缆车式取水泵站在施工取水中的应用研究

青志鹏,刘 含,赵 亮

(1.中国水利水电第七工程局有限公司,成都 610213;2.中国融通资产管理集团有限公司,成都 610014)

水电站建设过程中会需要大量的施工用水及营地生活用水,建设方往往会就近在江河中取水处理后使用。大的江河水位变幅可在10 m以上,而大坝兴建过程中,随着施工的推进和坝体的逐步建成,水位变化更大。大坝建设期用水多为不超过10 a的临时性用水,拌合浇筑等施工用水量较大,且具有施工用水水质要求不高等特点。兴建竖井式泵站等永久构筑物存在投资大且工期较长,围堰施工复杂,后期高水位运行检修不便等问题,应用缆车式泵站代替竖井式泵站则投资小,运行灵活、机动性强,后期维修管理较容易[1],优势明显。

1 工程概况

巴基斯坦迪亚梅尔巴沙大坝坝址位于吉拉斯镇下游约40 km处的印度河上,塔贝拉大坝上游约315 km,距伊斯兰堡约440 km,位于开伯尔-普赫图赫瓦省和吉尔吉特-巴尔蒂斯坦省的边界。巴沙大坝由一座272 m高的混凝土重力坝和在印度河两侧修建两个大型地下发电厂组成,装机容量为2250 MW,具有蓄水、防洪及发电等多项功能。该项目被称为巴基斯坦的“三峡”,建成后将大大促进当地经济发展,改善当地民生。

本工程为巴沙大坝施工配套项目的2号施工供水系统,为大坝建设提供相应的施工及生活用水。巴沙大坝的建设过程中,根据工艺设计要求在大坝的上下游设置了多个施工工区及生活营地,均需要用水,其中的混凝土拌合浇筑等用水量较多。2号施工供水系统位于坝区上游,其日施工用水量约5.5万m3。本工程通过缆车式泵站取水,并分质净化处理后,分别为施工及生活区提供用水。

2 方案比较与泵站选址

2.1 冲沟取水(方案一)

考虑利用附近冲沟修筑拦水坝取水。根据对项目周边多条可供取水的冲沟现场踏勘,均存在着水量不稳定,夏季暴雨导致水质泥沙含量较高,缺乏相关水文资料,总用水量不一定能满足施工用水需求,且取水离项目点均有较远距离等各种不利条件,但也有非汛期水质相对较好,能实现重力流供水等优点。设计中将本方案作为备用水源考虑。

2.2 印度河建取水构筑物(方案二)

考虑在印度河岸边修筑固定的取水构筑物。根据项目工期对应印度河水位高程变化表显示(详见表1),项目的第7年开始,随着大坝拦水完成,大坝上游水位将迅速地抬高60 m以上,而第8年则能上涨一百多米,若一开始就修建超百米高的取水塔则存在着投资过高、地质条件要求高、施工复杂、工期较长、后期检修维护不便等问题。尤其是拦水后水位上涨几十上百米,取水塔下部静水压力大,之前铺设的管道埋于水下无法检修。而分两次在不同高程处修建取水塔则投入较大,经济性较差。

表1 项目地印度河水位高程变化

2.3 印度河建缆车式取水泵站(方案三)

考虑在印度河岸边修筑缆车式取水泵站。缆车式泵站的特点是:随着河水位的涨落,泵车由绞车通过钢丝绳牵引可以沿着坡道上下移动,保证泵车不被水淹,并能取到含沙量较少的表层水。同时水下施工简单,工程造价低,各单位装机造价约为固定式泵站的一半[2]。针对后期库区拦水完成后水位大幅上升的问题,缆车式泵站也能方便快捷地完成拆卸和移位到高处进行二次使用,投资将大大减少,对工程建设来说是非常经济实用的。

