桐河控制工程闸站结合及双向泵站设计比选

摘要：桐河水利枢纽既有防洪排涝功能，又有生态补水、蓄水、引水功能，闸站设计时按照防治结合、蓄泄兼顾、以泄为主的原则，在防洪闸选用直升式双门方案的基础上，研究了两座泵站独立建站方案、共用进水流道方案、两站合一共用全部方案。推荐的两站合一共用全部方案结构布置紧凑，采用装置效率为国内外同类装置最好水平的低扬程大流量的双向贯流泵，减少了开挖量和混凝土量，机组共享，工程总费用小，水力性能好，机组在正、反方向运行时均处于高效区，节约电能。按照选定的双向水泵进行设计，投资最省，设备功率小。

关键词：闸站结合;两站独立;双向泵站;贯流水泵;设计方案

中图分类号：TV375

文献标志码：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2020.01.023

1 工程作用及规模

桐河泵站位于河南省西南部唐河县。为将桐河国储林基地西侧2.3 km长滨水地带进行湿地营造和景观提升改造，打造唐河县的一张城市名片——北辰公园，而在桐河入唐河处修建该工程。该工程为上游桐河湿地水位的重要控制工程，兼具生态补水和防洪排涝的作用。

根据水文分析，桐河入唐河处，桐河堤防防洪设计标准为20 a一遇，相应水位为99.70 m;唐河堤防防洪设计标准为50a一遇，相应水位为100.57 m;湿地和景观设计水位为96.00 m。桐河泵站工程任务：一是汛期桐河水位高于唐河水位时，能够将桐河涝水自流排至唐河;二是汛期桐河水位低于唐河水位且桐河水位处于高水位运行时，为防止唐河水倒灌、减轻桐河的防洪压力和持续高水位对湿地营造和景观的影响，通过泵站将桐河水排至唐河;三是当桐河水位降至湿地营造和景观需求水位时，拦蓄桐河水;四是当桐河水位较低，不能够满足湿地营造和景观需求水位时，通过泵站加压将唐河水提升至桐河，从而达到“排有出路，灌有水源，蓄而不涝”[1]之目的。

为保证该水利枢纽区划的独立性、完整性和以流域水系为基本的区划单位，减小上下游和相邻区域的矛盾，便于管理，结合县域规划，拟建的枢纽修建在桐河汇入唐河口处上游约200 m处。

为完成上述排、灌、蓄、引、调相结合的工程任务，拟建的控制工程包括防洪闸、排涝泵站、供水泵站等。防洪闸在汛期能将桐河洪水泄入唐河，保证桐河大堤安全，汛期后拦蓄桐河水至湿地营造和景观需求水位的同时，保证唐河高水位不侵袭湿地和景观。排涝泵站在汛期防洪闸不能自流排泄洪水而关闭闸门时，通过提排将桐河洪水排至唐河，保证桐河堤防安全。供水泵站在湿地营造和景观需求水位不能满足要求时，经过泵站加压将唐河水返输至防洪闸上游。

闸站结合即将防洪闸、泵房的基础连在一起，构成一个建筑物，从而减少基础处理，共用翼墙，降低费用和整体工程造价，这样建筑物布置紧凑，可减少管理人员，达到闸站结合、一站多用之目的。汛期当桐河水位高于唐河水位时，自流排涝;当桐河水位低于唐河水位时，关闭闸门，由泵站将桐河水抽排入唐河。当唐河水位较高时，开启闸门，可直接引唐河水满足湿地需要;当唐河水位很高时，关闭闸门，避免唐河洪水给桐河带来灾害。当唐河、桐河水位均较低时，关闭闸门，利用泵站抽唐河水，满足湿地需求。这种布置既能自引自排，又能抽引抽排，综合利用效果显著。

