“五小水利”工程泵站设计

□程新景

（夏邑县水利局）

1 泵房设计

某县“五小水利”工程共设计新建砖混结构泵房2座，其余均采用现有泵房。泵房设计为砖混结构，便于水泵控制，后期运行好操作，设计泵房1 间，面积18.00 m2，布置在水源岸坡阶地上，泵房净宽4.00 m，长4.00 m。泵房内放置启动柜、配电柜等一些电器设备。

泵房稳定计算主要包括抗滑稳定及基底应力计算。

泵房基础坐落在土基上，泵房沿基础底面的抗滑稳定安全系数应按下式计算：

式（1）中：Kc—抗滑稳定安全系数；∑H—作用于泵房基础底面以上的全部竖向荷载（KN）；∑H—作用于泵房基础底面以上的全部水平向荷载（kN）；A—泵房基础底面积（m2），取20.50 m2；θ0—土基上泵房基础底面与地基之间摩擦角（°），取23°；C0—土基上泵房基础底面与地基之间的粘结力（kPa），取6.20kPa。

泵房为地上式，高于地下水位，作用于泵房的竖向荷载主要为泵房自重，经计算作用于泵房的竖向荷载为94.60kN；作用于泵房的水平荷载只有风压力，经计算风压力为2.30kN；经计算抗滑稳定系数为65.20，远＞1.20，故不存在抗滑稳定问题。

作用于泵房基础地面以上的水平荷载较小，不存在抗滑稳定问题，只考虑基底应力。

泵房基础坐落在新生界第四系全新统重粉质壤土，经压实后地基承载力在120～200 kPa，远大于泵房平均基底应力，基底承载力完全满足要求。

2 浮船泵站方案比选

2.1 方案一：浮船式泵站

浮船式泵站指水泵装置及其辅助设备安放在固定取水点的船上，可随水源水位变化而浮动的泵站，也称泵船。浮船式泵站投资小、风险小、建成快、易于施工（无水下施工，不需修筑围堰）、运行成本低等特点。利用浮船的机动、灵活、适用性强的特点，立足主流，抽水输水，取水有保证，尤其是在抗旱用水高峰期，能最大限度的挖掘可用水资源，达到抗旱的目的。

浮船式泵站设计内容包括浮船、联络管、阀门井、管理房、变压器及水泵等。

2.2 方案二：缆车式泵站

缆车式泵站的水泵机组安装在岸边轨道上的车子内，随着河水位的涨落，通过卷扬机绞动钢丝绳牵引设有水泵机组的泵车，使其沿着斜坡上的轨道上下移动。缆车式泵站最大的优点是不受水流的冲击和风浪波动的影响，稳定性较好。但因岸坡易淤积而妨碍泵车上下移动，影响正常取水，水下工程量和基建投资较浮船式大，且取岸边表层水，水质较差。由于泵车坡度位置固定，在水文情况（水位）变化较大的情况下没有浮船取水机动灵活。

缆车式泵站设计内容包括泵房、坡道、卷扬机房、卷扬机、缆绳、阀门井、管理房、变压器及水泵等。缆车式泵站轨道施工前需在水中做围堰，围堰修筑完毕需将围堰内的水抽干，提供施工场地；坡道施工完毕，泵房及相关电气设备安装到位后，对围堰进行拆除。

3 浮船泵站设计

3.1 浮船设计

经与厂家沟通，设计浮船甲板长8.00 m，宽6.50 m，船舱深1.50 m，船舱底板长6.00 m，宽4.50 m，整体浮船由槽钢、角铁及钢板焊接而成;船尾为水泵安装室，内置2台250QJ63-112/4卧式潜水电泵，2个DN150 mm伸缩蝶阀及2个DN150 mm缓闭逆止阀。

3.2 浮船与岸坡联系设计

考虑到运行管理及库区水位变化情况，设计浮船为离岸式安放，船体仅安放提水电泵，电气控制设备及泵房均位于右岸岸坡校核洪水位以上，船体与岸坡联系设计采用联络浮管，供电线路及提水管道安放固定于浮管内；由于水泵检修频率低，水泵、船体的维修养护采用人员划船至浮船维护。

