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        桃源縣農(nóng)村飲水安全工程取水系統(tǒng)改造方案要點(diǎn)淺析

        2017-05-12 01:53:03何澤建
        湖南水利水電 2017年2期
        關(guān)鍵詞:橡膠管潛水泵浮筒

        何澤建

        (湖南德江監(jiān)理有限公司 常德市 415700)

        桃源縣農(nóng)村飲水安全工程取水系統(tǒng)改造方案要點(diǎn)淺析

        何澤建

        (湖南德江監(jiān)理有限公司 常德市 415700)

        在農(nóng)村飲水安全工程中,取水系統(tǒng)經(jīng)常受到外界因素的影響和破壞,造成大面積停水事故,影響人們的正常生產(chǎn)生活。文章總結(jié)了供水工程多年的營運(yùn)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單、實(shí)用的取水方案,并對各部分進(jìn)行了計(jì)算論證和優(yōu)缺點(diǎn)比較,有利于農(nóng)村飲水安全工程鞏固提升,促進(jìn)水利事業(yè)向前發(fā)展。

        農(nóng)村飲水安全 取水系統(tǒng) 改造要點(diǎn)

        1 問題的提出

        桃源縣是一個(gè)山區(qū)、丘陵、平原兼有的大縣,總面積4 442.3 km2,轄27鄉(xiāng)鎮(zhèn)97.13萬人口,縣內(nèi)溪河縱橫,水系發(fā)育,湖南四大河流之一的沅水橫貫全境。 水利工程設(shè)施星羅棋布,全縣共有大型水庫2座、中型水庫8座、小型水庫310座、防洪堤垸7座、電力機(jī)埠泵站786處、塘壩近6萬口。特別是農(nóng)村飲水安全工程發(fā)展非常迅速,自2006年國家啟動(dòng)農(nóng)村飲水安全工程建設(shè)以來,到2015年底,全縣共有1 000 m3/d以上的供水工程33處,(200~1000)m3/d供水工程16處,(20~200)m3/d供水工程16處,20 m3/d以下的供水工程65處等。解決了桃源縣27個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))、6個(gè)國營林場、66所農(nóng)村中小學(xué)生共計(jì)69.43萬人飲水安全問題。

        由于這些水廠起步較早,建設(shè)和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)不足,加之規(guī)模較小、投資有限等,對供水工程的取水系統(tǒng)沒有進(jìn)行全面的計(jì)算論證,通過10多年的運(yùn)行,出現(xiàn)了取水泵房多次被洪水淹沒,取水井內(nèi)泥砂淤積嚴(yán)重,取水棧橋被沖毀等事故。取水系統(tǒng)出現(xiàn)事故后,停水時(shí)間長、涉及人口多、修復(fù)工程量大,修復(fù)后有可能造成二次事故,給廣大居民的正常生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。

        2 改造方案要點(diǎn)分析

        “十三五”以來,桃源縣農(nóng)村飲水安全工程己進(jìn)入到鞏固提升階段,為了把這項(xiàng)工作真正落到實(shí)處,筆者通過多年來的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),按照投資少、實(shí)用性大、適應(yīng)性廣的原則,推薦一個(gè)取水方案,其設(shè)計(jì)原理如圖1所示,包括取水電機(jī)、支撐控制、活動(dòng)連接三個(gè)部分。

        圖1 取水方案原理示意圖

        2.1 取水電機(jī)部分

        取水電機(jī)采用浮筒式潛水泵, 該水泵能漂浮在水面上, 可以隨水位的變化自由升降, 取水深度為(1~3)m,始終取表層水,不受水面風(fēng)浪雜物的影響,同時(shí)可以控制底部泥沙的進(jìn)入。安裝檢修方便快捷,由于該設(shè)備是成套產(chǎn)品,安裝時(shí)直接推入水中,檢修時(shí)又可直接拉到岸邊。該設(shè)備噪聲小,無占地要求,不影響通航和漁業(yè)養(yǎng)殖等。

