排涝泵站两种出水形式的比较分析

陈 研 陈友国 黄德元

（1.南京振高建设有限公司，江苏 南京 211300；2.浦口区水利局，江苏 南京 211800；3.南京市水利规划设计院有限责任公司，江苏 南京 210022）

浦口区的沿江、沿滁圩区现有重点穿堤排涝泵站70 多座，总排涝能力近250 m3/s。围绕水利现代化要求，浦口区近年来加大了农村重点排涝站改造力度，对原有的排涝格局进行规划调整，将一些小站合并，减少并优化站点布局，同时逐步淘汰落后泵型，减少设备台套，提高单机排涝能力。在设计排涝泵站的出水形式时，多选用了虹吸式出水和压力水箱出水两种。笔者结合近年来的工程实践，对这两种出水形式设计、施工和运行方面的情况进行比较与分析。

1 概述

长江南京下关段的历史最高水位为10.22 m，滁河晓桥段的最高水位12.63 m。按照长江委长江流域规划和滁河近期治理规划的标准，浦口区自2011年开始对境内的长江、滁河段堤防进行了工程综合整治，经加固后的长江主堤及通江河堤顶高11.8～13.0 m，宽8 m，局部高程不足的增设了挡浪墙，堤内一级平台高10.0～10.5 m，宽4 m；滁河主堤及通滁河堤顶高13.5～14.7 m，宽8 m。沿江、沿滁圩区的内圩农田地（田）面高程一般为6.5～7.2 m，主堤内的地（田）面高程相对较低。

浦口区近年更新改建的圩区重点排涝泵站大多选用潜水混（轴）流泵，采用软启动技术，墩墙式湿室型泵室（房），每座站都建有相对封闭的管理区。与传统的卧式混流泵相比，潜水式泵站具有结构简单且便于施工、单机排涝流量大、操作简便、对堤防振动破坏小等优点。泵站的设计水位5.70～6.20 m，配套功率90～110 kW，实际净扬程5～8 m。泵站规模以小（1）型为主，每座站的排涝能力为3～10 m3/s，总装机功率在1000 kW以下。每座站的装机数为2～4 台套，每台套机泵的单机排涝能力为1～3 m3/s，单机投资规模控制在120万元左右。

2 工程实例

2.1 压力水箱出水

图1 为浦口区沿江地区2013年原址拆建的一座排涝站纵剖面图。该站排涝能力9.6 m3/s，选用3 台2.7 m3/s和1 台1.5 m3/s 的潜水混流泵，总功率910 kW，进水池设计水位5.7 m，开机、关机水位分别为6.5 m、5.2 m。其出水部分的压力水箱采用了“出水前池+箱涵管道+闸门井”的形式，出水池与水泵的出水钢管连接，闸门下为消力池。整个压力水箱为钢筋混凝土结构，穿堤部分基础处理采用了Φ600 mm 灌注桩，桩长13.5 m，总数26 根。压力水箱底板厚度0.6 m，侧墙厚0.4 m，底板高程6.6 m，底板部分不设坡坎，为平顺直流。前池顺水流方向长13 m，净宽10.2～2.5 m，水箱前池沿轴线设有导流墙，为便于检修，前池顶部设有检修孔。压力箱涵净断面为2.5 m×2.5 m，长15 m，分2节，前池与箱涵之间以及箱涵与箱涵之间均设有紫铜片止水。闸门井为钢筋混凝土结构，采用潜孔平面定轮直升钢闸门控制，闸门尺寸与箱涵相同，配100 kN 单吊点手电两用螺杆启闭机1 台，上设启闭机房。

图1 压力水箱出水泵站纵剖面示意图

出水前池与箱涵连接渐变段的平面收缩角为40°，在泵站满负荷运行工况、箱涵淹没过流状态下的流速为1.47 m3/s，均满足规范要求。

2.2 虹吸式出水

图2 为2012年滁河主堤防上新建的泵站纵剖面图。设计排涝流量3.9 m3/s，选用ZQ2850A-4 型潜水泵3 台套，总功率480 kW，进水池设计水位6.8 m，开机、关机水位分别为7.3 m、6.3 m，设计扬程9.3 m。虹吸部分出水管道通过柔性接头与水泵连接。穿堤部分在管道弯曲处设置镇墩，镇墩之间以支墩支撑管道，整个穿堤部分设3 处镇墩、1 处支墩。镇墩采用分立式，平面尺寸为2 m×2 m，高3 m，混凝土标号为C25。堤顶高14.7 m，虹吸顶部驼峰处管道轴线高14.25 m，管道顶部设真空破坏阀，管道出口消力池处设拍门。

图2 虹吸式驼峰管道出水形式纵剖面示意图

为与水泵管道出口相适应，出水钢管的出水直径为800 mm，壁厚按δ≥D/130（D 为管道内径）的要求取8 mm，通过管道内的最大流速为2.58 m/s。出水管进入外河部分采用出水池消能形式，淹没出流，出水池淹没面高9 m。

