郝 路

(中工武大設計研究有限公司，武漢 430205)

取水泵站是供水系統(tǒng)的重要組成部分，取水泵站的選取及其優(yōu)化運行研究對泵站節(jié)能等具有重要意義[1]。移動式取水泵站適合在江、河、湖泊、水庫邊取水，制造簡單方便，周期短、造價低；相比于傳統(tǒng)的取水泵站，取水效率更高[2]，水質好，安全可靠；受水位變化、漲落頻率變化等因素的影響較小。如文獻[3]將小型移動泵站應用在水田生產(chǎn)基地建設中，取得了良好的效果，社會效益和經(jīng)濟效益明顯。在水利工程中，移動式取水泵站主要應用于灌溉工程中的永久性取水設施及各類大型工程建設時的臨時取水設施[4]。文獻[5]初步對小型移動式取水泵站的應用做了嘗試。本文將浮船式取水泵站應用在湖北省松滋市涴市鎮(zhèn)大口水廠的取水工程中，通過與纜車式、豎井式(固定式)泵站優(yōu)缺點的選型比較，分析研究針對不同類型取水構筑物的考慮因素，適應條件及取水構筑物的設計內(nèi)容。

1 工程選址

湖北省松滋市涴市鎮(zhèn)大口水廠工程為村鎮(zhèn)集中式供水工程，供水規(guī)模為1.5萬t/d，為小(1)型IV等工程，主要建筑物級別為4級，次要建筑物級別為5級。工程按20年一遇洪水設計，50年一遇洪水校核。

該工程主要供八寶鎮(zhèn)、涴市鎮(zhèn)、沙道觀鎮(zhèn)三鎮(zhèn)居民生活用水，包括水源工程、水廠工程和輸配水工程。工程取水水源為長江，取水規(guī)模為1.65萬t/d，即0.19 m3/s。大口水廠主要為居民生產(chǎn)生活供水，作為工程主要構筑物之一的取水泵站，其日后的運行管理費用有保障，具有明顯優(yōu)勢。

長江在松滋境內(nèi)長26.74 km，九曲回腸，在涴市鎮(zhèn)處北折東流，形成彎道。彎道上游農(nóng)田遍布，離供水區(qū)域較遠，如取水點選擇彎道上游，主管線較長，投資較高。彎道下游緊靠涴市鎮(zhèn)，房屋密集，如取水點選擇彎道下游，主管線需穿越村鎮(zhèn)和涴米河，施工困難、投資較高，移民拆遷量大；且有涴米河污水排入長江，污染水源。彎道凹岸凸點下游側水深、流態(tài)良好，不沖不淤，位于涴市鎮(zhèn)上游，水質良好，距涴市鎮(zhèn)較近，工程投資較低。再者，水流流經(jīng)彎道時產(chǎn)生彎道環(huán)流，在彎道凹岸可以形成窄長的深槽，水深較大且主流靠近岸邊，在汛期有較大的夾砂能力，河床底部的泥沙由凹岸運向凸岸，河槽不容易淤積。在冬季，由于流速較大，有利于冰水分層。經(jīng)分析比較，取水點選定于凹岸凸點下游側，即鄂江右714+900處。大口水廠取水點位置如圖1所示。

圖1 大口水廠取水點位置示意圖Fig.1 The place of intake point of Dakou waterworks

萬里長江，險在荊江。受荊江裁彎河床演變、洞庭湖分流入?yún)R變化及上游葛洲壩、三峽水庫等影響，長江荊江河段水位流量關系變化十分復雜。本工程泵站最高運行水位與最低運行水位間水位漲落變幅達15.14 m，取水點河岸灘開闊，邊坡平均坡比1∶3.5，見圖2，可以充分利用地形條件布置泵站，減少工程量，避免掏空、淤積、不均勻沉陷等情況發(fā)生。

圖2 大口水廠取水點地形橫斷面圖(單位：m)Fig.2 Cross-section profile of intake point of Dakou waterworks

2 取水泵站型式的選取

泵站設計流量0.19 m3/s，其所處河段水位漲落變幅15.14 m，水位上漲速度小于2 m/h，河岸坡穩(wěn)定，平均坡比為1∶3.5。下面分別對移動式(浮船式、纜車式)和固定式(豎井式)取水泵站型式進行技術經(jīng)濟比選，見圖3～圖5。

(1)浮船式泵站。浮船式泵站為停泊式，配備浮船長14.2 m，寬8.7 m，型深1.5 m，吃水深度0.85 m。泵房內(nèi)布置3臺立式單級單吸離心泵(2用1備)，型號為ISG200-315(Ⅰ)，單機流量Q=0.1 m3/s，揚程H=21 m，功率37 kW。泵船上設置航標燈等安全信號指示裝置。

(2)纜車式泵站。纜車式泵站設置取水泵車1臺，配備3臺水泵(2用1備)，水泵型號為ISG200-315，單機流量Q=0.1 m3/s，揚程H=21 m，功率37 kW。