联络管采用DN200 钢丝橡胶软管，压力等级2.50 Mpa，长90 m，单根长10 m，法兰连接；塑料浮体为两半圆柱体扣接结构，单个浮体直径为110 m，长110 cm，布置40 个；联络管两端连接两个DN200 mm球型万向接头。DN219 mm提水管道上布置一个设备检修井，井内安装缓闭逆止阀、水表、压力表、放空管和伸缩蝶阀。

3.3 船体防腐设计

为延长金属结构的使用寿命，船体防腐要求：按Sa2 级除锈，除锈后喷涂环氧富锌防锈底漆（80 μm），环氧云铁防锈漆（200 μm）和环氧富面漆（200 μm）。

3.4 浮船锚固设计

为保障浮船安全稳定运行，设计锚固系统，包括船锚、缆绳、固定桩等。船体分平面锚固与竖向锚固相配合，其中平面锚固采用两根钢丝缆绳分别锚固船体及岸坡固定桩，固定桩采用C25 混凝土结构，长×宽×高=0.50 m×0.50 m×1.20 m；竖向锚固采用船锚沉入库底固定。

3.5 电气连接设计

浮船内仅安放两台卧式潜水电泵，设计采用泵用防水电缆自岸上泵站管理房引出，经浮于水面的联络管接入船体水泵供电，防水电缆设计套管保护，以免破坏。

4 浮船泵站提水管镇墩稳定性计算

某县“五小水利”工程浮船泵站提水管镇墩根据地形，水压大小及转弯角度等因素在不同位置布置不同尺寸的镇墩。在地埋管道的平面转弯处、竖向转弯处，以及平面竖向同时转弯处均设置C25 混凝土镇墩。为了适应钢管的热胀冷缩，当平直段管道长度大于150.00 m 时，每隔150.00 m 设一个镇墩。

镇墩的尺寸根据结构计算确定，包括抗滑与抗倾覆稳定性校核、地基承载能力验算。

镇墩抗滑稳定计算公式为：

式（2）中：Ks—抗滑稳定安全系数；f—镇墩与地基之间的摩擦系数；Σy、Σx—分别为轴向力总和在y、x 轴上的分力；G—镇墩自重；E—侧向土压力。

镇墩地基承载力验算公式为：

式（3）、（4）中：σ最大、σ最小—分别为地基最大、最小应力，要求小于容许承载力；Σy—轴向力总和在y 轴上的分力；G—镇墩自重；B、L—分别为镇墩底面的宽度及长度；ΣM—总力矩。

当镇墩处于斜坡段或河沟岸边时，还应当验算它的抗倾覆能力，计算公式为：

式（5）中：K0—抗倾覆稳定安全系数；［K0］—允许的抗倾覆稳定安全系数；y0—作用在镇墩上的垂直合力的作用点距倾覆原点的距离；х0—作用在镇墩上的水平合力的作用点距倾覆原点的距离。

最终确定桂花塬一级泵站及二级泵站水源处镇墩尺寸为3.80 m×3.80 m×2.91 m，其余镇墩尺寸为0.90 m×0.90 m×0.90 m（长×宽×高）。

为了提高地基承载能力和抗倾覆能力，镇墩基础开挖后，需要对其下方的素土夯实。

5 提水管设计

5.1 管材选择

泵站提水管较长，提水管管线扬程高，管道承受的压力大，沿线地形条件复杂，多为陡坎，施工、检修难度均较大，因此输水管道管材选用钢管。

5.2 管径确定

提水管道全部为泵站压力出水管，根据《水力计算手册》，管道经济管径计算公式为：

式（6）中：Ve—管道经济流速，管径＜250.00 mm 时，Ve=1.50～2.00 m/s，取1.50 m/s；Q—引水流量，m3/s。

6 水泵选型

水泵从水源地向高位水池抽送清水，设计扬程应满足高位水池的最高设计水位。水泵为高位水池抽送清水，总扬程应满足高位水池最高设计水位。

式（7）、（8）中：H0—水泵总扬程；H1—水泵安装高程与高位蓄水池进水口高差，m；H2—提水管的沿程水头损失，m；H3—提水管的局部水头损失，m；H4—提水管的富余水头，m。

