浮船式取水泵站在实际工程中的应用

郝 路

(中工武大设计研究有限公司，武汉 430205)

取水泵站是供水系统的重要组成部分，取水泵站的选取及其优化运行研究对泵站节能等具有重要意义[1]。移动式取水泵站适合在江、河、湖泊、水库边取水，制造简单方便，周期短、造价低；相比于传统的取水泵站，取水效率更高[2]，水质好，安全可靠；受水位变化、涨落频率变化等因素的影响较小。如文献[3]将小型移动泵站应用在水田生产基地建设中，取得了良好的效果，社会效益和经济效益明显。在水利工程中，移动式取水泵站主要应用于灌溉工程中的永久性取水设施及各类大型工程建设时的临时取水设施[4]。文献[5]初步对小型移动式取水泵站的应用做了尝试。本文将浮船式取水泵站应用在湖北省松滋市涴市镇大口水厂的取水工程中，通过与缆车式、竖井式(固定式)泵站优缺点的选型比较，分析研究针对不同类型取水构筑物的考虑因素，适应条件及取水构筑物的设计内容。

1 工程选址

湖北省松滋市涴市镇大口水厂工程为村镇集中式供水工程，供水规模为1.5万t/d，为小(1)型IV等工程，主要建筑物级别为4级，次要建筑物级别为5级。工程按20年一遇洪水设计，50年一遇洪水校核。

该工程主要供八宝镇、涴市镇、沙道观镇三镇居民生活用水，包括水源工程、水厂工程和输配水工程。工程取水水源为长江，取水规模为1.65万t/d，即0.19 m3/s。大口水厂主要为居民生产生活供水，作为工程主要构筑物之一的取水泵站，其日后的运行管理费用有保障，具有明显优势。

长江在松滋境内长26.74 km，九曲回肠，在涴市镇处北折东流，形成弯道。弯道上游农田遍布，离供水区域较远，如取水点选择弯道上游，主管线较长，投资较高。弯道下游紧靠涴市镇，房屋密集，如取水点选择弯道下游，主管线需穿越村镇和涴米河，施工困难、投资较高，移民拆迁量大；且有涴米河污水排入长江，污染水源。弯道凹岸凸点下游侧水深、流态良好，不冲不淤，位于涴市镇上游，水质良好，距涴市镇较近，工程投资较低。再者，水流流经弯道时产生弯道环流，在弯道凹岸可以形成窄长的深槽，水深较大且主流靠近岸边，在汛期有较大的夹砂能力，河床底部的泥沙由凹岸运向凸岸，河槽不容易淤积。在冬季，由于流速较大，有利于冰水分层。经分析比较，取水点选定于凹岸凸点下游侧，即鄂江右714+900处。大口水厂取水点位置如图1所示。

图1 大口水厂取水点位置示意图Fig.1 The place of intake point of Dakou waterworks

万里长江，险在荆江。受荆江裁弯河床演变、洞庭湖分流入汇变化及上游葛洲坝、三峡水库等影响，长江荆江河段水位流量关系变化十分复杂。本工程泵站最高运行水位与最低运行水位间水位涨落变幅达15.14 m，取水点河岸滩开阔，边坡平均坡比1∶3.5，见图2，可以充分利用地形条件布置泵站，减少工程量，避免掏空、淤积、不均匀沉陷等情况发生。

图2 大口水厂取水点地形横断面图(单位：m)Fig.2 Cross-section profile of intake point of Dakou waterworks

2 取水泵站型式的选取

泵站设计流量0.19 m3/s，其所处河段水位涨落变幅15.14 m，水位上涨速度小于2 m/h，河岸坡稳定，平均坡比为1∶3.5。下面分别对移动式(浮船式、缆车式)和固定式(竖井式)取水泵站型式进行技术经济比选，见图3～图5。

(1)浮船式泵站。浮船式泵站为停泊式，配备浮船长14.2 m，宽8.7 m，型深1.5 m，吃水深度0.85 m。泵房内布置3台立式单级单吸离心泵(2用1备)，型号为ISG200-315(Ⅰ)，单机流量Q=0.1 m3/s，扬程H=21 m，功率37 kW。泵船上设置航标灯等安全信号指示装置。

(2)缆车式泵站。缆车式泵站设置取水泵车1台，配备3台水泵(2用1备)，水泵型号为ISG200-315，单机流量Q=0.1 m3/s，扬程H=21 m，功率37 kW。

