□李雪松（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

水利泵站設(shè)計(jì)及其安全運(yùn)行探析

□李雪松（吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

泵站是水利工程中較為重要的組成部分之一，它的運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠與否關(guān)系重大。為此，必須采取合理可行的方法對(duì)泵站進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)有效的管理措施確保泵站安全運(yùn)行?；诖它c(diǎn)，文章從提水泵站的設(shè)計(jì)、泵站主要建筑物的布設(shè)、泵站及壓力管道鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定性分析以及確保泵站安全運(yùn)行的有效措施4個(gè)方面對(duì)水利工程泵站的設(shè)計(jì)及其安全運(yùn)行進(jìn)行了論述。

水利泵站；設(shè)計(jì)；安全運(yùn)行

1 提水泵站的設(shè)計(jì)

1.1 泵站布置

提水泵站采用直接取水的方式，即利用引水管直接從水庫(kù)當(dāng)中進(jìn)行取水，然后經(jīng)由壓力管道將提取的水送入到出水池當(dāng)中，再經(jīng)由輸水隧洞和輸水管道將水直接輸送到指定地點(diǎn)。該提水泵站的設(shè)計(jì)流量為0.59 m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為55.60 m。

1.2 工程布置

該泵站位于重力壩后、河流右岸山坡下，泵站的主要建筑物如圖1所示。

圖1 泵站的主要建筑圖

廠房的縱軸線采用平行于大壩的方式進(jìn)行布設(shè)，與大壩軸線之間的距離為32.80 m。電站布置在泵站的左側(cè)，變電站布置在泵站右側(cè)的山上，與泵站的主廠房相鄰；進(jìn)水壓力管道由電站的引水管進(jìn)行引水，岔泵處中心高程為285.90 m，引水管共有2根，管徑均為0.80 m，總長(zhǎng)度為83 m，在進(jìn)入泵站主廠房之前，匯入進(jìn)水總管，再由此引出3根支管與水泵進(jìn)行連接；壓力鋼管在出廠房之后直接匯入到出水總管，為使壓力鋼管的布設(shè)能夠避開(kāi)溢流壩挑流沖坑，在對(duì)壓力鋼管進(jìn)行布設(shè)時(shí)，其前段沿著河右岸公路邊行進(jìn)84.50 m后，設(shè)置兩處轉(zhuǎn)彎段，通過(guò)萬(wàn)兩河河道，當(dāng)鋼管過(guò)河之后，沿著河左岸的山坡進(jìn)行布置，管道出口與出水池進(jìn)行連接；出水池布設(shè)在河左岸的上坡上，地面高程約為360 m，樁號(hào)為0+135～0+144，出水經(jīng)由水池消能之后直接進(jìn)入到輸水隧洞。

2 泵站主要建筑物的布設(shè)

2.1 主廠房

泵站的主廠房設(shè)計(jì)尺寸如下：24.80 m×9.80 m×16.25 m（長(zhǎng)、寬、高），廠房?jī)?nèi)共安裝了3臺(tái)離心泵，3臺(tái)離心泵均為臥式單級(jí)雙吸，型號(hào)為SD250-480A，機(jī)組中心距設(shè)計(jì)為5.00 m，安裝高程為286.80 m，配套的同步電機(jī)為3臺(tái)，單臺(tái)電機(jī)的功率P=315 kW。進(jìn)水管和出水管的中心線高程分別為286.40 m和286.50 m，廠房底板與頂高程分別為285.70 m和301.25 m，吊車梁軌頂高程為297.00 m。廠房底板與邊墻的厚度分別為0.70 m和0.60 m，在廠房?jī)?nèi)共計(jì)布設(shè)了5排排架，排架柱的上下柱尺寸分別為0.47 m×0.50 m和0.50 m×0.90 m。在主廠房的左側(cè)位置處布設(shè)了一個(gè)平面尺寸為8.60 m×5.30 m的安裝間，以此作為機(jī)組設(shè)備安裝和檢修的場(chǎng)地，其地面高程為289.20 m，進(jìn)廠大門的寬和高均為4.00 m。根據(jù)電動(dòng)機(jī)整體起吊的要求選擇起重設(shè)備，經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對(duì)比之后，決定選用電動(dòng)型單梁LD橋式起重機(jī)，其容量為3 t、跨度為8.00 m。

2.2 副廠房

泵站的副廠房布置在電站廠房的左側(cè)，位于電站副廠房的上層，副廠房與主廠房之間采用連通的方式進(jìn)行布置，副廠房按照以下尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)：30.50 m×11.54 m×4.60 m，底板頂高程為294.40 m，其中包含了中心控制室、高低壓配電室和休息室等。

2.3 進(jìn)水建筑

泵站利用引水管直接從水庫(kù)當(dāng)中進(jìn)行取水，引水管為壓力鋼管，共計(jì)2根，直徑均為0.80 m，總長(zhǎng)度為83 m，2根引水壓力鋼管在泵房附近匯于1根管徑為1.40 m、長(zhǎng)度為12.50 m的總管上，從總管上分出3根直徑為0.50 m的支管，與水泵進(jìn)行連接。