        浮筒式潛水泵主要由浮筒、潛水泵、固定鋼架組成。浮筒是一個(gè)用玻璃鋼或不銹鋼制成的密閉容器,其容積大小根據(jù)阿基米德浮力定律計(jì)算確定。即浸在液體里的物體受到向上的浮力,浮力大小等于物體排開液體所受的重力。

        式中 F浮——整套設(shè)備的總重量,一般考慮1.5倍的安全系數(shù)。假定整套設(shè)備的總重量為1 000 kg,那么F?。?.5×1 000×10=15 000 N;

        ρ液——水的密度:1.0×103kg/m3;

        g=10 N/kg;

        V排——所求浮筒的容積(m3),經(jīng)計(jì)算V排=1.5 m3。

        由此可見,浮筒容積的大小是隨所選設(shè)備重量計(jì)算決定的,如果選用成套產(chǎn)品,生產(chǎn)廠家己經(jīng)進(jìn)行計(jì)算論證,不需要重復(fù)計(jì)算。

        潛水泵可根據(jù)工程要求選擇各種類型的潛水泵,但需要進(jìn)行流量、揚(yáng)程等技術(shù)參數(shù)的計(jì)算論證。

        潛水泵流量按凈水廠的水處理能力來確定,同時(shí)需考慮凈水廠的自用水量(一般取為10%),假定凈水廠的水處理能力為125 m3/h,那么:潛水泵流量Q泵=125 x(1+0.1)=137.5 m3/h,選型時(shí)與潛水泵系列型譜參數(shù)接近即可。

        潛水泵揚(yáng)程=凈水構(gòu)筑物頂部高程-取水點(diǎn)最低限制水位高程+輸水管道水頭損失+流速水頭。

        假定:凈水構(gòu)筑物頂部高程為100 m、取水點(diǎn)最低限制水位高程60 m、流速水頭取為2 m。輸水管道水頭損失需要計(jì)算,其計(jì)算步驟如下:

        (1)輸水管徑計(jì)算。

        式中 d——管道內(nèi)徑(m);

        Q——管道流量 (m3/s),取為137.5 m3/h,即0.038 2 m3/s;

        V——管中水的流速(1~2 m/s)取為1.5 m/s。

        經(jīng)計(jì)算d=0.181 m,即可選用內(nèi)徑為d=200 mm波紋橡膠管。

        (2)沿程水頭損失計(jì)算。

        根據(jù)公式:h沿=i×L

        i=0.000 915×(Q1.774/d4.774)

        式中 h沿——沿程水頭損失(m);

        Q——管段計(jì)算流量(m3/s),取為137.5 m3/h即0.038 2 m3/s;

        d——管道有效計(jì)算內(nèi)徑(m),d=0.2 m;

        L——管段長度(m),假定輸水管長500 m;

        i——單位管長水頭損失(m/m)。

        h沿=i×L=0.000 915* (Q1.774/d4.774)×L=0.000 915×(0.03821.774/0.24.774)×500=3.03 m。

        (3)局部水頭損失計(jì)算。

        管道局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計(jì)算:

        h局=0.1×h沿=0.1×3.03=0.3 m。

        (4)輸水管道總水頭損失。

        輸水管道總水頭損失=h沿+h局=3.03+0.3=3.33m。

        由此可以推求潛水泵揚(yáng)程=100-60+3.33+2=45.33 m,選型時(shí)與潛水泵系列型譜參數(shù)接近即可。

        水泵電動(dòng)機(jī)應(yīng)選用與水泵配套的干式全封閉潛水三相異步電動(dòng)機(jī),可以長期浸入水中運(yùn)行,具有傳統(tǒng)機(jī)組無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。

        固定鋼架用來連接浮筒和潛水泵,固定鋼架與浮筒焊接為一體,保證穩(wěn)定性,潛水泵置于固定鋼架內(nèi),用螺栓連接緊固。根據(jù)取水現(xiàn)場條件,潛水泵也可通過鋼絲繩和固定鋼架連接。見圖2。

