城市活水工程泵站选型研究——以九江镇联合涌活水工程为例

麦炽球

(佛山市南海区九江水利所，广东 佛山 528000)

随着城市的快速发展，居民工业等用水量逐渐增加，对沿线河道水系的水资源需求逐渐增加，导致现状河道水系下流流量逐渐减少，水动力不足，水质不断恶化，制约城市整体发展[1]。活水工程即将外源较好的水源通过管道管渠等方式向水动力缺乏或污染较为严重的城市河道水系注入来水流量，达到水动力措施和促进河道水系水质整体改善的目的[2]。城市活水工程在现有水系格局前提下，遵循上游引进下游排出原则，加强内部水系的水动力，全面提高城市水环境效益[3]。活水泵站遵循规划总体布置，局部与整体相结合的方式力求外形美观，管理方便，充分利用现有水利工程及河涌条件，因地制宜地进行全面综合设计[4]。城市活水工程主要由活水泵站、活水管线等组成，其中活水泵站的泵房，泵站选型等设计参数显得尤为重要，直接关系到活水工程的整治效果[5]，因此活水泵房的设计尤为重要。

本文以九江镇联合涌为例，通过对联合涌活水工程的整体设计，采用闸门泵的形式设计泵房典型参数，重点分析了泵站泵型比选，选择全贯流电泵作为泵房泵型，全贯流电泵整体性能能够满足活水工程需求，以期为类似活水工程泵站选型提供参考依据。

1 工程概况

九江镇属于广东省佛山市南海区下辖的乡镇之一，原沙头镇并入九江镇后形成新区划九江镇，地理位置在佛山市南海区的南端，由东边相邻顺德区龙江镇，西南方向为鹤山市，西北方向为高明区，北边相邻南海区的西樵镇。九江镇联合涌活水泵站工程位于九江镇沙头大涌与罗客涌交汇处(万安西路南侧)。按活水规划要求，新建泵站设计引水流量为2.0 m3/s，泵站为闸门泵形式，闸门宽度为3.0 m，底板降低到-1.50 m。泵室采用双孔箱涵结构，总长21.00 m，宽度为8.20 m，单孔宽度为3.0～3.3 m，底板面高程为-1.00～-1.50 m，底板面高程为3.30 m。底板前后与现有河涌衔接，高程为-1.00 m，降低到闸门最低点为-1.50 m。底板厚度为0.60 m，顶板厚度为0.35 m。安装2台600QGWZ-125型全贯流电泵，电机功率65 kW，总装机容量130 kW，实际总装机流量2.32 m3/s，本工程等别属于Ⅳ等，建设规模为小(1)型泵站，主要的永久性建筑物建设级别为4级，永久性次要建筑物为5级。联合涌活水泵站将人字水引入的外江活水从沙头大涌提升至罗客涌、联合涌，将水推动进入东西运河汇入南北主涌，最终由沙口泵站排出。项目建设周期为12个月，计划安排在当年12月—次年12月施工，各个工序之间互相交叉，确保工程按时完成[6]。

2 泵站设计

2.1 工程地质

2.2 泵站特征水位

工程选址位于九江镇沙头大涌与罗客涌交汇处(万安西路南侧)，采用闸门泵的形式不会影响到现有的河涌排涝能力，水泵的安装在闸门上，整体泵站均布置在现有水利用地内，不用新增征地，不需要拆现有土建。结合工程特点，活水泵站选择为开敞式无进水流道型，泵室进水流道垂直方向尺寸小，泵室基础面较浅；泵室结构规整，线条简单，施工方便，质量保证。泵站不同工况下水位设计(见表1)，活水泵站进水池水位一般保持不低于0.70 m，平时保持0.5～1.5 m，取0.7 m作为活水泵站设计水位；考虑拦污栅过栅与过路涵洞的损失0.2 m，则进水池水位为0.5 m。由于当沙头大涌水位为低于0.50 m时，水质较差，而且过路涵洞底板面高程为-0.30 m，考虑拦污栅过栅与过路涵洞的损失0.2 m，因此本阶段将最低开机水位0.30 m，出水池水位罗客涌控制水位1.70 m，考虑到出口损失，出水池设计水位为1.80 m。

