南水北调渠道抽排泵站运行工况研究

郑晓阳，张建伟

（1.南水北调中线干线工程建设管理局河南分局，河南 郑州 450018；2.中国南水北调集团江汉水网建设开发有限公司，湖北 武汉 430040）

1 工程概况

南水北调中线宝丰段工程高地下水位段全长9.60 km，共布置8 个抽排泵站，泵站型式采用井筒式，井筒用导水钢管与软式透水管连接，以将软式透水管内汇集的地下水通过导水钢管输送至井筒内。导水钢管采用φ600 mm的防腐钢管，软式透水管φ250 mm。井筒材料为C20 钢筋混凝土，内径6.20 m。渠坡纵向集水暗管采用φ250 mm强渗软式透水管，渠底沿中心线设三排纵向集水暗管，每隔12 m 设一个逆止式排水器，间隔12 m 设一道横向连通管；横向连通管同样采用强渗软式透水管，内径同纵向集水暗管，横向连通管绕过齿墙铺设；逆止式排水器出水口下缘距离渠底100 mm。

2 研究背景

渠道巡检人员巡检过程中发现该渠段渠道内水面以下存在一处逆止阀缺少保护盖，上部水面有小漩涡并伴随“吱吱”响声，随后为核实宝丰段辖区逆止阀的损坏是个例还是普遍现象，逆止阀的损坏部位是否还存在其他运行隐患，管理机构对关联部位逆止阀、渠道建筑物、泵站、排水设施、安全监测设施进行了全面排查与梳理。期间研究人员通过排查、现场试验、数据分析及比对等方式开展研究，随着研究的不断深入，从中发现了抽排泵站在不同工况下运行参数及各种设施之间的相互关联。

3 抽排泵站运行工况研究与探讨

3.1 失效逆止阀对抽排泵站的影响分析

3.1.1 失效逆止阀封堵测试

为研究分析失效逆止阀与抽排泵站之间的联系，研究人员根据大气压原理及连通管原理，结合抽排泵站井内水位与逆止阀部位水位差对逆止阀进行封堵。通过对失效逆止阀封堵前后抽排泵站与渠道水位差值与现场试验对比发现，当渠道水位与抽排泵站井内水位差2.20 m 时，经计算负压约323.40 N，此时现场试验封堵的垫板无法取下；当渠道水位与抽排泵站井内水位差0.30 m 时经计算负压约44.10 N，此时现场试验封堵的垫板较容易取下。具体计算过程如下（1）～（3）。

式（1）（2）（3）中：S 为断面面积，m2；π为圆周率；r 截面半径，0.07 m；ρ为水的密度，1.00×103kg/m3；g为重力加速度，9.80 N/kg；h1、h2分别为两种渠道水位与抽排泵站井内的水位差，2.20 m、0.30 m；F1、F2分别为不同水位差下的水压力，N。

3.1.2 水流方向试验

在失效逆止阀孔口处投放约1 kg高锰酸钾试验，高锰酸钾立即随着周边水体直接被“吸”入逆止阀（逆止阀外部无扩散）约50 min后，相邻约100 m的抽排泵站检修水泵排水口排水体轻微发红。

3.1.3 初步试验结论

通过以上2个试验，可以看出渠道沿线逆止阀与相邻抽排泵站间存在关联，在逆止阀失效的状态下渠道水体可通过失效逆止阀进入排水设施，后经抽排泵站工作水泵再次进入渠道。结合总干渠工程设施布置情况，如地下排水设施发生损坏，损坏部位的反滤体（土体）可能随着水体被带入抽排泵站：一方面使损坏的排水设施周边产生塌陷，另一方面使抽排泵站产生淤积而影响渠道运行安全；同时由于失效逆止阀部位水体被大量抽排至抽排泵站，使得抽排泵站工作泵工作时长显著增加，不仅影响抽排泵站抽排效果，而且也会因频繁抽排导致抽排泵站抽排设施使用寿命的降低。