2.4 最终选址确认

根据《泵站设计规范》(GB 50265-2010)及《给水排水设计手册(第3册)》中对缆车式取水泵站的相关要求,选址应选择:(1)宜选在主流近岸、水流较平稳且河床稳定的河段,避免建设在水深不足、冲淤比较严重的地方,岸边水深不应小于1.2 m;(2)避免在回水区或在岸坡凸出地段的附近布置缆车道,以防淤积;(3)缆车坡道面宜与原岸坡接近,河床比较稳定,河岸工程地质条件较好,且岸坡有适宜的倾角(一般在10 °～28 °);(4)漂浮物少,且不易受漂木、浮筏或船只的撞击。其中,岸坡倾角选择上很多人往往没有重视并理解透彻,本工程缆车上的水泵是自吸式水泵,泵轴线标高高于吸水液位,水泵运行主要利用水泵自身吸程。当岸坡倾角较高时,缆车的水泵离车底的吸水液位必然就高,而需要选择低NPSHr泵型以免发生气蚀现象导致水泵的损坏。目前各水泵的允许吸上真空高度往往都小于6 m,尤其根据项目所需流量、扬程参数选型后可选面就更小,当小车选址的坡度大了,随着水位的上升,就必须被动的频繁移动小车,这对后期运行是非常不利的。因此在选址时应尽量寻找倾角小于28 °的岸坡布置。

经过上述对比,结合对印度河水文资料的分析,本次巴沙大坝施工用水工程的取水工程选择在大坝上游印度河右岸一处河道相对顺直,岸坡倾角约27 °的岸边施工,采用缆车式取水泵站的形式取水,取水加压输送到施工营地附近的水处理构筑物进行处理。

3 缆车式取水泵站的设计

3.1 缆车设备的总体布置

巴沙大坝2号施工供水工程的取水头部采用的缆车式泵站平面布置见图1。经综合分析,取水头部设两组滑道,并相对于坡道中心对称布置。滑道采用斜桥式,单组滑道宽度为8.9 m,轨道间距约为6.5 m;两组滑道并列布置,滑道中心线的间距为12.3 m;轨道基础采用混凝土条形基础,条形基础平面尺寸长度×宽度=18.6 m×0.5 m,条形基础中心线水平间距为5 m。

图1 泵站平面布置

泵车安装在斜坡道的轨道上,绞车安装在坡岸上的卷扬机房内。绞车的钢丝绳通过导向滑轮组与泵车连成一体。泵站的两条供水干管设置在两台泵车的中间[3],上设叉管18个,电缆铺设在泵车外侧。为防止钢丝绳、电缆与坡道摩擦,坡道上设置了钢丝绳托辊及电缆滑动支架,托辊间距约为15 m,电缆滑动支架102个。

每台泵车上布置3台工作水泵和1台真空泵组,3台工作水泵采用“一反两正”的布置方式,以缩小泵车的平面尺寸[3]。水泵的电机功率最大为110 kW,真空泵用于工作泵启动时对进水管段进行抽真空。泵车由电缆供电,电缆由卷扬机房的电缆卷筒引出,经坡道上的电缆托架与泵车上的水泵机组连接。电缆卷筒和缆车的电控设备均布置在缆车机房内。

整个取水头部采用1000 kVA箱变,其主要负荷:小车上五用一备的110 kW变频控制水泵6台,5 kW真空泵2台,40 kW缆车卷扬机2台,5 kW电缆卷扬机2台,另包含各室内照明、插座等,用电设备工作容量约为650 kW,同时无功补偿至功率因数0.9以上时,负载率约72.2 %。

3.2 泵车与泵房的设计要点

3.2.1 泵车与泵房设计布置

单个泵车的平台尺寸为6.5 m×4.8 m,采用角钢及H型钢焊接,泵车设置刹车减震装置和挡板固定设施。泵站为轻便型泵车,减少电气设备及检修占用空间,从而缩小泵车的平台尺寸、轨距和卷扬机牵引力,降低工程造价[4]。运行时,将泵车固定于一定的水位运行,若印度河水位发生变化后,需停机将泵车拖到新的合适水位再运行。泵车的移动通过布置于河岸上的缆车房来实现,整个缆车房为框架式结构,包含缆车房、配电房、检修房、管理房。水泵进口、出口(逆止阀后)钢管内水体的重量、水泵及电机自重、底阀自重、泵车自重等,都要计入泵车的稳定平衡、绞车牵引力的计算中。

考虑到泵车的重量较大,运行重量约为10 t。当泵车移动时对绞盘机功率要求较大,故设计时利用动滑轮的传动方式,在缆车上设计滑轮,将力分散。泵车平面布置见图2,缆车立面布置见图3。