图3 浮船式泵站纵剖面图(单位：m)Fig.3 Longitudinal section of floating pumping station

图4 缆车式泵站纵剖面图(单位：m)Fig.4 Longitudinal section of cable car type pumping station

(3)竖井式泵站。根据取水口地形地貌，采用竖井式泵站。竖井为C25钢筋混凝土圆筒框架结构，高16.5 m，圆筒内径4 m，外径5 m。启闭台上安装3台为长轴深井泵(2用1备)，型号350RJC370-16，单机流量Q=0.1 m3/s，扬程H=21 m，功率55 kW。启闭机房屋面梁设置3个手电两用电动葫芦，用于起吊水泵。

综合考虑工程造价、施工难度、水流流态、操作管理以及供水安全等多方面因素，移动式(浮船式、缆车式)和固定式(竖井式)泵站方案比选见表1。

工程位于长江荆江河段，考虑防洪防凌、河床液化砂质地基等因素，若建设固定式取水泵站，则设计标准高，投资费用大。更为严重的是：若荆江河段主流改变，建成的固定式泵站将无法发挥应有的效益，将造成极大的浪费。而移动式泵站一次性投资小、见效快，无复杂的水下建筑物结构，施工周期短。相对于固定式泵站，移动式泵站灵活机动，优势明显。

浮船式泵站造价低、适应性广、灵活性大，能随水位涨落而升降；能适应主流多变、河床变迁或其他原因引起的取水地点变更；取水量发生变化时设备容易改装；能适应上马快、供水要求迫切的用水需要。再者，浮船式泵站造价比缆车式略低，且钢筋混凝土结构简单，枯水期施工无需修筑围堰，施工安全，操作简单。由于本工程泵站取水流量较小，浮船式泵站对水流流态影响不大。另外，取水点处河岸有平坦开阔的河滩地，便于泵船定期检修；而其供水安全性可通过周密的设计、严格的运行管理制度得到保障。经过技术、经济比较，推荐选用浮船式泵站。

图5 竖井式泵站纵剖面图(单位：m)Fig.5 Longitudinal section of vertical pumping station

取水泵站类型移动式泵站浮船式缆车式固定式泵站(竖井式)特点移动式，灵活机动移动式，灵活机动固定式装机功率37×3=111kW37×3=111kW55×3=165kW工程造价338．74万元357．56万元390．30万元固定设施锚固设施复杂简单施工难度 无复杂的水下结构和大量的土石方、钢筋混凝土工程；无需围堰施工，工期短，施工简单、安全，对周边环境影响小 有水下结构，且土石方、钢筋混凝土工程量大，需开挖基坑，新建围堰，施工难度大，工期长水流流态 附近局部水流紊乱，淘刷江道或引渠的堤岸 有一定阻水作用，水流流态良好操作管理 运行管理简单，浮船随水位涨落而自动升降，水泵吸水口一直保持在液面以下1～2m的位置，取出的水泥砂含量低，污物少 操作管理较麻烦，随着水位涨落需要拆换接头，移动船位，收放缆绳和输电线路。特别是洪水期间，操作频繁 引水管、泵站固定，操作简单，可自动化操作，劳动条件好。供水安全 浮船漂浮于江河中，易受风浪、急流、航运、漂木、浮筏等影响 受风浪、急流、岸冰、浅水等影响小可靠

3 浮船式取水泵站设计

3.1 工程地质条件

工程区内出露地层主要为第四系全新统地层，其地层描述如下：

(1)第四系人工填土层(Qml4)：以素填土、杂填土为主，主要成分为粉土、粉质黏土、黏土。

(2)第四系全新统冲洪积层(Qal+pl4)：由上至下依次为粉土、粉质黏土、黏土、粉砂、中细砂、卵砾石层等。

取水泵站站址的地面高程约42.50 m，滩地最大宽度约30.3 m。滩地地层上以中细砂为主，厚度约10 m，其内摩擦角ψ=30°，与混凝土间的摩擦系数为0.4，地基承载力特征值fak=150～180 kPa，可作为基础持力层。滩地地下水位与长江水位持平，附近未见不良物理地质现象。

