潜水轴流泵在排灌工程中的应用

张国庆，吴昌成

（1.江苏省滨海县水利勘测设计室，224500，滨海；2.江苏省盐城市亭湖区水利局，224002，盐城）

江苏省滨海县共有1 650座泵站，其中绝大部分是能耗大的立式轴流泵和圬工泵，总装机容量5.3万kW，浪费约1.5万kW，按年运行500小时计算，每年要浪费电750万kWh。近年，随着潜水轴流泵的开发应用，其运行保证率不断提高，流量扬程逐步增大，具有立式轴流泵所不具备的众多优点，促进了潜水轴流泵在排灌工程中的运用。

一、技术经济优势

与立式轴流泵相比，潜水轴流泵具有以下几个特点：

①结构紧凑：潜水电机与轴流泵连成一体共用一轴，结构紧凑，机泵与电缆线用机械密封隔开，泵体设有泄漏及温升保护装置，机组潜没水下运行，不需润滑、冷却。

②安装简易：整泵吊入预设井筒，不需复杂的对中同心定位。

③远程控制：可不设泵房，远程控制。

④管理方便：无人值守，整机吊出检修，不需打坝排水，方便快捷，尤其是运行不受汛期影响。

⑤适应性强：潜水轴流泵在泵站的设计、施工、运行管理等方面都有了大的改进，适应性强，应用前景广阔。

二、潜水轴流泵的选型

排灌泵站结构形式常见为排涝、灌溉和排灌结合三种，图1为排灌结合站常见形式，通过闸门控制，实现机械抽排、自排、灌溉、挡洪功能，单灌、单排站结构形式通常与之类似。

1.设计流量

一般排涝模数大于灌水率，对于排灌结合泵站，按排涝流量确定泵站设计流量。具体要根据地区经济发展情况，按近期水利规划确定的排涝标准，分析拟定排涝模数。灌水率以泵站控制区作物分布情况确定作物需水量，控制工况一般是在灌溉高峰期干旱无雨的情况下。

根据有关资料计算成果，考虑到河湖调蓄作用，里下河地区排涝模数一般为 0.3～0.76(m3/s)·km2，灌溉模数一般为 16～29(m3/s)·万 hm2。 灌水率约为排涝模数的一半，按排涝流量设计的排灌结合站有足够的备用机组，可以保证灌溉用水高峰期需求。

2.设计扬程

通常情况下灌溉扬程大于排涝扬程，取用设计灌溉保证率下的抽引水位与出水池水位差及沿程和局部水头损失确定泵站设计扬程，特殊的干旱年和丰水年水位组合作为校核扬程，按灌溉扬程设计的排灌结合站相对于排涝扬程是足够的。

3.泵的选型

潜水泵是机泵合一的形式，选型比传统立式轴流泵简单。从潜水泵性能曲线上看，在相同工况下，潜水泵的综合性能优于相同口径的立式泵。根据设计流量、扬程，选择确定泵型、机组台数。对于校核工况，还可通过调整叶片角或变速的方法，保证水泵在实际运行过程中工作点落在综合性能曲线高效区内，一般设计时取用80%以上为高效区。

三、泵室设计

建设于圩堤下的排灌结合站湿式泵室结构（见图1），将泵站和引排涵洞连为一体，可以减少一座自排涵洞。同时也可有效均布泵室自重，减小偏心距，利用引排涵洞作为消力设施，提高泵的装机效率。

1.泵室稳定计算

（1）地基应力计算

地基应力计算工况分为完建期、运行期、校核期等。各种工况下受力的组合和大小都不同。

一般来说，泵站出水池的宽度要大于引排涵洞的宽度。总体布置时，需将出水池设计成梯形。在计算地基反力时，需计算出泵室底板截面形心轴及惯性矩，再根据叠加原理对地基进行稳定计算。若机组较少可取整个泵房作为计算单元，否则可沿泵室长度取一台机组与相邻两台机组的中线之间范围作为计算单元。泵室的稳定分析计算是一项十分重要的工作，稳定满足要求后才能进行各分部的结构计算。