经水文分析，各个建筑物规划参数见表1。

2 防洪闸设计

根据该工程自排、提排、提灌、调蓄等综合利用功能，闸站布置时按照防制結合、蓄泄兼顾、以泄为主的原则，在满足防洪闸设计的基础上，对排涝泵站、供水泵站进行相应设计。

防洪闸按其任务划分属于拦河节制闸，一般选择在顺直、河床稳定的河道上，其中心线一般应与河道中泓线相吻合[2]。设计时根据地质、地形条件，闸室中心线与桐河中心线重合，为直升式水闸，闸室底板采用平底宽顶堰结构，闸室顺水流方向长18 m，5孔，单孔净宽10 m。闸墩上设交通桥、工作桥及启闭机房等。

拟建的防洪闸除用于宣泄桐河洪水外，在汛期挡唐河水防洪，在枯水期拦蓄桐河河水，设计时经过分析采用双门方案，即闸门设上下门。根据挡水要求，下部闸门选用10.0 mx6.0 m（宽×高）的平板钢闸门，上部闸门选用10.0 mx7.5 m（宽×高）的平板钢闸门。其主要特点为：闸门高度较低，从而减小闸门启闭设备和上部水工结构高度;闸门运行灵活，利于水位控制。

3 泵站设计研究

3.1 泵站方案

该项目以自排为主，强排、灌溉相结合，因此泵站设计在防洪闸设计的基础上进行优化。实际运行时设计扬程情况下机组启动的几率较小，将其扬程在按规范[3]计算的基础上增加1 m。其设计流量、特征扬程见表2。设计两站独立建站方案（方案一）及两站合一建站方案，两站合一建站方案包括共用进水流道方案（方案二）、共用全部方案（方案三）。

3.2 两站独立建站方案

两站独立建站是在防洪闸布置的基础上，根据排水和供水功能的不同，将泵站均布置在防洪闸的左岸，但相对独立（或分别布置在左、右岸），根据需要统一调度。根据表2提供的特征参数，排涝泵站选择1200ZLB-135（ +40）水泵2台，单机功率330 kW布置在防洪闸右岸;供水泵站选择1200ZLB -7（-40）水泵3台，单机功率400 kW，布置在左岸。

该布置方案的主要特点：排涝泵站、供水泵站自成体系，有各自独立的进出水通道，运行灵活方便;进出水均为正向，水流条件较好;采用轴流泵机组，电机不受水的浸没，使用年限较长;电机为常规型，可供选择的生产厂家较多;机组台数不受防洪闸顺水流方向制约;泵站占地大，现状堤距不能满足布置要求;泵站总体装机容量大，建筑工程投资多，管理人员多。

3.3 两站合一建站方案

两站合一方案是两个功能不同的泵站，根据其流量、特征扬程相差不大的实际情况，按照包络线的原理，通过水工结构的合理设置满足排涝和供水要求。

3.3.1 共用进水流道方案

为使水力机械满足两站的参数，机组设计流量为10.8 m3/s.最高扬程为7.5 m，最低扬程为2.1 m。由于共用进水流道，出水流道相对独立，机组需要正向进水、侧向出水，因此机组顺水流方向长度应参考防洪闸顺水流方向长度设计，即机组台数过多，两者相差必然较大，水工结构布置整体效果不美观。据此选择1300ZLB-5.5（- 20）水泵2台，单机功率400 kW。具体布置见图1。

泵站运行调度：当需要泵站排涝时，关闭防洪闸、闸室2、闸阀1，开启闸室1，水泵运行，经水泵、压力涵管排水至唐河;当需要灌溉时，关闭防洪闸、闸室1、闸阀2，开启闸室2，水泵运行，经水泵、压力涵管提水至桐河。

该布置方案的主要优点：共用机组设备，泵站总装机容量减小，水力机械投资相对较小;泵站占地面积小，可全部布置在现状堤距之间：需要自排时，可以利用共用进出水流道排水，减轻防洪闸压力。缺点：正向进水，侧向出水，出水水流条件不好;压力箱涵较长，水头损失相对较大;为满足双向运行，工程调度较为复杂;为满足侧向出水，需要修建较为复杂的出水流道，导致建筑工程投资增大;由于机组顺河道布置，因此进水有先后，后台机组效率将降低，特别是机组装机容量越大，效率降低就越明显;为照顾双向运行，所选机组正常水位时在高效区运行，最高水位、最低水位时机组运行效率相对较低。

