轨道交通隧道区间排水泵房设计

刘宗洲

(中铁二院地下铁道设计研究院，成都 610031)

0 引言

轨道交通隧道区间在隧道线路实际最低点设废水泵房，排水泵的总排水能力按照消防时排水量和结构渗漏水二者之和计算。泵房一般设2台潜水排污泵，每台泵的排水能力大于最大时排水量的1/2，平时用1台备用1台，互相轮换工作，必要时同时启动;过水域时增设1台泵，每台泵的排水能力大于最大时排水量的1/3，平时用2台备用1台，互相轮换工作，必要时同时启动。集水池设冲洗管，池底设坡度为10%的素混凝土垫层坡向泵位。对于废水泵房扬水管的设置方式，不同城市有不同的选择，广州地铁大部分都是从泵房顶部出地面，而深圳地铁很多是接至相邻车站后出地面。当选择水泵扬水管接至相邻车站出地面这种形式时，是每台泵均需设置扬水管还是共用1根扬水管，不同设计院甚至不同设计者选择的方式不尽相同。本文对这2种常用的方案进行了比较，同时，对区间并联水泵远距离输水方案中单泵工况和并联工况进行了核算，以确定水泵扬水管是共用还是单独设置。

1 水泵扬水管从泵房顶部出地面

在泵房顶部从地面以钻孔桩的形式钻入隧道，然后设1根DN 250钢管，在地面设置检修井，泵房扬水管从DN250钢管内接入室外检修井，如图1所示。这种方法的优点是施工简单，工程造价低。泵房的埋深一般为25 m以上，DN250钢套管至少有2个焊接接头，如果钢套管对焊时管道中心线不是一条直线，或者管道受外力发生弯曲，则水泵扬水管安装非常困难甚至无法在套管中安装。套管内的管道平时无法检修和定期维护，出现锈蚀后只能等其损坏后更换整条管道;出地面后压力排水井需单独接入市政排水管网，增加了与市政排水协调的难度;同时，部分泵房顶部的地面可能不具备设置检修井的条件，需要通过调整泵房位置或出地面的位置。

2 扬水管从相邻车站出地面

如果水泵扬水管沿隧道区间接至相邻车站出地面，这种方式水泵扬水管长，初期投资大，水力损失大，但管道检修维护较方便，与市政接口统一纳入车站考虑，接口简单，如图2所示。

3 水泵单双泵工况校核

当采用水泵扬水管从相邻车站出地面的方案时，水泵的扬水管距离较长，一般在500 m以上，需校核单泵工况和双泵工况是否匹配。水泵的流量一般为20～30m3/h，静扬程一般在30m左右，选取WQ20－40－7.5曲线作为研究对象来进行核算。水泵性能曲线如图3所示。

图3 WQ20－40－7.5水泵性能曲线图Fig.3 Performance curves of pump

从图3可以看出，性能曲线H－Q近似于抛物线，采用二次回归曲线来拟合水泵的性能曲线，建立水泵性能回归曲线方程 H=H0+A1Q+A2Q2［1］。

从图3中读取WQ20－40－7.5有关数据，如表1所示。

表1 水泵H－Q曲线查询数据表Table 1 Data extracted from H－Q curves of pump

利用最小二乘法原理建立方程组

将表1中第2列和第3列的数据带入式(1)，解出:H0=52.21，A1= －2 019.56，A2= －0.86。即

式中:H为水泵扬程，m;Q为单泵流量，m3/s。

现对式(1)进行计算和校核，计算结果见表1中第4列，校核结果见表1中第5列。从表1可以看出，最大误差仅为2.4%。

泵房内的管网布置如图4所示。泵房内各管件及阀件阻力系数及折算长度见表2［2］。

表2 管件及阀件阻力系数及折算长度表Table 2 Resistance coefficient and effective length of pipes and valves

图4 泵房管网布置图(单位:mm)Fig.4 Layout of pipe network in pump station(mm)

水泵扬水管采用内衬塑钢管，其水头损失计算公式采用海澄－威廉公式

式中:i为管道单位长度水头损失，m;dj为管道计算内径，m，DN125钢塑管取 0.122，DN80钢塑管取0.073 2(钢塑管内衬的塑料厚度取 1.5 ～2.5 mm);Q为单台水泵出水流量，m3/s;Ch为海澄－威廉系数，钢塑管取140。

