杨庄水库提水泵站取水方式及水泵选型设计

赵晓栋

(山西万水水利勘测设计咨询有限公司，山西 太原 030024)

取水泵闸是水库工程的重要组成部分，对于扬程低、扬程相对变动幅度大、流量大的泵站，国内可以参考借鉴的工程经验较少。水泵选型既影响取水泵站运行过程的安全稳定，又因不同水泵效率相差较大而对泵站运行维护费用有较大影响。为此，必须充分结合取水泵站实际，采取安全稳定为主，兼顾运行效率和运行维护费用的选型原则，保证提水泵站经济效益和社会效益的顺利发挥。

1 工程概况

杨庄水库于1979 年4 月建成蓄水，水库总库容21.63×104m3，是一座主要承担防洪任务以及灌溉功能的小(二)型水库，该水库大坝上游控制流域面积9.5 km2，发源于任村实堰沟，主河道6 km 长。现状为20 年一遇洪水设计，100 年一遇洪水校核标准。杨庄水库受益灌区总灌溉面积1250 hm2，灌区共分为两大片区:一是酥梨基地提水灌溉工程片区;二是渠道改造工程片区。河床高程806 m～808 m，提水泵站所在地面高程805 m～807 m，采用一级提水灌溉方式，该泵站控制灌溉面积设计灌溉定额35 m3/hm2，当前所对应的灌溉水利用系数为0.855，灌溉时间24 h/d，灌水延续时间16 d/次，提水泵站的总流量设计值为0.56 m3/s。

泵站所在地层上部主要为3.6 m～4.2 m 厚的人工堆积堆渣，而下部地层主要为第四系全新统洪冲积(Q4pal)低液限粉土、卵石混合土层，该地层中低液限粉土层厚度为1.9 m～3.3 m;而卵石夹杂的混合地层结构较为松散，不具备较好的分选性，局部还夹杂有低级配砂透镜体，粒径最大值为15 cm，卵砾石中主要为砂岩和灰岩，并表现为次棱角、次圆状，卵石混合土层勘探深度内未见底。

2 主提水泵站指标

2.1 出水管水头损失

该提水泵站进水池和出水池水位分别为806.70 m 和891.35 m，出水管水头损失采取分段计算方式，结果具体见表1，考虑水泵自身水头损失3 m 后管道沿程总水头损失18.18 m，则得泵站设计扬程为105.66 m，考虑到不可见因素，设计扬程按109.00 m 计。

表1 出水管水头损失结果

2.2 管道水力计算

确定提水泵站采用4 台离心泵，单台水泵设计流量为0.153 m3/s(550 m3/h)，设计扬程109 m。主管道沿闫灿河布置，沿线设置7 处分水口，各分水口高程沿管道水流方向呈递增关系，考虑到离提水泵站较近位置的分水口可利用管道内压力水流的富余水头，所以经过水力计算，本管道由北向南前四个分水口设置分水阀，利用该位置富余水头压送水至高位水池，不再建二级泵站，后三个分水口由于富余水头不足，则需新建二级泵站，加压后输水至高位水池。管道水力计算见表2。

表2 主管道水力计算

3 泵站取水方式

该提水泵根据设计主要从杨庄水库取水，当库水位面临较大幅度变化时，可以借鉴类似取水工程，在以下取水方式中进行选择:①浮船式取水方式，即将多级卧式离心泵安装在浮船上实施一级提水，此种取水方式下，所使用泵站数量少，运维管理简便;②岸坡式取水，即通过深井泵平硐+深井的方式达到取水目的，考虑到该提水泵站设计扬程，故在该设计下必须分两级取水;③坝后固定式取水，即主要借助多级卧式离心泵实现一级提水;④圆筒式深井泵两级取水。

3.1 浮船式取水

因杨庄水库库水位变幅均值为26.85 m，以上所提到的取水方式中，浮船取水适用于河床稳定且10 m～60 m 河流水位变动幅度的情形，故应首选，并且当联络管接头为摇臂式设计时，岸坡角度应控制在45°。考虑到随着河水涨落浮船会自动实现上下移动取水，并且所取水为表层水，所以取水质量高，含砂量少。此种取水方式下，吸水泵室较浅，所配备的清污设备也较为简单，这种浮船式取水方式下不用修建固定式取水构筑物，并且投资也比固定式取水方式更为节省。