2.4 壓力鋼管

其總長(zhǎng)度為307.53 m，直徑為1.00 m，在正常運(yùn)行狀態(tài)下的最大水頭設(shè)定為78.00 m，整根壓力管道上，共布置7個(gè)轉(zhuǎn)角，其中水平轉(zhuǎn)角2個(gè)，豎向轉(zhuǎn)角3個(gè)，空間轉(zhuǎn)角2個(gè)，并設(shè)置7個(gè)鎮(zhèn)墩。為了進(jìn)一步提高管道的抗凍性，在管道頂部覆蓋了厚度2 m左右的土。同時(shí)，由于河道的沖刷較深，為確保管道順利過(guò)河，其在河道下的埋深增加至3～4 m，在地勢(shì)較為平緩的位置處，管道底部鋪設(shè)了厚度為0.30 m的砂墊層，在爬坡段，管道底部設(shè)置了厚度為0.30 m的素混凝土底座。

2.5 出水池

泵站的出水池設(shè)置在壓力管道的末端，起平順?biāo)骱拖艿淖饔?，出水池的長(zhǎng)寬深分別為6 m、2 m和1 m，出口的設(shè)計(jì)水位為359.60 m，水池上部設(shè)計(jì)了一個(gè)預(yù)制蓋板和一個(gè)進(jìn)人孔，以便檢修之用。為了避免水池內(nèi)的水在冬季溫度較低的條件下結(jié)冰，在水池蓋板上回填了厚度為1.50 m的碎石土覆蓋層。

3 泵站及壓力管道鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定性分析

3.1 泵站穩(wěn)定性分析

3.1.1 基礎(chǔ)底面的應(yīng)力計(jì)算

由于泵站設(shè)置在大壩后面，因此其不需要承受水平向的壓力荷載，在泵站完建期的工況下，最大的應(yīng)力值將會(huì)出現(xiàn)在基礎(chǔ)底面，鑒于此，只需要對(duì)基礎(chǔ)底面應(yīng)力值進(jìn)行計(jì)算即可，基底應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

3.1.2 泵房的穩(wěn)定性計(jì)算

鑒于泵站布設(shè)的位置，不需要進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性計(jì)算，只需要針對(duì)洪水期進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性計(jì)算。抗浮穩(wěn)定性安全系數(shù)可以按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Kf表示抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；表示作用于泵房基底以上的全部重力（單位：kN）；表示作用于泵房基底上的揚(yáng)壓力（單位：kN）。將相關(guān)數(shù)值帶入到式（2）中，經(jīng)過(guò)計(jì)算后得出泵房運(yùn)行期的抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為2.57，該值大于抗浮穩(wěn)定安全允許值1.10，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 壓力管道鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性分析

鎮(zhèn)墩全部位于花崗片麻巖上，其基礎(chǔ)抗滑和基底應(yīng)力均需要通過(guò)計(jì)算進(jìn)行論證。鎮(zhèn)墩的抗滑穩(wěn)定性可按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Kc表示鎮(zhèn)墩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f表示鎮(zhèn)墩底面與地基之間的摩擦系數(shù)；G代表鎮(zhèn)墩本身的重量（單位：kN）；∑x和分別表示荷載在x軸和y軸方向的投影之和（單位：kN）。7個(gè)鎮(zhèn)墩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 7個(gè)鎮(zhèn)墩的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果表

鎮(zhèn)墩基底應(yīng)力可按照下式進(jìn)行計(jì)算：

1～7#鎮(zhèn)墩的基礎(chǔ)全部位于巖基上，地基的承載力為1800 kPa，經(jīng)過(guò)計(jì)算1～7#鎮(zhèn)墩的最大和最小應(yīng)力值在43～150 kPa之間，符合承載力的要求。

4 確保泵站安全運(yùn)行的有效措施

為了確保泵站投入使用后的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)采取如下措施：首先，應(yīng)在泵站正式投用前做好試運(yùn)行工作，以此來(lái)確保泵站機(jī)組的安全運(yùn)行；其次，要進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)泵站樞紐的管理，如進(jìn)水建筑物、出水建筑物等，為泵站的安全運(yùn)行提供保障；最后，應(yīng)當(dāng)加大對(duì)涵閘的檢查力度，排除各種可能影響泵站安全運(yùn)行的隱患。

[1]王培興.現(xiàn)代化泵站信息化與自動(dòng)化技術(shù)探討[J].水利現(xiàn)代化,2014(10):88-90.

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1673-8853（2016）10-0072-02

2016-05-12

（責(zé)任編輯：趙 鑫）

李雪松（1985-），吉林省大安市人，大學(xué)本科，工程師，研究方向：水利水電工程專業(yè)，水利規(guī)劃方面。