则单台水泵运行时扬水管的管道特性方程为

式中:Hst为水池最低水位到车站水泵扬水管出口地面高程差，取30 m;L为管道长度，含直线长度和管件及阀门折算长度。

将数值带入式(3)，得

双台水泵并联运行时，2台水泵的流量几乎相等，总管中的流量为2Q，则扬水管的管道特性方程为

从式(2)和(4)得到

从式(2)和(5)得到

区间消防时排水量为10 L/s［3］，因此，双泵并联运行时总流量不应小于36 m3/h，即并联运行时每台泵流量不应小于18 m3/h。为保证管道的冲淤流速，单泵运行时，管道的最小流速不小于 0.6 m/s［4］，即单台泵运行时最小流量应达到25 m3/h。由于WQ20－40－7.5性能曲线范围内的流量为10～30 m3/h，因此，并联运行时，泵的出水流量为18～30 m3/h;单泵运行时，泵的出水流量应为25～30 m3/h。在此范围内用式(6)和(7)对单泵运行排水长度L1、并联运行排水长度L2及水泵扬水管主管流速v进行计算，计算结果见表3。

从表3可知:单泵运行最小排水长度为流量达到30 m3/h时的L1=820m，小于这个长度则单泵运行流量大于30m3/h，超出了泵的运行曲线范围，需要重新选型或者调整泵出口阀门的开度，会造成管网局部阻力增加;并联运行时最大排水长度为每台泵达到18 m3/h时的L2=1 482 m，超过此长度，水泵并联后流量小于18 m3/h，无法达到设计功能，需要重新选型或者每台泵单独设1根排水管，如图5所示。当扬水管的长度超过2 172m，即使每台水泵单独设1根扬水管，泵出水流量仍小于25 m3/h，无法满足冲淤流速，需要重新选型。

表3 WQ20－40－7.5水泵排水参数表Table 3 Water pumping parameters of WQ20－40－7.5 pump

图5 并联水泵各设1根扬水管(单位:mm)Fig.5 One lifting pipe for each pump under parallel operation mode(mm)

4 结论与讨论

采用最小二乘法对WQ20－40－7.5型水泵性能曲线进行了拟合，同时运用海澄－威廉公式计算出水泵单泵和双泵工况下管道的特性方程，求出了WQ20－40－7.5型水泵在隧道区间的排水参数，从中可以得到以下规律:

1)表3中的L2的最大值具有代表意义，小于此值，理论上水泵单双泵都可以满足设计要求(通过调整水泵出口阀门开度)。

2)并联长距离输水水泵，根据水泵厂家样本进行单双泵运行工况校核非常必要，否则可能会出现水泵单泵或双泵运行的实际工作点偏移水泵工作的高效区的情况，导致输水能力不足或者因流量过大增加水泵叶轮、轴承的磨损。

3)可以根据厂家样本建立可能被选型的水泵参数表，在设计时指导选型。

4)表3中的L1和L2均为折算长度，根据局部损失的大概比例可推算出实际长度。

由于不同隧道区间长度、埋深、最低点与相邻地面高差等参数存在差异，不同水泵生产厂家的水泵性能曲线也有差异;因此，需结合具体情况进行计算后选型，然后再参照水泵样本核算。此外，过水域时废水泵房增设1台泵，平时用2台备用1台，必要时同时启动，需结合厂家样本进行单台运行、双台运行、3台运行这3种工况做进一步的研究。

［1］ 吴飞，崔彦枫，李祥立，等.水泵性能曲线方程研究［J］.暖通空调，2006，36(10):63 － 66.(WU Fei，CUI Yanfeng，LI Xiangli，et al.Research on pump characteristic equations［J］.Heating Ventilating ＆ Air Conditioning，2006，36(10):63 －66.(in Chinese))

［2］ 上海市建设和交通委员会.GB 50015—2003建筑给水排水设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.(Shanghai Urban Construction and Communication Commission.GB 50015—2003 Code for design of building water supply and drainage［S］.Beijing:China Planning Press，2003.(in Chinese))

［3］ 北京城建设计研究总院.GB 50157—2003地铁设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003:148－149.(Beijing Urban Engineering Design ＆ Research Institute.GB 50157—2003 Code for design of metro［S］.Beijing:China Planning Press，2003:148 －149.(in Chinese))

［4］ 上海市建设和交通委员会.GB 50014—2006室外排水设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003.(Shanghai Urban Construction and Communication Commission.GB 50014—2006 Code for design of outdoor wastewater engineering［S］.Beijing:China Planning Press，2003.(in Chinese ))