一种管轨一体斜拉式潜水泵设计及其应用

陈绪勋，吴 瑕， 张建涛，潘少斌，黄 成

(1. 湖北省水利水电科学研究院，武汉430070；2. 湖北省节水研究中心，武汉 430070； 3.湖北拓宇科技有限公司，湖北 荆州 434300)

1 概 述

对于水源为河流的小型提水泵站，因河流的水位变幅较大，一般采取移动式泵站，其装置主要分为定点作业式和流动作业式，其中定点作业式泵站又可分为浮船式(含浮箱式)、缆车式、潜水吊装式[1]，在农田灌溉、生活供水、应急抗旱等多方面均有广泛应用。

浮船式移动泵站[2,3]主要由泵船、水上水泵机组、出水管、两侧斜拉梁、旋转管接头等设备组成，主要适用水源水位变幅大(大于10 m)、水位涨落速度慢(小于2 m/h)、河岸较陡停泊条件良好的河道[4]。其优点在于运行可靠，不易淤塞，性能优越；主要缺点在于投资造价较高，施工难度大，施工工期长，设备安装、维护困难。

缆车式移动泵站[5,6]主要由轨道、出水管道、泵车、水上水泵机组和多个耦合口组成，工作过程为水泵机组安装在一个移动泵车上，根据水位的高低移动泵车，并通过出水管道上的多个出水口与接口连接。主要适用水源水位变幅大(大于10 m)、水位涨落速度慢(小于2 m/h)、河岸倾角较小(小于30°)的河道[4]。其优点是水泵综合性能相对潜水泵站而言较强；缺点在于建筑工程造价较高，施工安装过程复杂，耦合口容易淤塞，运行管理不方便。

潜水吊装式移动泵站[7,8]主要由轨道、出水管道、耦合口、潜水泵机组组成，潜水泵安装形式主要分为井筒式安装、悬吊式安装、斜拉式安装、固定式安装、自由移动式安装[9]。其优点在于结构简单、体积小、适用性广、安装形式多样化、使用方便，可大幅节省工程投资等[9]；主要缺点为运行时耦合口易漏水，淤塞严重，处理困难。

2 常规设计方案

以某外江灌溉站为例进行方案设计，该泵站为小型农田水利重点县项目的建设内容之一，位于松东河右岸堤防上，设计流量550 m3/h，设计扬程为14.4 m，水位变幅为10 m。根据地形及水位变幅情况，拟选用一台250QW600-15-45型潜水泵，其额定流量为600 m3/h，额定扬程为15 m，出水管管径350 mm，功率45 kW。

采用潜水吊装式、浮船式(含浮箱式)、缆车式移动式泵站三种结构类型，结合本工程实际，形成以下4种设计方案。

方案1：垂直式安装(配备栈桥)。设置混凝土基座，在基座安装潜水泵固定滑杆、出水管耦合底座，为方便潜水泵起吊、安装及维修，设置交通栈桥及泵房，如图1所示。水泵通过电动葫芦可以沿铅直的导轨上下自由移动，水泵放下时，通过水泵自重产生的力矩，耦合装置自动与耦合底座相耦合；当水泵提升时，水泵与耦合底座自动脱开。该方案的优点是潜水泵吊装及维修比较方便；缺点是建筑工程投资较大，施工期需要围堰，运行一段时间需要对泵站基座进行清淤。

图1 设计方案1Fig.1 Scheme 1

方案2：垂直式安装(不配备栈桥)。设置混凝土基座，在基座安装潜水泵固定滑杆、出水管耦合底座，相对于方案1，取消了交通栈桥，如图2所示。该方案的优点是建筑工程投资相对较小；缺点是潜水泵维修及吊装比较麻烦，不利于后期运行管理，施工期需要围堰，运行一段时间需要对泵站基座进行清淤。

图2 设计方案2Fig.2 Scheme 2

方案3：斜拉式安装。设置混凝土基座，在基座安装潜水泵固定滑杆、出水管耦合底座，并配备小型卷扬机，如图3所示。该方案的优点是建筑工程投资相对较小，方便潜水泵吊装及维修；缺点是斜拉式安装以及混凝土基座与金属滑杆产生的相对位移可能导致耦合口密封性不佳，运行一段时间需要对泵站基座进行清淤，施工期需要围堰。

图3 设计方案3Fig.3 Scheme 3

方案4：浮箱式安装。考虑到本工程规模较小，浮船式泵站投资较大，故采用浮箱式潜水泵形式，将潜水泵固定在浮筒下，并配备船锚、钢丝绳、软连接(出水管)，如图4所示。该方案的优点是建筑工程投资少，不存在淤积问题，无需施工围堰；缺点是运行管理麻烦，需要根据水位频繁调整水管接头。

图4 设计方案4Fig.4 Scheme 4

3 一种新的方案设计

以上4个方案中，存在以下问题：投资过高(方案1)、施工期需要打围堰(方案1～3)、后期管理不方便(方案2、4)、潜水泵易淤积(方案1～3)等问题。相对而言方案3为四个方案中相对较好的方案，但也有以下缺点：潜水泵基座不均匀沉降可能导致耦合口密封不严，施工期需要围堰，潜水泵耦合口易淤积，清淤困难。