表1 泵站工况水位 m

2.3 主要构筑物设计

活水工程泵站采用双孔泵室的结构，不减少现状河涌的宽度，采用闸门泵的形式布置在河涌中间处，不会影响现状河涌的排涝能力，台水泵布置在闸门上面，为了减少垃圾对水泵的影响，在泵室入水口设置拦污栅门槽，安装拦污栅，泵站所有的附属建筑物均布置在泵室顶面，减少以后扩涌对现有泵站的影响。活水泵泵站2台600QGWZ-125水泵布置在2扇闸门上面闸门，闸门宽度为3.0 m，底板降低到-1.50 m；泵室采用双孔箱涵结构，总长20.0 m，宽度为8.20 m，单孔宽度为3.0～3.3 m，底板面高程为-1.0～-1.50 m，底板面高程为3.30 m；泵室面高程3.30 m，在泵室的上部区域设置有启闭室，启闭室设计1×16 t型电动卷扬机2台，同时闸面上预留着卷扬机安装孔口，方便水泵检修。外江段U形明渠总长6.1 m，净宽度为7.2 m，墙顶高为2.2 m，底板面高程为-1.0 m，将泵室与现有方涵连通；内涌段U型明渠总长3.0 m，净宽度为7.2 m，墙顶高为2.2 m，底板面高程为-1.0 m，将泵室与现有挡土墙连通。底板厚度为0.4 m，顶板厚度为0.4 m。

渗流稳定计算采用允许渗径系数法进行计算，如式(1)所示，地质钻探显示基面以下是置换砂层，砂层渗径系数C=7～5；设计水位差在最高水位最大时计算△H值为1.5 m，根据规范要求泵站的渗径设计参数需要>10.5 m的范围，根据计算可知泵室实际渗径的长度为22.7 m>10.5 m，可知实际渗径长度满足现有设计规范。同时计算(见表2)可知，4级建筑物的地基的抗滑稳定安全允许值在荷载基本组合时为1.20，在荷载特殊组合时为1.05，均满足现有规范对抗滑稳定安全允许值的要求。根据现场勘测，泵站的天然地基属于粉质性黏土，因此整个泵房地基按中等坚实土进行基础处理，计算可知地基反力不均匀系数允许值基本荷载组合为2.0，特殊荷载组合为2.5，结果均大于设计推荐值，满足现有的设计规范要求。

表2 泵室整体稳定计算成果表

L≥CΔH

(1)

3 泵型设计

水泵选型在设计标准的各种工况水泵机组能正常安全运行，必须满足流量和扬程的要求，具有高效范围运行，泵站效率较高，能量消耗少，运行费用较低，工程投资较少等特点，不允许发生气蚀、振动和超载等现象。

3.1 泵型比选

活水泵站主水泵类型一般根据泵房选址、周边环境和泵站流量设计要求、活水性质等进行综合比选，在一般的情况下，对于扬程较小的泵(如<10 m)时建议选用全贯流电泵或常规的GQB型贯流潜水泵。本工程设计扬程2.40 m，最高扬程2.90 m，均<10 m，根据比较(见表3)后可知，全贯流电泵具有整体结构布局紧密，轴向尺寸相对同类型泵减小约一倍，泵体重量较轻，金属耗量比传统同类别泵型低，仅为传统潜水电泵的一半，一体化高精度装配，动静平衡性能良好，运行平稳无噪声，机械振动低等特点。结合本工程运行特点，调查已建低扬程泵站的实例，本工程扬程较低，水力损失小，结构流道平直，适用于卧式泵。卧式全贯流电泵具有扬程低、流量大，在国内广泛使用。本工程水泵类型设置全贯流电泵600QGWZ-125型全贯流电泵2台，单泵装机流量1.16 m3/s，最大引水流量为2.32 m3/s，总装机容量130 kW。

表3 泵型对比表

3.2 水力计算

根据设计手册，水泵入口损失ΔH1与水泵出口与拍门水力损失计算ΔH2的计算如式(2)、式(3)所示，水泵入口损失ΔH1=0.2758Q2；水泵出口与拍门水力损失计算ΔH2=0.5512Q2，总水力损失为0.8268Q2。600QGWZ-125 水泵装置性能曲线在设计工况下为H设计=1.30+0.8268Q2，在最高工况下H校核=1.50+0.8268Q2，上述最高工况和设计工况下曲线在水泵性能曲线图进行叠加组合，得到泵房选型水泵的相关工作点参数，方案设计工况、最高工况和平均扬程工况下潜水电泵工作点整体都位于高效工作区，设计流量及扬程要求均能满足运行工况要求，因此泵型选择合理。

(2)