3.2 泵站抽排过程对水位的影响分析

抽排泵站设计运行工况下，井内水位超过渠道运行水位+0.05 m 时工作水泵会自动抽排水，井内水位降至渠道水位以下4.50 m 时水泵自动停止运行。宝丰段4#泵站常年持续工作，其水位差基本保持在约4 m，来水量与排水量基本平衡。为了解抽排过程对泵站水位的影响，选取4#泵站为研究对象进行试验，选取功率更大的检修泵作为试验用泵，试验前先停泵确保井内水位上升，在井内水位与渠道水位差0.32 m时开始试验。试验开始后检修水泵历时1.38 h，迅速将井内水位与渠道水位差从0.32 m 增加到2.88 m，井内水位下降2.56 m；随即检修泵停止作业，停泵后5 min水位差变幅最快达40 cm，平均水位差2.68 m；停泵36 min 内为地下水位快速上升期，直至水位差约1 m；停泵36 min至7 h为地下水位较缓慢上升期，此时水位差变化约50 cm。

从以上试验及前期运行情况分析得知：水位差越大，单位时间内来水量越大；水泵停泵后水位差小于1 m，渠道内来水将逐步转缓。反之，水位差如能控制在1 m 以内，理论抽排效果最为明显，存在修改停泵值提高抽排效果的可能。

为了进一步了解工作泵停泵值对水泵工作情况的影响，选取辖区8个抽排泵站进行试验，试验将原停泵值由井内水位降至渠道水位以下4.50 m时水泵自动停止调整为井内水位降至渠道水位以下1 m 时水泵自动停止。运行调整前后抽排情况作了对比，各泵站工作水泵运行时长从原来的日均累计62.40 h 减少到日均累计28.31 h，运行时长较调整前降低了54.61%。各泵站工作水泵具体运行情况见表1。

表1 抽排泵站停泵值调整前后运行时长对比表

通过抽排泵站停泵值调整前后运行时长对比可以看出合理设置抽排泵站水泵启停条件，可有效减少水泵的运行时间从而提高设备的使用寿命，降低运行成本，同时可减少抽排泵站抽排时的水位差，防止过度抽排地下水，避免或降低因抽排泵站工作对渠道实体造成危害。

3.3 安全监测数据与抽排泵站地下水位的分析研究

3.3.1 相邻泵站工作情况及工作泵停泵值对安全监测数据的影响

抽排泵站降低的井内水位是否代表了地下水位，为此选取了K265+555.60安全监测断面，该断面布设渗压计7支，距上游4#抽排泵站536.12 m，距下游5#抽排泵站300.99 m。通过抽排泵站工作水泵停止值调整前后及相邻抽排泵站水泵抽排安全监测渗压计数据比对，发现该断面渗压计所反映渠道水位的变化与泵站停止值相关联，同时相邻泵站水泵工作或停止时对应安全监测数据就会产生明显波动。

3.3.2 汛期降雨对不同渠段安全监测数据的影响

为了解降雨及抽排泵站对安全监测数据的影响，选取2021年7月11日至30日辖区涵盖本年度最大降雨的安全监测数据作为研究对象，通过数据分析比对，在抽排泵站未涵盖区域地下水位受降雨尤其是强降雨影响变化明显；在抽排泵站涵盖区域虽同样受降雨影响，但由于抽排泵站抽排井对地下水的抽排，地下水位平稳，无较大波动。

通过安全监测观测，渗压计过程水位线可准确表示相邻抽排泵站的工作情况及对地下水位的控制情况。在抽排泵站的日常管理中应结合安全监测数据合理调整抽排泵站工作情况，如非汛期地下水位总体较低，为防止过度抽排地下水及延长设备设施寿命，可将停泵值适当减少；汛期地下水位总体较高，为防止强降雨造成地下水位骤升可将停泵值适当增加；特殊工况如紧急退水，可利用检修泵提前降低地下水位等。

4 结语

文章通过对抽排泵站运行工况的研究与探讨，总结抽排泵站运行管理经验与存在不足，确保南水北调工程的安全平稳运行，为后期南水北调工程运行高质量发展积累经验。