圖3 浮船式泵站縱剖面圖(單位：m)Fig.3 Longitudinal section of floating pumping station

圖4 纜車式泵站縱剖面圖(單位：m)Fig.4 Longitudinal section of cable car type pumping station

(3)豎井式泵站。根據(jù)取水口地形地貌，采用豎井式泵站。豎井為C25鋼筋混凝土圓筒框架結構，高16.5 m，圓筒內(nèi)徑4 m，外徑5 m。啟閉臺上安裝3臺為長軸深井泵(2用1備)，型號350RJC370-16，單機流量Q=0.1 m3/s，揚程H=21 m，功率55 kW。啟閉機房屋面梁設置3個手電兩用電動葫蘆，用于起吊水泵。

綜合考慮工程造價、施工難度、水流流態(tài)、操作管理以及供水安全等多方面因素，移動式(浮船式、纜車式)和固定式(豎井式)泵站方案比選見表1。

工程位于長江荊江河段，考慮防洪防凌、河床液化砂質地基等因素，若建設固定式取水泵站，則設計標準高，投資費用大。更為嚴重的是：若荊江河段主流改變，建成的固定式泵站將無法發(fā)揮應有的效益，將造成極大的浪費。而移動式泵站一次性投資小、見效快，無復雜的水下建筑物結構，施工周期短。相對于固定式泵站，移動式泵站靈活機動，優(yōu)勢明顯。

浮船式泵站造價低、適應性廣、靈活性大，能隨水位漲落而升降；能適應主流多變、河床變遷或其他原因引起的取水地點變更；取水量發(fā)生變化時設備容易改裝；能適應上馬快、供水要求迫切的用水需要。再者，浮船式泵站造價比纜車式略低，且鋼筋混凝土結構簡單，枯水期施工無需修筑圍堰，施工安全，操作簡單。由于本工程泵站取水流量較小，浮船式泵站對水流流態(tài)影響不大。另外，取水點處河岸有平坦開闊的河灘地，便于泵船定期檢修；而其供水安全性可通過周密的設計、嚴格的運行管理制度得到保障。經(jīng)過技術、經(jīng)濟比較，推薦選用浮船式泵站。

圖5 豎井式泵站縱剖面圖(單位：m)Fig.5 Longitudinal section of vertical pumping station

取水泵站類型移動式泵站浮船式纜車式固定式泵站(豎井式)特點移動式，靈活機動移動式，靈活機動固定式裝機功率37×3=111kW37×3=111kW55×3=165kW工程造價338．74萬元357．56萬元390．30萬元固定設施錨固設施復雜簡單施工難度 無復雜的水下結構和大量的土石方、鋼筋混凝土工程；無需圍堰施工，工期短，施工簡單、安全，對周邊環(huán)境影響小 有水下結構，且土石方、鋼筋混凝土工程量大，需開挖基坑，新建圍堰，施工難度大，工期長水流流態(tài) 附近局部水流紊亂，淘刷江道或引渠的堤岸 有一定阻水作用，水流流態(tài)良好操作管理 運行管理簡單，浮船隨水位漲落而自動升降，水泵吸水口一直保持在液面以下1～2m的位置，取出的水泥砂含量低，污物少 操作管理較麻煩，隨著水位漲落需要拆換接頭，移動船位，收放纜繩和輸電線路。特別是洪水期間，操作頻繁 引水管、泵站固定，操作簡單，可自動化操作，勞動條件好。供水安全 浮船漂浮于江河中，易受風浪、急流、航運、漂木、浮筏等影響 受風浪、急流、岸冰、淺水等影響小可靠

3 浮船式取水泵站設計

3.1 工程地質條件

工程區(qū)內(nèi)出露地層主要為第四系全新統(tǒng)地層，其地層描述如下：

(1)第四系人工填土層(Qml4)：以素填土、雜填土為主，主要成分為粉土、粉質黏土、黏土。

(2)第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Qal+pl4)：由上至下依次為粉土、粉質黏土、黏土、粉砂、中細砂、卵礫石層等。

取水泵站站址的地面高程約42.50 m，灘地最大寬度約30.3 m。灘地地層上以中細砂為主，厚度約10 m，其內(nèi)摩擦角ψ=30°，與混凝土間的摩擦系數(shù)為0.4，地基承載力特征值fak=150～180 kPa，可作為基礎持力層。灘地地下水位與長江水位持平，附近未見不良物理地質現(xiàn)象。