        圖2 浮筒式潛水泵結(jié)構(gòu)示意圖

        2.2 支撐控制部分

        支撐控制采用鋼絞軟連接結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由支墩、鋼絲繩和手拉葫蘆組成。正常運(yùn)行時(shí),通過手拉葫蘆的鏈條作為伸縮段將鋼絲繩完全拉緊,將波紋橡膠管懸空,這時(shí)波紋橡膠管可以不受水面風(fēng)浪和雜物的影響。當(dāng)需要檢修調(diào)整時(shí),可以通過手拉葫蘆將鋼絲繩完全放松,將波紋橡膠管放到水面上進(jìn)行檢修和調(diào)整。

        支墩位置一般選擇在地基堅(jiān)固的自然山體上,用長(3~5)m鋼樁打入地基內(nèi)構(gòu)成支柱。如果地基強(qiáng)度不夠,可以采用現(xiàn)澆混凝土和加雙鋼樁的辦法予以加固。

        鋼絲繩采用普通鋼絲繩,也可采用不銹鋼制的鋼絲繩,鋼絲繩的長度隨支墩的位置來確定,并留有足夠尾繩,尾繩只用于安裝檢修時(shí)調(diào)整浮筒式潛水泵的位置,可用其他繩索代替。鋼絲繩選型計(jì)算步驟如下:

        (1)鋼絲繩的載荷計(jì)算。鋼絲繩承受的主要載荷是波紋橡膠管的自重和管內(nèi)水體的重量。假定水面寬200 m,波紋橡膠管的長度取為100 m。鋼絲繩的載荷G=波紋橡膠管的自重+管內(nèi)水體的重量(d= 200 mm波紋橡膠管按5 kg/m計(jì)算)。

        G=100×5+3.1415×(0.2/2)2×100×1 000=3 650 kg。

        鋼絲繩受到的張力按力的平行四邊形法則進(jìn)行合成,根據(jù)余弦定理進(jìn)行計(jì)算:

        即F合2=F12+F22-2F1F2cos20°其中:F1=F2F合=G

        經(jīng)計(jì)算:F1=F2=10 550 kg(即105.5 kN)。

        圖3為鋼絲繩受力分析示意圖。

        圖3 鋼絲繩受力分析示意圖

        (2)鋼絲繩的標(biāo)記。按照國家標(biāo)準(zhǔn)《一般用途鋼絲繩》(GB/T 20118-2006)3.3的規(guī)定,鋼絲繩的標(biāo)記方法按(GB/T 8707-88)規(guī)定:如,鋼絲繩30ZAB6× 19W+IWR1770ZZ567。這表示該鋼絲繩直徑 30.0 mm,AB級鍍鋅鋼絲,由6股捻制,每股有19根鋼絲,瓦林吞式鋼絲繩,金屬絲繩芯,鋼絲公稱抗拉強(qiáng)度1 770 MPa,右同向捻,最小破斷拉力為567 kN。

        起重作業(yè)中最常用的是6×19型和6×37型鋼絲繩。

        6×19型鋼絲繩用做纜風(fēng)繩、拉索及制作起重索具,一般用于受彎曲載荷較小或遭受磨損的地方,有抗直拉力強(qiáng)和耐磨損的優(yōu)點(diǎn)。

        6×37型鋼絲繩用于起重作業(yè)中捆扎各種物件、設(shè)備及穿繞滑車組和制作起重用索具。適用于繩索受彎曲的地方,有抗彎曲載荷強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

        由此可見:本方案選用6×19型鋼絲繩比較適合。

        (3)鋼絲繩的受力計(jì)算。鋼絲繩允許承受的最大拉力是有一定限度的,超過這個(gè)限度,鋼絲繩就會(huì)被破壞或拉斷,因此在工作中需對鋼絲繩的受力進(jìn)行計(jì)算。