3.3.2 共用全部方案

随着科技的发展，国内水泵业制造能力亦在提高，一种双向潜水贯流泵技术可满足该工程排涝和灌溉需要，它是潜水电机技术与贯流泵技术结合而产生的新型机电一体产品，将叶片设计成S形，通过电机的正方向运转满足水泵双向抽水的要求。近几年该方案在苏州青龙桥枢纽等工程中得到了成功应用‘4]。根据该工程排涝与灌溉的需要，选择型号1200QGLNS（ +40）水泵3台，单机功率为435 kW，平面布置见图2。

该布置方案的主要特点：进出水流道共用，正向运行的进水流道是反向运行的出水流道，出水流道是反向进水的进水流道，减少了水工投资;泵站占地较小，现状堤距满足布置需求;机组共享，水力机械投资较小;无论正向还是反向运行，进、出水流道均为正向，水流顺畅，水力性能较好;结构布置紧凑，减少了开挖量和混凝土量，减少了工程占地;机组在正、反方向运行时，均在高效区，节约能量。由于采用了潜水电机，因此对电机密封性能提出了更高要求;增加了控制性能.

4 投资分析

该工程为改善生态环境、提高城市防洪除涝能力的民生工程，属于社会公益性项目，在防洪闸方案确定的基础上，泵站工程的方案对工程投资及建成后的运行费用非常关键，因此仅对泵站工程方案进行经济分析。

4.1 主体工程投资

主体工程投资包括建筑工程费用及设备费用，价格水平年为2018年12月，以水利系统有关定额进行投资计算。工程图纸按照参考资料[5]初步拟定，并对各方案工程量进行详细计算。泵站各方案主体工程投资见表3，可知，方案三主体工程投资最小，比方案一小33%，比方案二小21%。

4.2 年运行费计算

年运行费包括电力消耗费用、工程维修费、管理人员工资等。

对于电力消耗费用，当用水量一定时，消耗的电能是一定的，只是水泵、电机效率不同引起微小不同，因此不同方案电力消耗费用相差不大。

工程维护费用包括泵站正常运行的易损件和水泵轴承润滑油、机组检修排水等费用，根据已建泵站调研，同规模的泵站年工程维修费用约18万元，即按正、反向分别建站时增加年工程维修费用约18万元。

管理人员工资参考《水利工程管理单位定岗标准》，一般泵站所需技术管理人员为10人[6]，该工程无论正、反向供水均采用高压泵，因此需管理人员12人，每人每年全部费用约4.5万元，这样按正向、反向分别建站增加管理人员工资费用54万元。

按正向、反向分别建站工程维护费用、管理人员工资合计增加年费用72万元。

按机电设备报废年限确定泵站的使用年限n最低20 a，社会折现率i取10%，经济净现值计算公式为式中：ENPV为净现值;A为年费用。

计算得到正向、反向分别建站20 a多增加费用折算为净现值为613万元。

由此可以看出，双向泵站不仅主体工程投资最小，而且年運行费用节省较多。

根据上述分析，方案三投资最省，按照选定的泵型设备功率较小[7]，综合工程地形条件、水流流态、运行管理、投资等方面分析最终采用方案三。

5 设计优化及思考

根据选定的方案三设计时，根据水泵安装要求，其水泵层下部为大体积混凝土，为减少工程投资，拟在其边墩、中墩等部位采用抛石混凝土。泵站上下游闸门均为胸墙结构，且与拦污栅共槽，既节约了空间，又减少了预埋件、闸门钢材用量。泵房顶部高程可与防洪闸启闭机层协调一致，除了整体美观外，兼有防洪闸桥头堡作用。