因此，为了解决以上问题，现设计了一种管轨一体斜拉式潜水泵，即方案5。

方案5：管轨一体斜拉式安装。该方案主要由潜水泵及泵车、出水钢管(带轨道)、卷扬机房组成，如图5所示。该方案相对方案3主要做了以下改进：首先，将潜水泵轨道与出水钢管焊接在一起，潜水泵配备一个泵车，相对于潜水泵斜拉式安装(方案3)，不会出现因潜水泵混凝土基座不均匀沉降导致耦合口密封性差的情况；相对于缆车式移动泵站，取消了钢轨、枕梁等，节约了工程投资。其次，枯水期施工时，可将管道(带轨道)触水端悬空伸入水中4～6 m，则无需围堰施工，其主要的建筑工程为管道镇墩、砼踏步、泵房等，施工工期短，工程投资少。最后，可采用水泵与耦合口错位运行的方式，使得水流从泵车与管道间隙中冲出，起到清淤的作用。

图5 设计方案5Fig.5 Scheme 5

将5种设计方案的投资造价及相关优缺点列入表中，如表1所示。从建筑工程投资来看，方案4和方案5较少，除了泵房外，主要是管道镇墩及踏步，其余3种方案均需要混凝土基座；机电设备投资五种方案基本一致；从金属结构投资来看，方案1、方案2和方案3投资较少，方案4的浮筒(船)、船锚、出水钢管等投资较大，方案5的泵车、耦合口、出水钢管投资较大；从临时工程投资来看，因为取水水位较低，方案1、方案2和方案3枯水期施工时需要围堰，方案4施工无需围堰，方案5施工时，管道通过镇墩固定，出水管触水的一端可以悬伸4～6 m，也无需采用围堰施工；从总投资来看，方案4和方案5总投资较少。

表1 泵站设计方案比选Tab.1 Comparison and Selection of Pumping Station Schemes

从施工工期来看，方案4和方案5建筑工程投资较低且无需围堰施工，施工工期较短。从运行管理来看，方案2和方案4，没有固定卷扬机等设备，不利于运行管理及维修；方案1、方案3和方案5有卷扬机和泵车或者滑杆，其运行管理检修相对方便。从淤积问题来看，方案1、方案2和方案3运行时间久后，易产生泥沙淤积堵塞耦合口等问题，清淤较为不便；方案4不存在淤积问题；方案5容易产生泥沙淤积问题，但可以通过潜水泵与耦合口错位运行的方式，起到清淤效果。

经过以上分析，方案5总投资少，施工工期短，运行管理方便，且可以解决泥沙淤积问题，为最优方案。该外江灌溉站采用管轨一体斜拉式潜水泵方案，于2015年建成使用，经过4年的运行检验，泵站运行情况良好，得到了用水单位的好评。

4 新方案结构及应用情况介绍

管轨一体斜拉式潜水泵，主要由出水钢管(兼轨道)、水泵及泵车、卷扬机等组成[10]。如图6示，出水钢管两侧焊接泵车轨道(工字钢)，管道底部设置有金属挡块，其作用是固定泵车位置，管道底部设置磁性复位板，当泵车下滑至底部时，磁性复位板被泵车抵开，耦合口与水泵出水口相耦合，形成水流通道；当泵车被拉起时，磁性复位板恢复原位，并将出水钢管进水口挡住，防止泥沙进入出水管；泵车主体结构为弧形，与出水钢管贴合，泵车设置有泵车滑轮、清淤提升装置，泵车与潜水泵采用法兰盘连接，并且装有弧形蝶式无接触密封装置[10]。实行清淤工况时，将泵车向上提起，泵车在清淤提升装置作用下向上抬起，离开出水管道表面约20～40 mm，磁性复位板复位，此时水泵的水不能再从出水钢管中压出，只能从泵车与出水钢管中的间隙喷出，定向冲刷出水钢管及泵车轨道表面及附近的泥沙；通过钢丝绳带动泵车在轨道上下移动即可将出水钢管及泵车轨道表面及附近的泥沙冲刷干净。

据调查，目前该类型泵站最大的一处为从长江取水，单机流量1 000 m3/h，扬程28 m，单机功率132 kW。近年来，管轨一体斜拉式潜水泵在外江取水工程中逐步得到运用，取得了良好的社会和经济效益。

图6 管轨一体斜拉式潜水泵设计图[10]Fig.6 Design drawing of the pipeline-rail integrated cable-stayed submersible pump[10]

5 结 语

根据目前小型外江取水泵站存在的问题，提出了管轨一体斜拉式潜水泵设计方案，其具有以下优点：①工程投资少，主要建筑工程为管道镇墩、管道沿线坡面护砌(踏步)及泵房等；②施工周期短，泵车机组管、轨一体化，可在工厂预先制作完成，缩短了设备安装时间，出水钢管安装时可直接延伸至最低运行水位以下，一般无需围堰施工；③解决了潜水泵淤积问题，可采用潜水泵与耦合口错位运行的方式，进行自动清淤；④工程安装、维修及运行比较方便。

管轨一体斜拉式潜水泵已成功应用于工程实践，取得了良好效果，具有广泛的市场应用前景。

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