        ① 鋼絲繩的破斷拉力計(jì)算。

        鋼絲繩的破斷拉力可從相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)直接查出,考慮鋼絲繩捻制時(shí)使每根鋼絲受力不均勻,整根鋼絲繩的破斷拉力應(yīng)按下式計(jì)算:

        式中 SP——整根鋼絲繩的破斷拉力(kN);

        ΣSi——鋼絲繩設(shè)備手冊提供的鋼絲破斷拉力總和(kN);

        Ψ——鋼絲捻制不均折減系數(shù)。

        對6×19型繩,Ψ=0.85;對6×37型繩,Ψ=0.82。

        由國家標(biāo)準(zhǔn)查出30ZAB6×19W+IWR1770ZZ567型鋼絲繩破斷拉力總和為567 kN,那么:整根鋼絲繩的破斷拉力為:

        ② 鋼絲繩的破斷拉力估算。

        在工作現(xiàn)場,一般缺少圖表資料,同時(shí)也不要求精確計(jì)算,此時(shí)可采用下式估算鋼絲繩的破斷拉力:

        式中 SP——整根鋼絲繩的破斷拉力(kN);

        d——鋼絲繩的直徑(mm)。

        30ZAB6×19W+IWR1770ZZ567型鋼絲繩破斷拉力SP=500 d2=500×302/1 000=450 kN。

        與上式計(jì)算結(jié)果481.95 kN相差為6.6%。

        ③ 鋼絲繩許用拉力計(jì)算。

        鋼絲繩的安全系數(shù)是為了保證起重作業(yè)的安全而設(shè)定的,不同用途的鋼絲繩安全系數(shù)大小各不相同,安全系數(shù)取值如表1。

        表1 不同用途鋼絲繩的安全系數(shù)(K)

        破斷拉力與許用拉力之比為安全系數(shù),設(shè)鋼絲繩的許用拉力P,則:

        式中 P——鋼絲繩的許用拉力(kN);

        SP——鋼絲繩的破斷拉力(kN);

        K——鋼絲繩的安全系數(shù);

        d——鋼絲繩的直徑(mm)。

        30ZAB6×19W+IWR1770ZZ567型鋼絲繩,破斷拉力估算SP=0.5 d2=0.5×302=450 kN,用做拖拉繩時(shí),取K=3.5,則:

        許用拉力P=SP/K=450/3.5=128.57 kN>鋼絲繩的張力105.5 kN。

        由此可見:本方案選用 30ZAB6×19W+ IWR1770ZZ567型鋼絲繩滿足要求。

        由表2可知:選用30ZAB6×19W+IWR1870ZZ599型鋼絲繩更加安全可靠。

        表2 3×19型鋼芯鋼絲繩破斷拉力對照表

        手拉葫蘆是一種常用的起吊工具,由于鋼絲繩受到的張力為10.5 t,本方案擬選用20 t的手拉葫蘆可以滿足工程要求,但手拉葫蘆起升量作為整個(gè)支撐控制部分的伸縮量,其長度要求(5~10)m,能夠滿足鋼絲繩完全起升和放松即可。

        2.3 活動(dòng)連接部分

        活動(dòng)連接采用雙聯(lián)卡環(huán)。雙聯(lián)卡環(huán)由鋼絲繩卡、活動(dòng)連接片和水管抱箍組成。鋼絲繩卡與鋼絲繩緊固連接時(shí),與雙聯(lián)卡環(huán)緊固連接。活動(dòng)連接片與水管抱箍通過開口銷活動(dòng)連接,以便安裝和拆卸。水管抱箍與波紋橡膠管通過不銹鋼螺栓緊固連接,水管抱箍上留有電纜線孔。

        鋼絲繩卡選型時(shí)大小與所選鋼絲繩配套即可。鋼絲繩卡與鋼絲繩緊固連接,每隔1.5 m設(shè)置一個(gè),沿鋼絲繩均勻分布。

        活動(dòng)連接片采用自制T型鋼結(jié)構(gòu),其豎直長度一般為0.2m,其中1#、2#、3?;顒?dòng)連接片的豎直長度分別為0.5m、0.4m、0.3m,以便波紋橡膠管能夠圓滑連接。