3 两种出水形式的比较分析

3.1 工程施工

压力水箱出水形式施工较为复杂，属穿堤建筑物，施工要求高。一般情况下，泵站工程施工都在冬季枯水期，堤防开挖深度与内、外河水位接近，有时甚至低于外河水面，开挖断面大，施工作业面狭窄。桩基础施工周期长，施工期间对整个堤防基础的扰动破坏明显。出水部分为长期隐蔽工程，出水前池、箱涵、闸门等部位混凝土用量大，包括连接段的止水防渗处理，施工要求都很高，是整个工程质量控制的关键部分，对施工立模、混凝土浇筑及振捣、养护等具体环节均必须从严控制。回填土方施工应严格按规范要求采用一定比例的水泥土，分层碾实。

虹吸式出水施工中，一是虹吸管道多为沿坡面爬行或贴坡浅埋，布置时应尽量考虑减少出水管道的变向弯曲段，避免大角度转弯，转弯角宜小于45°，以保持出水流态的平顺稳定，减小水头损失；二是管道焊接要严格按规范操作，控制质量，同时管道堤顶部分的土层埋深不得小于0.6 m，避免车辆碾压破坏；三是大部分泵站为原址拆建，原先深埋的穿堤管道被拆除后，在新的回填土基础上增设镇墩支撑管道时，极易产生沉陷，严重的会将管道连接段法兰撕裂。为控制镇（支）墩的沉降，在保证回填土密实度的同时，可考虑在镇墩底部用木桩基础进行挤实加固处理，或者通过适当控制镇（支）墩混凝土材料用量、提高混凝土标号的方式，减小镇（支）墩自重。

3.2 运行管理

采用压力水箱出水，出水流态平顺稳定，水泵扬程低，运行效率较高，排涝成本低。即使在满负荷运行工况下，由于整个出水部分基础稳定，水流落差小，构建体自重大，堤防安全也不会受到影响。停泵水锤压力小，对整个出水部分及泵体的破坏作用不明显。外河水位较高时，应停止开机，并关闭闸门防止河水倒灌。闸门、压力箱涵及出水前池等建筑物，在长期运行老化后易出现断裂、沉降及人为损坏等。汛期外河长时间高水位时，可能会出现沿箱涵方向建筑物侧壁渗水现象，甚至出现险情。运行维护方面，应定期对闸门井进行检查，检查内容包括：门槽轨道是否完好，门体有无破损，螺杆的润滑保养情况。每年结合防汛检查和汛后消险，对出水前池和箱涵内的完好情况应至少安排两次以上专项检查。

虹吸式出水采用管道爬坡的形式，一泵一管出水，结构简单，管道糙率小，运行安全，对堤防的扰动和振动破坏小。运行维护方便，重点是管道表面可定期防锈，可定期检查真空破坏阀门。尽管虹吸管的驼峰位置高，水泵的设计扬程较大，但实际运行中的有效扬程依然为外河出水口处淹没水面与进水口处水位的高差。通常情况下，水泵总是在外河水位低于最高水位的状态下运行，在满足水泵的设备效率和最大流量时，水泵的实际运行功率低于额定值。外河水位较高但低于最高设计水位时，在驼峰作用下，水泵仍然可以在高效率区正常运行，这有利于主汛期时圩区的及时排涝。而当外河出现超历史水位时，则可以通过关闭出水口的拍门和开启驼峰顶处真空破坏阀的双重保险方式，防止水流倒灌。停泵水锤的压力破坏作用，可以通过软启动与软停车过程化解。采用淹没出流形式，既可以保证形成虹吸作用，降低正常情况下的水泵运行功率，也可获得消能和防冲刷的效果。

3.3 工程投资

虹吸式出水的堤防开挖断面少，耗用材料相对单一，施工灵活简单，周期短，建成后运行维护简单，工程隐患少。压力水箱出水形式施工包括堤防深切面开挖、基础处理、穿堤建筑物及防渗处理、闸门井及土方回填等部分，施工周期长，施工过程相对复杂，质量控制要求高。从近年投资建设泵站的造价分析来看，出水部分投资采用压力水箱出水比采用虹吸式出水约高出30%～40%。

4 结语

压力水箱出水和虹吸式出水是目前农村排涝泵站设计中较为常见的出水形式。压力水箱属穿堤建筑物，结构相对复杂，施工要求高，工程造价较高，但运行状态平稳，适合于排涝能力较强、任务重、经常处于满负荷状态运行的泵站。虹吸式出水的出水管道爬坡起伏大，管内水流流速变幅大，但结构形式简单，对堤防振动破坏小，施工简便，节省投资，便于运行管理和维护保养，对于在中等规模以下的排涝站中运用具有明显的优势。