計算,設(shè)計流量1.00 m3/s 及以下的泵閘設(shè)備水泵推力,對閘門結(jié)構(gòu)布置和啟閉機選擇影響可以忽略不計,可采用常規(guī)配置方式。
由于杭嘉湖圩區(qū)內(nèi)河道大多閘門孔口較小、河道常水位較低,對小流量泵閘需求較多,因此著重研究流量為1.00 m3/s 及以下的泵閘。按照上述設(shè)計思路,分別計算出流量0.60,0.80 和1.00 m3/s的全貫流泵閘一體化設(shè)備選擇方案,閘門型式統(tǒng)一采用露頂平面滑動鋼門,啟閉機型式統(tǒng)一采用固定卷揚啟閉機,具體參數(shù)和型式選擇見表2。
表2 一體化泵閘設(shè)備各典型設(shè)計方案參數(shù)匯總表
隨著對一體化泵閘系統(tǒng)的深入研究,其行業(yè)認可度的不斷提高,以及產(chǎn)品技術(shù)的日趨成熟,一體化泵閘系統(tǒng)必將在杭嘉湖圩區(qū)整治工程中發(fā)揮更加重要的作用,主要結(jié)論及展望如下:
(1)相較于傳統(tǒng)閘站,一體化泵閘系統(tǒng)在保留原有防洪排澇功能的基礎(chǔ)上,更兼具投資小、工期短、占地少、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、系統(tǒng)集成化程度高等優(yōu)點。通過對低水頭小流量一體化泵閘系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的分析研究,充分證明其在杭嘉湖圩區(qū)整治工程中的適用性,為后續(xù)類似工程的設(shè)計、施工提供參考和借鑒。
(2)隨著杭嘉湖圩區(qū)河道整治的深入推進,地方政府對于圩區(qū)排澇能力提升兼顧河湖水系連通、內(nèi)外水體交換的需求越來越強烈。一體化泵閘系統(tǒng)不僅可以滿足防洪排澇,還可通過水體交換改善河道水質(zhì)。此外,該系統(tǒng)還適用于老閘改造工程。因此,一體化泵閘系統(tǒng)在杭嘉湖圩區(qū)整治中具有廣泛的應(yīng)用價值,值得推廣。