沿程水头损失采用《灌溉与排水工程设计规范》公式计算：

沿程水头损失采用以下公式计算：

式（9）中：H沿—管道沿程水头损失，m；L—计算管道长度，m；D—管道内径，m；v—管道水流流速，m/s。

7 水锤计算分析

当水泵突然停止运转时，泵内压力消失，高压水流就会反向流回水泵，产生大幅度波动的现象。水锤压强对管道安全影响很大，经对工程运行工况分析，最不利的工况发生在水泵停机时，可进行水锤分析计算，并对提水管路采取水锤综合防护，确定合理的运行方式和合适的阀门关闭时间。水锤压强按下式计算。

7.1 水锤类型判别：

7.2 水锤计算

以霍村小泵站工程为例，假定末端阀门在8.50 s内按两端直线关闭规律由全开至完全关闭，0～5.28 s 时，阀门开度：

式中字母含义同上。

第一相末管道末端相对水击压强增值的计算公式为：

第二相末管道末端相对水击压强增值的计算公式为：

第n相末管道末端相对水击压强增值的计算公式为：

式中字母含义同上。

通过对阀门关闭规律的计算，当缓闭止回阀关闭时间不小于假定关闭时间时，可以满足各管段压力控制要求。另外缓闭止回阀最好为2阶段关闭，第一阶段在较短时间内阀瓣关到小开度，然后缓闭其余开度。

7.3 水锤防护措施

泵站发生突然断电时，水泵出口压力均超过允许值，而且水泵到转速也超过了额定值。因此，为了防止系统突然断电时，机组倒转对机组部件造成破坏，泵站在水泵的出水管上安装缓闭逆止阀，作为水泵事故水锤防护阀。缓闭逆止阀的规格，根据水泵出水管口径及工作压力确定。

8 提水管道防腐设计

泵站供电负荷等级定为三级负荷，泵站采用单电源供电，电源电压均为10 kV，采用架空线路架设至泵房附近箱式变压器，降压后，用电缆引下直埋入泵房内，再由泵房控制柜引出低压电缆地埋输电至集水池内潜水泵，泵房内设水泵启动柜、配电柜等设备。①变压器容量确定，变压器容量依据用电设备的视在功率选择。②电机的启动，泵站均采用变频器启动。③根据泵站电力接入系统的方式、泵站的规模和功能，以及泵站的运行方式，综合考虑，确定主接线方案：10 kV侧采用移开式高压开关柜，装设FZN18-12/T125-20 真空断路器，10 kV 进线侧设进线开关柜，电压测量设电压互感器柜，变压器的高压侧设开关柜。④降压变压器：箱式变压器采用欧式造型终端性，内部为箱式变压器，高低压负荷开关等。⑤10 kV配电装置：10 kV终端杆设置高压跌落保险，避雷器等设备，计量装置、仪表需电业部门配置。⑥泵站配电装置的防雷保护均应按有关规程规范的要求进行配置，以保证在各种运行方式下雷电波均不能危及电气设备的安全。⑦根据泵站实际情况，除充分利用泵站内各建筑物的自然接地体，如建筑物基础钢筋、水泵进出水钢管等，必要时可另设一些人工接地体，将水工建筑物的自然接地体与设备的基础及外壳等进行等电位连接，形成一个总的立体接地网络。

9 结语

工程建成后，新增有效灌溉面积730 hm2，其中新增灌溉面积266.67 hm2，改善灌溉面积463.33hm2；新增高效节水灌溉面积730 hm2；年新增供水能力32.63 万m3，新增节水能力157.03万m3；年新增粮食生产能力8.00 万kg，年新增经济作物产值576.61 万元；灌溉用水有效利用系数提高到0.86；项目区受益人口1.21万人，受益农民年人均增收190.62元；国民经济评价内部收益率9.16%，经济净现值163.00万元，效益费用比1.12。

工程实施后，不仅有良好的灌溉增产效益，而且可改善局部小气候，优化环境，改善人民生活环境条件，对灵宝市农村经济发展和农业产业结构调整有很大促进作用。