高寒地区多级泵泵站设计与施工技术

李中校 蒋有能

（1. 迪庆州水利水电勘察设计所 香格里拉 674400； 2. 云南省水利水电科学研究所 昆明 650200 )

1 工程概况

香格里拉滑雪场位于香格里拉县尼西乡哈拉村，地处东经 93°10′～ 94°27′,北纬 56°21′～ 57°43′之间。泵站是为滑雪场提供人工造雪的供水工程，工程分为二级泵站提水，一级站从尼西乡汤满河龙潭 2733m高程处提水到汤满上村，设计流量0.132 m3/s，装机容量2×710 kW，提水扬程274.5m，管路长4528m；二级站从一级站出水池提水到哈拉村3299.6m处20000m3的蓄水池内，设计流量0.126 m3/s，装机容量2×710 kW，提水扬程 292.65m，管路长 3923m，工程总投资1382.05万元。

2 工程设计及要点

2.1 水泵台数

考虑泵站的工程投资和运行费用，并满足优化调度及长远规划的要求，确定泵站的装机台数。由于滑雪场是迪庆州政府招商引资的重点项目，为确保滑雪场正常用水，设计安装2台水泵，单机供水，备用（轮换）机组1台，2台机组串连共用一根供水管道。

2.2 水泵型号选择

水泵选型应满足设计流量和扬程的要求，并使水泵在设计扬程时工作效率最高，在校核扬程时亦能保证正常供水。泵型力求高效、节能、新型，做到型号统一，便于维修管理。根据国际国内水泵生产系列，目前可供选择的水泵有IS、S型离心泵和D 型多级离心泵。IS、S型离心泵最高扬程均在140m以下，加上管路损失需要 5～6级泵站提水，其工程投资大，运行成本高；D 型多级离心泵扬程在650m以下，加上管路损失需要2级泵站提水， 与IS、S型离心泵相比较，D 型多级离心泵工程投资小、运行成本低，因此选择水泵型号为D 型多级离心泵。初选水泵的性能参数见表1。

表1 D型多级离心泵工作性能参数表

2.3 站级划分

泵站地形扬程 567.15 m，管路总长 8451 m，要求设计流量为0.125 m3/s，按水泵进、出口管径250 mm计算，总的管路损失377.4 m。水泵总扬程944.55 m，按加大进、出口管径为 300 mm计算，总的管路损失142.9m，水泵总扬程710.05 m。根据D 型多级离心泵的工作性能特性，确定泵站设计规模为二级泵站提水。根据水泵型号、地形扬程、管路安装等情况，建立数学模型，进行优化计算，确定泵站的位置，得到分级泵站的设计参数见表2。

2.4 管路设计

2.4.1 管路布置

国内外有关试验表明：在50m以下扬程泵站中，管路设计可不考虑在事故停机时产生的水锤压力与水泵、电机的飞逸转速问题，设计仅在水泵出口设置电动工作闸阀。50m以上地形扬程的泵站中安装逆止阀，以防止意外事故的发生，且最好安装在泵房外。在高扬程、长管路泵站设计中，有关文献资料目前还没有较好的解决办法，我们根据分段减压理论，设计在100m扬程内设置1个逆止阀，以解决事故停机时产生的水锤压力和水泵、电机的飞逸转速问题。为解决钢管中水体的冰冻问题，在逆止阀后设置1个排水闸阀。为有效防止温度变化对管道的破坏作用，设计在管路中按150～200m管长设置1个套管式伸缩节。

2.4.2 管材、管径、管壁厚

输水管道要求具有足够的耐压强度、水力损失小、安装运输方便。根据香格里拉县交通路途遥远，运输费用高，管路安装坡度陡、工作压力大等特点，为减少管道投资，管路分三段选用卷板焊接钢管制作，管壁厚度按下式计算：

表2 分级泵站的设计参数

式中：a为管壁厚度，mm；D为管道内径，m；H为静水头与水锤压力水头之和，m；i为接缝强度系数。

取D=0.30m； i =0.9；H =400、500、600m（按分段压力计算），分别计算得管壁厚度 a =6.83、8.55、10.26mm，管道设计使用年限为20年，考虑锈蚀作用，管路自上而下分别采用管壁厚度为 8、10、12mm。

根据市场调查，a =12 mm钢管采用无缝钢管，规格Φ325×12，材质Q235A, 工作压力8.5MPa；a =8mm、a =12 mm钢管采用高压焊接钢管，规格Φ325×10、Φ325×8，材质 Q235H, 工作压力6.9MPa。

2.5 水泵工作点计算

根据所选水泵的工作性能表（性能曲线）、地形扬程、管路布置，泵站采用单机运行（轮换备用）的方式供水，进出口管径均为 300 mm的钢管，计算得水泵工作点和泵站装置效率见表3。