（2）防渗长度校核

泵站水位差较大的工况处于灌溉期及挡洪期，由于泵室本身直接承受进出侧水位差而造成的水平推力及渗透压力和浮托力，一般依靠在泵室底板长度各出口处设置防渗板，防止产生管涌和流土，避免渗透变形。

表1 潜水轴流泵在滨海县应用情况统计

（3）抗滑稳定计算

修建在软基上的泵站由于其地基承载力较小，在同时承受水平和垂直荷载情况下，泵室可能会发生滑动，必要时可以加长防渗板或铺盖，延长渗径，加深齿坎，对墙后回填土优先选用粗粒土料，增大内摩擦角。

2.泵室结构计算

潜水轴流泵泵室构成一个箱式结构。结构计算时沿水流方向以出水池后壁为界将泵室分成上、下游两个部分进行内力分析计算，通常情况结构内力受完建期控制。

（1）上游段

湿室型泵室可按箱式涵洞结构计算，当顶层的工作桥或板的刚度小于墩墙的10%时，可近似地将其视为两端铰支在墩墙上的链杆进行计算。对于水泵梁，从安全角度考虑，可以忽略其对整个结构的影响，将其设为一个单独的半支半简梁计算，实际上水泵梁的存在对泵室墩墙的强度和结构整体刚度是有利的。

（2）下游段

下游段也是箱式结构，为缩小出水池的计算跨度，一般设置与泵室同跨的隔墩。在排灌结合泵站中，出水池结构和箱式泵室作为一个整体进行内力分析。

下游段结构受力与上游段同理。荷载受完建期(出水池内无水压力)和枯水灌溉期(出水池有水压力)两种情况控制。内力分析时，出水池段按双层框架计算。

在出水池的出口与涵洞交界处设置调压井，用来调节灌排水流，还可减小水锤的冲击压力，同时可作为检修孔使用。

四、潜水轴流泵的实际应用

1.在排灌工程中的应用

近十年潜水轴流泵在滨海县得到大量应用（见表1），为地方经济发展作出了基础性贡献，有力地促进了农村经济发展。

2.在风景名胜区中的应用

引水排涝泵站位于风景名胜区、行政办公区、城市绿化区时，使用传统立式泵无法做到与自然景观相协调。而潜水泵站可以做到地面无建筑物，占地面积小，远程集中控制，适合在风景区内应用。滨海县行政中心环水泵站、人民公园沿湖排涝站就属于景区内泵站，这些泵站位置现场看不到建筑物，在室内集中控制，与景区融为一体。

五、建 议

潜水轴流泵站在国内的应用已经有一段时间，从已建设的泵站情况来看，还需规划、机电、结构等专业技术人员结合泵的特点,联系实际地形条件，不断创新,才能进一步突现出潜水轴流泵的新特色，更好地应用于排灌工程。

1.潜水轴流泵站的最佳规模

从电机功率、电机转速、机组重量、水泵效率、电机电压及泵组的流量价格比、装机台数等涉及泵站的众多因素综合考虑,潜水泵站的最佳规模应为中小型(装机流量30～10m3/s)，同一座泵站中尽量选用同型号、同厂家的机组。

2.提高泵站的监控水准

为了便于实现潜水泵站的自动控制运行，一般在泵站前池设置遥感水位计，可实现远程自控,这类泵站可按无人值守设计。而对于雨水泵站，水位变化较小，不便实现自控，可按临时少人值守设计。泵站的进出水位、泵组的实时功率、机组温度等主要动态监测数据实时自动传送至泵站控制中心，对不同的参数设定相应的变幅，由系统自动决定是否需要检查、维护和故障处理，以此来降低工程建设投资及运行管理费用。

3.设置副泵房

潜水轴流泵按设计可以露天运行，但长期的日晒雨淋会降低设备使用年限，增加设备维护经费支出，也不利于设备防盗。建议设置副泵房保护机泵，延长设备使用年限，景区内副泵房可以设计成亭台楼阁，与周围的景观和谐统一。

[1]武汉水利电力学院.水泵及水泵站[M].北京:水利电力出版社，1986.

[2]周雨农.潜水轴流泵的应用实践[J].水利科技，2001(2).

[3]王兆军，等.QZ泵与框架式泵室在排灌工程中的设计与应用[J].中国农村水利水电，2002(1).