(3)

式中：δ1为入泵入口局部阻力系数；v为水泵入(出)口流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；δ2为水泵出口局部阻力系数。

3.3 电气设计

电气布置在泵室顶旁边，总宽为13.0 m，长为13.05 m，内安装水泵控制柜。设置双层厂房，一楼作为低压控制室与中控制室，二楼为启闭机室与站区管理人员管理室。活水泵站电源及主电路配套电动机为65 kW，电压等级0.38 kV，总装机容量130 kW，另有三个节制闸及站内用电负荷约为15 kW。工程负荷等级为三级，系统接地型式采用TN-S。本工程供电电源点接泵站附近人字水泵站，供电距离约为405 m，采用YJV22-0.6/1 kV-4×95+1×50电力电缆埋地敷设及BVV-3(1×185)+1(1×95)电力电线架空敷设方式结合。

活水泵站全部为0.4 kV异步电动机，采用软启动方式，电动机额定功率为65 kW，额定电压为0.4 kV，转速为1000 r/min，功率因数为0.8，额定效率为93.4%，堵转电流为5.32A，堵转转矩为1.4，最大转矩为2.0。低压采用GCK低压抽出式开关柜3面，电动机设电机控制柜1面，启动采用软启动方式。1面控制箱控制2台电机。低压电缆室内选用ZRYJV-1 kV型阻燃交联电缆，室内选用YJV-1 kV型交联电缆。敷设方式主要采用电缆沟、电缆支架、电缆穿钢管等。中控室集中控制为主，开关柜、配电屏、机旁控制为副，电动机设过流保护、电流速断保护等，保护定值设置在低压智能开关，过负荷保护动作于热继电器。

3.4 闸门设计

泵室2孔设两扇闸门，闸门宽3.0 m。闸门需要双向挡水，所以单向挡水的人字门、掩门等闸门不适用，双向挡水的一般采用平面闸门。根据本工程的特点，需要将水泵挂在闸门上，考虑维修、管理方便，闸门采用直升式平面闸门形式。闸门采用多主梁平面结构，梁格与门板形成整体，整体刚度好，面板为四边支承，受力条件好；面板可以作为梁截面的一部分参与梁格的抗弯工作，从而减少梁格的用钢量。平面钢闸门的构造主要由面板系统、梁系统和支承系统组成，实际工作中平面钢闸门表现为空间结构，为便于设计，一般将钢闸门的空间结构进行分解，从不同的方向分解成若干个平面体系，在平面设计中组合为空间结构。直升式闸门是工程最广泛使用的门型，它是平板式门叶卡在门槽内而封闭孔口的。闸门和启闭机型式是结合现有水工建筑物的整体设计，运行工况，水位控制参数等综合确定；根据闸门型式来设计闸门各纵梁、顶梁、底梁等梁系统，如截面尺寸、相对位置，厚度、空间布置等；最后是对闸门进行验算，对闸板梁系统、面板、支承配套零部件综合验算结构、强度、刚度、整体和局部稳定性等。

3.5 地基处理

根据地质报告活水泵站建基面位于粉砂层与砂性素填土层。砂性素填土：灰、浅灰色，局部黄色，松散，湿～饱和，主要由砂土填成，局部含少量黏性土，填成时间超过5 a。各工况泵室基础底面平均基底应力为91.82 kPa，泵室基础底面最大基底应力为115.12 kPa。泵室基础的平均基底应力不得超过设计允许承载力，最大的基底应力也不得高于设计允许承载力的1.2倍。应该本工程处理后地基允许承载力不应<100 kPa。根据建筑物结构特点，结合类似工程基础处理经验，对泵室主体采用人工基础处理，参照基础处理的经验，对泵室闸室打木桩处理，桩长4 m，尾径100 mm，木桩间距为0.5 m×0.5 m。可以有效减少基础的沉降，增强基础强度的统一性。

4 结 语

本文以九江镇联合涌活水工程为例，对活水工程的泵站进行了系统性设计，分析了泵型比选，水力计算选择为600QGWZ-125型全贯流电泵，配套进行电气、闸门和地基处理等设计，活水泵站设置全贯流电泵600QGWZ-125型全贯流电泵2台，单泵装机流量1.16 m3/s，最大引水流量为2.32 m3/s，总装机容量130 kW，工程实施后有利于改善联合涌水动力和水质，活水效果良好，同时本文对类似活水工程泵型设计具有一定的参考价值。