双向泵站是随着电气控制水平的发展而在单向泵站的基础上发展的，适应于排涝提水、提水灌溉或调蓄等综合功能任务的水利工程，具有工程造价低、运行费用小、水流条件好、布置紧凑等特点。基于对桐河控制工程中全生命周期的应用与研究，开展如下应用中的思考。

（1）双向泵站正向泵站和反向泵站的设计扬程应该相差不大，否则会有一个方向的泵站难以满足在设计扬程下处于高效区工作，造成能源浪费。

（2）正向、反向泵站设计流量不尽一致时，可通过选择两种不同的机组组合满足各向流量要求，机组之间可承担相互备用的功能。但机组种类多时易损件等备品较多，不便于运行管理。

（3）工程设计初期阶段可参考文献[5]对主要结构尺寸、安装高程要求等进行控制，详细设计应与设备供货商研究制定，保证满足运行管理和水泵不产生有害的汽蚀。

（4）结合工程实际情况，可分析检修门、拦污栅共用门槽和正、反向门体共用的可行性，以节约金属结构用材和减小结构尺寸。

（5）双向水泵可通过调转进、出水泵体和改变电机转向两种方式操作。调转进、出水泵体对运行管理人员素质要求高，且频繁调转会对其密封性造成损坏，带来渗漏水量增加的风险，因此尽可能采用改变电机转向的方式设计，由此增加的设备投资只多约1.2%。

（6）为满足机组布置要求，其水泵层下部为大体积混凝土结构，为减少工程量和投资，可在其边墩、中墩等部位采用抛石混凝土、自密实混凝土或增设廊道及在满足抗浮的基础上改变整体结构为空箱结构。

（7）按照文献[3]分析整体稳定性时，应保证工程顺水流双向抗滑稳定、渗流稳定，一个方向的消力池底板就是另一个方向的铺盖，应注意满足双向渗径要求和双向抗浮要求，不宜设置排水孔等措施。建议设置防渗帷幕增大竖向渗径长度以满足渗流要求。

（8）双向泵站一般为地下厂房，为管理方便，建议设计远程和现地控制。

（9）由于对电机和密封性能要求较高，因此设备招标时应提出对供应商必要的资质要求，特别是高压泵站，不宜按最低價中标原则招标。

6 结语

根据工程自排、提排、提灌、调蓄等综合利用功能和参数，结合实际，防洪闸选用了直升式双门方案，减小闸门启闭设备和上部水工结构高度，闸门运行较为灵活。经过三个方案的定性与定量分析，采用装置效率达到国内外同类装置最好水平[8]的低扬程、大流量的贯流泵，且为双向贯流泵，结构布置紧凑，减少了水工、水力机械投资，水流顺畅，水力性能较好。机组在正反方向运行时均在高效区，节约了电能。

参考文献：

[1]湖北省水利勘测设计院.大型电力排灌站[M].北京：水利电力出版社.1984：2.

[2]华东水利学院.水工设计手册[M].北京：水利电力出版社.1987：6-7.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，泵站设计规范：GB50265-2010[S].北京：中国计划出版社，2011： 4-7.

[4]韩晔，双向贯流泵站在大浦河支流沟通工程中的应用[J].浙江水利科技，2017（3）：48.

[5]农林水产省构造改善局[日].泵站设计规范[S].刘光临，译.北京：水利电力出版社，1990：51-52.

[6]李西平，李璐，徐俊峰，任坡泵站提水设计方案比选[J].人民黄河，2011，33（7）：147-148.

[7]武汉水利电力学院，机电排灌设计手册[Ml.北京：水利电力出版社.1977：31.

[8]水利部农村水利水土保持司，中国泵站工程[M].北京：水利电力出版社.1993：19.

【责任编辑 张华岩】

收稿日期：2019- 06-19

作者简介：袁榆梁（1981-），男，湖北武汉人，高级工程师，主要从事水利工程规划设计工作