3.2 建筑物设计

浮船式泵站主要建筑物包括浮船、主泵房、支墩、工作桥等，泵船及浮船式泵站剖面图见图6～图8。

(1)浮船结构型式及材质。浮船由两个对称浮体螺栓连接后，在槽钢处焊接成为整体。浮体为梯形，底部首、尾斜直线起翘，中部为平行中体，甲板四角为圆角，尺寸为14.2 m×8.7 m×3.8 m(长×宽×高)，型深1.5 m，吃水深度0.85 m。每个单独浮体为钢质、全电焊、横骨架式结构。横向强框架最大间距1.5 m，肋距0.5 m，甲板安装设备处做部分结构加强。首尾各设一道水密舱壁，形成3个独立的密封舱，共6个密封舱室，保证任一舱室进水后浮船不沉。每个密封舱在甲板上设一个进人孔，用于检修和压载。进人孔盖板采用CCSA船用钢板厚8 mm。浮船设计成两个单独浮体，便于运输、安装。

图6 泵船(泵房)平面图及纵剖面图(单位：mm)Fig.6 Horizontal projection and a cross-sectional of pump

图7 浮船式泵站平面图(单位：mm)Fig.7 Horizontal projection of floating station

图8 浮船式泵站纵断面图(单位：mm)Fig.8 Skiagraph of floating station

(2)主泵房。主泵房一层，布置于浮船甲板平面上，采用轻型钢结构，长10.2 m，宽4.54 m，高3.8 m。泵房内安装3台水泵机组，机组间距为1.8 m，主机组单机容量为37 kW，单机流量为0.1 m3/s，设计扬程为21 m。

浮体内部设压载水舱，布置在两浮体的前后舱内，用以调整船舶吃水满足泵船最大吃水深度的要求，及平衡不同部分的机组启动时造成的横倾力矩。浮船式泵站在长年取水的过程中，随着水位的升降浮体会出现横倾现象，可通过压载舱压载石块或沙包来调整浮船的平衡性，让浮船处于最佳取水状态。

浮船式泵站与河岸采用主辅旋臂连接，旋臂长50 m，极限角度0°～19.78°，工作制为24 h/d。

(3)支墩。支墩布置于河滩地临水侧，顶高程与长江大堤等高，确定为45.70 m。支墩采用C25钢筋混凝土排架柱结构，平面尺寸为4.5 m×5.0 m，高10 m。

(4)出水管。泵站与厂区设置输水钢管1根，管径DN450，长235 m，管道采用地下埋管，埋深不小于1.5 m，管道转弯和分岔处采用钢管件连接，并设置镇墩。

(5)工作桥。工作桥连接浮船支墩和长江大堤，采用简支梁板式结构。工作桥桥面高程45.70 m，桥长49 m，宽2 m，分5跨，单跨9.8 m，由下部桥台、排架柱和牛腿支承。

4 结 语

小型移动式取水泵站常常用于取水量小，施工工期短，水下施工难度大，河流汛期泥沙含量大的取水工程上。其中缆车式一般适用于水位变幅在10～35 m，涨落速度不大于2 m/h的河段；要求河段河水丰富，冬季无流冰，夏季漂浮物较少，河床稳定、河道顺直，主流靠岸，倾角10°～25°，岸坡稳定，且河岸河床工程地质条件好。而浮船式一般适用于水位变幅8～35 m，变速不大于2 m/h，枯水期水深大于1.5 m，水流平稳，风浪较小，停泊条件良好的河段；要求河段河床较稳定，岸边有适宜倾角，河水中杂草等漂浮物较少，且冬季冰水分层。

移动式取水构筑物在我国中南和西南地区采用较多，大量应用于工矿企业和城市供水、农田灌溉；之所以被广泛采用，是和这些地区的特定条件有关。在工程设计应用中，应综合考虑工程所在地地形地貌、河道水文地质条件、项目投资、工程运行功能要求等因素，因地制宜，选择稳妥经济高效的构筑物设计方案。

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[1] 卫晓贤，刘德有，黄时峰，等. 考虑丰谷电价及清水池调节容量的取水泵站优化调度[J]，中国农村水利水电，2013，(1)：156-159.

[2] 任建民. 取水泵节能降耗改造实践[J]，供水技术，2013，7(4)：39-42.

[3] 孙玉杰，李彦辉. 小型移动泵站在阿城区水田生产基地建设中的应用[J]，黑龙江水利科技，2011,39(4)：296.

[4] 李亚峰. 水泵及水泵站[M]. 3版.机械工业出版社，2009.

[5] 张 赟，尹晓明，刘 波. 小型移动取水泵站工程两例[J]，西南给排水，2011，33(3)：6-8.

[6] GB 50265-2010，泵站设计规范[S].