3.2 建筑物設計

浮船式泵站主要建筑物包括浮船、主泵房、支墩、工作橋等，泵船及浮船式泵站剖面圖見圖6～圖8。

(1)浮船結構型式及材質。浮船由兩個對稱浮體螺栓連接后，在槽鋼處焊接成為整體。浮體為梯形，底部首、尾斜直線起翹，中部為平行中體，甲板四角為圓角，尺寸為14.2 m×8.7 m×3.8 m(長×寬×高)，型深1.5 m，吃水深度0.85 m。每個單獨浮體為鋼質、全電焊、橫骨架式結構。橫向強框架最大間距1.5 m，肋距0.5 m，甲板安裝設備處做部分結構加強。首尾各設一道水密艙壁，形成3個獨立的密封艙，共6個密封艙室，保證任一艙室進水后浮船不沉。每個密封艙在甲板上設一個進人孔，用于檢修和壓載。進人孔蓋板采用CCSA船用鋼板厚8 mm。浮船設計成兩個單獨浮體，便于運輸、安裝。

圖6 泵船(泵房)平面圖及縱剖面圖(單位：mm)Fig.6 Horizontal projection and a cross-sectional of pump

圖7 浮船式泵站平面圖(單位：mm)Fig.7 Horizontal projection of floating station

圖8 浮船式泵站縱斷面圖(單位：mm)Fig.8 Skiagraph of floating station

(2)主泵房。主泵房一層，布置于浮船甲板平面上，采用輕型鋼結構，長10.2 m，寬4.54 m，高3.8 m。泵房內(nèi)安裝3臺水泵機組，機組間距為1.8 m，主機組單機容量為37 kW，單機流量為0.1 m3/s，設計揚程為21 m。

浮體內(nèi)部設壓載水艙，布置在兩浮體的前后艙內(nèi)，用以調(diào)整船舶吃水滿足泵船最大吃水深度的要求，及平衡不同部分的機組啟動時造成的橫傾力矩。浮船式泵站在長年取水的過程中，隨著水位的升降浮體會出現(xiàn)橫傾現(xiàn)象，可通過壓載艙壓載石塊或沙包來調(diào)整浮船的平衡性，讓浮船處于最佳取水狀態(tài)。

浮船式泵站與河岸采用主輔旋臂連接，旋臂長50 m，極限角度0°～19.78°，工作制為24 h/d。

(3)支墩。支墩布置于河灘地臨水側，頂高程與長江大堤等高，確定為45.70 m。支墩采用C25鋼筋混凝土排架柱結構，平面尺寸為4.5 m×5.0 m，高10 m。

(4)出水管。泵站與廠區(qū)設置輸水鋼管1根，管徑DN450，長235 m，管道采用地下埋管，埋深不小于1.5 m，管道轉彎和分岔處采用鋼管件連接，并設置鎮(zhèn)墩。

(5)工作橋。工作橋連接浮船支墩和長江大堤，采用簡支梁板式結構。工作橋橋面高程45.70 m，橋長49 m，寬2 m，分5跨，單跨9.8 m，由下部橋臺、排架柱和牛腿支承。

4 結 語

小型移動式取水泵站常常用于取水量小，施工工期短，水下施工難度大，河流汛期泥沙含量大的取水工程上。其中纜車式一般適用于水位變幅在10～35 m，漲落速度不大于2 m/h的河段；要求河段河水豐富，冬季無流冰，夏季漂浮物較少，河床穩(wěn)定、河道順直，主流靠岸，傾角10°～25°，岸坡穩(wěn)定，且河岸河床工程地質條件好。而浮船式一般適用于水位變幅8～35 m，變速不大于2 m/h，枯水期水深大于1.5 m，水流平穩(wěn)，風浪較小，停泊條件良好的河段；要求河段河床較穩(wěn)定，岸邊有適宜傾角，河水中雜草等漂浮物較少，且冬季冰水分層。

移動式取水構筑物在我國中南和西南地區(qū)采用較多，大量應用于工礦企業(yè)和城市供水、農(nóng)田灌溉；之所以被廣泛采用，是和這些地區(qū)的特定條件有關。在工程設計應用中，應綜合考慮工程所在地地形地貌、河道水文地質條件、項目投資、工程運行功能要求等因素，因地制宜，選擇穩(wěn)妥經(jīng)濟高效的構筑物設計方案。

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[1] 衛(wèi)曉賢，劉德有，黃時峰，等. 考慮豐谷電價及清水池調(diào)節(jié)容量的取水泵站優(yōu)化調(diào)度[J]，中國農(nóng)村水利水電，2013，(1)：156-159.

[2] 任建民. 取水泵節(jié)能降耗改造實踐[J]，供水技術，2013，7(4)：39-42.

[3] 孫玉杰，李彥輝. 小型移動泵站在阿城區(qū)水田生產(chǎn)基地建設中的應用[J]，黑龍江水利科技，2011,39(4)：296.

[4] 李亞峰. 水泵及水泵站[M]. 3版.機械工業(yè)出版社，2009.

[5] 張 赟，尹曉明，劉 波. 小型移動取水泵站工程兩例[J]，西南給排水，2011，33(3)：6-8.

[6] GB 50265-2010，泵站設計規(guī)范[S].