但是这种浮船式取水在洪水期内受水流陡涨陡落的影响较大，其输水管接头拆换也较为频繁，还必须加强钢结构防锈防腐处理，运行管理成本较高。

为保证这种取水方式下泵船的安全及取水性能，必须加强泵船稳定性、抗沉性、锚泊定位及对水库暴涨暴落适应能力[1]等的控制。(1)取水泵船的稳定性与船舶自身重心及风力直接相关，该提水泵站所用泵船有较大宽深比，且重心低，稳定性较好;(2)取水泵船因受到较大风力以及水流冲刷力的影响后如果其自身锚泊系统缺乏稳定性和可靠性，也会造成移动，杨庄水库提水泵站泵船应当采取地锚型式设计，通过抛锚以将泵船固定于水库中;(3)如遇水库水位陡涨陡落，输水管便以泵船上所安装的万向摇臂接头为中心自动转动，以达到适应水位变化的目的;(4)因水体自身的缓冲作用，取水泵船所具备的抵御地震、滑坡等地质灾害的能力也比岸上各类船舶等构筑物更加优良。

3.2 岸坡式取水

杨庄水库取水泵站扬程设计较高，为此必须实施两级取水泵站设计，其中一级按照岸边深井泵房形式设计，即先在水库岸边打设直径5.3 m、深30 m竖井，并通过开挖直径2.0 m、长40 m 水平隧洞与水库实现穿连，达到引水入竖井的工程目的;二级泵站则主要按照水池取水形式设计，借助提水管线实现与一级泵站的连接。这种设计模式的运行成本比浮船式取水方式高出850 万元。

3.3 坝后固定式取水

此种取水泵站为岸坡式设计，取水管和大坝导流洞相连，坝后预留的长度2400 m 的提水钢管穿越河道，且在这种取水方式下，大坝枢纽设置较为复杂，投资额也比浮船式取水方案高出785 万元，且提水管线运行缺乏可靠性;取水泵站与坝轴线、溢洪道进口等构筑物的直线距离均太近，提水泵站将遭溢洪道泄洪等的干扰较大。

3.4 圆筒式深井泵取水

这种取水方式必须在水库内新建设计直径16 m、设计厚度2.0 m、高度35 m 的圆筒形深井泵房，以便进行水泵机组等的安装，库底水主要借助压力钢管引入高水池内。该取水方式下枢纽设置复杂，总建设成本也比浮船式取水方案高。

综合以上对不同取水方式的比较，浮船式取水方式投资最为节省，并且为一级提水，泵站运行过程中维护费用也更低，为此，杨庄水库提水泵站最终选择浮船式取水方案。

4 水泵选型

结合泵站设计特征参数以及取水条件，借鉴国内类似规模泵站的运行经验，水泵应当采用定型泵型，具体而言，主提水泵站主要采用单级双吸卧式离心泵;而各沿线二次加压泵站和元台沟提水站、梁村西提水站和梁村东提水站则均采用立式下吸式潜水电泵。因杨庄水库库水抽送介质中含有一定量泥沙，此外，单泵运行时轴功率会加大。为此，在电动机选配过程中必须适当增大备用系数[2]。

针对杨庄水库所存在的年内提水流量、扬程和水位变幅均较大的客观情况，所选择的水泵扬程均值必须能保证其在265 m 工况下运行的稳定性和效率性，以使单位能耗达到最小水平。在确定工况点计算时，借助图解法以及水泵特性曲线、泵站管路特性曲线的交点从而进行工作点流量、扬程、效率及轴功率等参数[3]确定。

杨庄水库提水泵站初选水泵性能参数及配套电机基本参数见表3 和表4。

表3 主提水泵站水泵及配套电动机表

表4 各加压泵站水泵及配套电动机表

5 结论

通过本文分析表明，对于涨落速度不超过2.0 m/h，库水位变幅在10 m～60 m 范围内且河床稳定的情况下，应当优先选用浮船式泵站取水方式，既能优化工程布置，节省投资及运行维护费用，又能缩短工期，使提水泵站工程的经济效益和社会效益及早发挥，对于扬程较高的情况还能实施一级提水，提升水泵运行效率，降低能耗。在考虑杨庄水库提水泵站设计扬程的情况下采用了浮船式一级提水，因与长轴深井泵相比，多级卧式离心泵在各扬程工况下的效率均较高，故该提水泵站运行后可节省电量47 万kW·h/a，按照工程所在地工业用电收费水平，年节省电费额约29.4 万元，经济效益和社会效益十分显著。