计算结果表明：泵站装置效率、能源单耗均达到国家标准，水泵在高效率区工作，水泵选型合理，流量、扬程配置适当。

2.6 水泵安装高程计算

按水泵样本提供的气蚀余量为4m，考虑在装置点海拔高程的大气压力情况计算水泵的吸程，决定泵轴中心线的安装高程，水泵吸程按下式计算：

式中：H吸为吸水扬程，m；HS为水泵的气蚀余量，m；P气/g为装置点的大气压力水头，m；P汽/g为工作水温下的水蒸气压力水头，m；v2/2g为水泵进口处流速水头m；h吸损为吸水管路水头损失，m。

表3 水泵工作点计算成果

一级站正常水位 2733.0 m，泵房地面高程2732.55 m，水泵设计安装高程2733.11 m，计算安装高程2734.66m，水泵吸程可满足设计要求；二级站正常水位 3006.95 m，最高水位 3007.95 m，泵房地面高程3006.50 m，水泵设计安装高程3007.21 m，计算安装高程 3008.44m，并在最高水位时可负值吸水。

3 工程施工及要点

3.1 泵站施工

（1）一级泵站位于汤满龙潭岸边，距龙洞口50 m，泵房、进水池基础下开挖有大量的地下水涌出，施工在基础下1.5 m处采用塑料薄膜黏土、砾石进行封压处理。

（2）泵房外的管路由于日温差较大，致使管路变形，水泵产生2～3cm位移，通过在泵房外1.0m处和在管路的转角处设置镇墩处理，有效地避免了水泵位移现象。

（3）停机后泵房外的逆止阀中的水体长时间保留在管道中，在冬季不提水时（7天以上）易发生冰冻现象，致使机组不能正常运行。设计在逆止阀后安装一个 50mm高压排水闸阀，将管中的水体排除。

3.2 管路施工

（1）在管路的水平转角和轴向转角处设置 1个镇墩，在2个镇墩之间设置1个套管式伸缩节，以限制温差引起管道的伸缩量在5～10cm内，防止伸缩量过大引起管道接头破坏，使管道漏水。直管段要求 150～200m设置镇墩和套管式伸缩节各 1个。

（2）坡顶转角向下的弯管，由于受力集中，接头要求焊接处理。

（3）管道接头止水垫片，按工作压力在0.5MPa以内采用橡胶止水垫片；0.5～1.0MPa采用石棉止水垫片；1.0～2.0MPa采用橡胶金属丝止水垫片；2.0MPa以上采用金属止水垫片。

（4）在高扬程、长管路的安装过程中，要求在1000m或扬程在100m内利用空压机打压试验1次，以防止试机时爆管、漏水和发生意外事故。

3.3 20000m3蓄水池施工

（1）池底板采用钢筋混凝土框架式弹性地基梁设计，在地基梁的框架内自然分块，各单元块内的混凝土不设钢筋。在地基梁边沿设沉陷缝，采用聚氯乙烯胶泥填缝，高标号砂浆覆盖处理。

（2）边墙采用钢筋混凝土重力挡墙结构，25m设置1条分隔缝，采用橡胶板作止水处理，橡胶板不允许作横向接头处理。

（3）蓄水池的施工期为2006年12月～2007年1月，气温-18～15℃，土石方开挖量22100 m3，混凝土浇筑量4850m3。由于工期紧，施工任务重，为确保工程质量，在混凝土中加入了减水剂、防冻剂，并要求在气温低于 5℃时，需将混凝土拌和用水加热到30～35℃，施工区内燃火升温，当气温低于0℃以下时不允许施工。

4 电气设备

所选水泵配套710kW/10kv高压电机，10 kv电压直接起动，每台机组选择高压配电屏一面，型号为ZYG2-1kW -800kW，屏面上要求设置电流、电压、功率因素、计量监测表，高压启动柜（开关柜）一面。2台机组共用 1面低压配电屏，型号为ZYG2-3QW-7.5 kW，设计为低压直接起动，要求控制2.5kW电动闸阀2个、SZB-8/3kW真空泵1台、SG-3kw电动行车1架、生活照明回路1个，屏面上要求设置电流、电压、计量监测表。

5 工程运行及结论

泵站工程于2007年1月31日竣工，经过5天的试运行后，于2月8日投入运行，至3月30日止，连续运行24小时，累计运行72小时以上，提水 45000m3。泵站供水运行正常，设计达到国家有关规范要求，可交付建设单位验收使用。

多级泵是一种适应性很广（水量、扬程）的提水机械，比较适合我省山区、半山区农、经作物的灌溉及其它用水工程。迪庆州香格里拉滑雪场多级泵泵站工程的建成，是云南省目前海拔最高（3300m）、气温最低（-18℃）、扬程最高（567.15m）、管路最长（8451m）、装机容量最大（2840kW）、技术含量最高的多级泵泵站，它为我省今后多级泵泵站的建设提供了可借鉴的经验。

1 机电排灌手册.水利电力出版社，1982.

2 泵站工程技术手册.中国农业出版社，1998.

3 泵站与抽水装置试验. 水利电力出版社，1990.

4 水工建筑物.水利电力出版社，1987.

5 水利工程施工.水利电力出版社，1987.