图2 泵车平面布置

图3 缆车立面布置

3.2.2 缆车的安全保护装置

在泵站后期使用运行中,随着汛期、枯水期的水位大幅变化,泵车需要上下移动以免被淹没或吸不到水。泵站移动过程中安全问题是非常重要的,一旦发生突发事故都将带来非常严重的后果。为防止缆车在运行中的突发事故,设计考虑给缆车设置安全保护装置。首先,在轨道终端设置车挡,安装在轨道最下部的车挡,可以防止泵车低水位取水时下放失控而落入河中;其次,设置了活动车挡,泵车长时间在一个高程位置运行,静止不动时,减小卷扬机负荷,防止钢丝绳长期紧绷或检修滑轮、钢丝绳的时候用[3]。使用时将活动车挡放置在车轮下坡方向前端,并拧紧螺丝使其紧固在轨道上。同时需加强对操作人员的管理要求,移动泵车时必须先停泵排水,断开水泵出管与主管的连接后方能启动卷扬机。

3.3 轨道的设计要点

缆车坡道是铺设泵车轨道、输水管道及电缆的场地,供泵车工作运行的场所。在布置坡道时,坡道下端必须伸入到枯水位以下才能满足泵车在枯水位时期正常运转;坡道的上端应设置在满足泵车安全的最高洪水位以上,当最高洪水位来临时仍能进行工作。斜坡式坡道面一般要高出岸坡地面0.5 m左右,并设置了防冲衬砌。尤其是在含沙量较高的河流上砌护要平整,防止落淤。缆车的重量约为10 t,其移动过程中对轨道的受力同时具有较大的横向移动力和轴向力,存在着轨道滑坡的风险。针对上述问题,设计考虑在轨道下设置锚杆,将平台稳住。

3.4 缆车机房抗滑锚固设计要点

由定滑轮+动滑轮组合连接的方案较好地降低了绞盘机功率大的问题,但缆车的重量约为10 t,仍然较重,对揽机同时具有较大的横向移动力和轴向力,存在着揽机平台被拉走或掀翻的风险。针对上述问题,设计考虑在缆机房下设置一个较厚的混凝土敦,将平台稳住。

3.5 泵车出水管道接管设计

泵车上水泵出水主管通过活动的接头管与轨道上输水主管的叉管相连接,并通过输水管送至下一个构筑物。接管方式的选择,是否合适及正确将会很大程度影响到泵车的后期运行。

本工程的设计输水量是5.5万m3/d,输水管道为管径DN700的焊接钢管,设计采用的是在泵车出水管接主输水管端做活动接头,由两个活动法兰接管和一个弯管组成,将法兰橡胶软连接装在弯管两端以方便连接。装有法兰橡胶软连接管除可小幅旋转外,轴向还可微动伸缩,以便于安装调整,还能在水泵运行中起到一定的缓冲抗震动的作用。

4 缆车的运行

工程投入使用后,根据实际用水量需要,两台缆车上的6台水泵由控制柜控制启停,可单独运行,也可同时运行。可以仅一台缆车的水泵运行也可以两台缆车的水泵全部同时运行。当印度河水位发生较大变化时,需暂时停泵将水放空,待缆车运行到避免洪水淹没、并能保证水泵稳定可靠运行的高程后,重新接入输水管后再次运行。

在未来水库蓄水以后,可根据新的建设要求在合适的高程处重新建设轨道,将缆车泵站移至高平台后继续使用。届时可根据新的工况条件更换流量扬程降低后重新选型的小水泵,大大节约了运行费用。

5 结语

因修建大坝造成印度河水位变幅大,兴建固定式泵站地质条件要求高,建设投资大,周期长,水泵常期固定在高扬程下运行费用高,蓄水后检修维护也很麻烦。本工程所采用的缆车式取水泵站很好地解决了上述问题。具有建设投资少、运行成本低、灵活机动等特点。本次设计方案能为项目部前期投入及后期运营节约很高的成本,缆车式取水泵站在施工临时取水工程中有着广阔的应用前景,其经验可供类似工程设计借鉴。