        水管抱箍采用自制Ω型鋼結(jié)構(gòu),其內(nèi)徑與波紋橡膠管的外徑一致,用不銹鋼螺栓與波紋橡膠管緊固連接,每隔1.5m設(shè)置一個(gè),沿波紋橡膠管均勻分布。電纜線孔的大小以能夠順利穿過電纜線即可。見圖4。

        圖4 雙聯(lián)卡環(huán)示意圖

        3 整體安裝與調(diào)試

        取水設(shè)備整體安裝時(shí)。①通過尾繩將鋼絲繩拉到水泵取水點(diǎn)處(約1/2水面寬度)。②在岸邊將波紋橡膠管與浮筒式潛水泵連接牢固后推入水中,通過活動(dòng)連接片將鋼絲繩與波紋橡膠管兩者連接為一體,在連接1?;顒?dòng)連接片時(shí)波紋橡膠管應(yīng)留有自由伸縮長度(2~3)m和懸空長度(3~5)m,并在懸空管段上涂刷等長紅黑相間的油漆作為警示標(biāo)志。③繼續(xù)拉動(dòng)鋼絲繩將浮筒式潛水泵慢慢拉到取水點(diǎn)位置。④將鋼絲繩固定在支柱上后通過手拉葫蘆拉緊鋼絲繩,使鋼絲繩和波紋橡膠管全部懸空,懸空高度通過觀察油漆標(biāo)志來確定。⑤全面檢查,檢查時(shí)可以通過用力搖動(dòng)鋼絲繩的方法來判定各部分連接是否完好。⑥檢查無誤后,即可向電機(jī)通電試運(yùn)行。⑦通水后,由于鋼絲繩上荷載加大而下垂,需繼續(xù)通過手拉葫蘆慢慢拉緊鋼絲繩,直到恢復(fù)正常即可。⑧取下尾繩子,鎖緊手拉葫蘆,再次全面檢查。

        水位變化時(shí),浮筒式潛水泵可通過預(yù)留的波紋橡膠管伸縮長度自由升降。但是,當(dāng)水位上升到一定程度后時(shí),可以在1?;顒?dòng)連接片右側(cè)添加活動(dòng)連接片,當(dāng)水位下降到一定程度后時(shí),可以拆除1?;顒?dòng)連接片及左側(cè)活動(dòng)連接片。每添加或拆除一個(gè)活動(dòng)連接片,波紋橡膠管就縮短或伸長1.5 m。因在鋼絲繩上預(yù)留有活動(dòng)連接片,在波紋橡膠管預(yù)留有抱箍,添加或拆除時(shí)只需裝拆螺栓和開口銷,非常方便快捷。

        4 方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

        4.1 方案的優(yōu)點(diǎn)

        該取水方案沒有取水泵房、取水井及取水棧橋等水工建筑物,免除了取水泵房被洪水淹沒,取水井被泥砂淤積,取水棧橋被沖毀等問題的困擾。取水泵可隨水位變化自由升降,始終取表層水,滿足農(nóng)村飲水安全工程的基本要求。輸水管道用鋼絲繩懸空,不受水面風(fēng)浪雜物的影響。安裝檢修方便、無占地要求,同時(shí)可以縮短工期、節(jié)約投資等。

        4.2 方案的缺點(diǎn)

        (1)該方案支撐控制部分的鋼絲繩及手拉葫蘆承受的張力比較大,因此在選擇該設(shè)備時(shí)應(yīng)適當(dāng)大一些,要求留有足夠余量。

        (2)該方案適用于寬200 m左右水面上。如果水面太寬,鋼絲繩和波紋橡膠管都會(huì)較長,增大鋼絲繩荷載,也增加安裝檢修難度。

        (3)該方案要求波紋橡膠管直徑d≤315mm。如果波紋橡膠管直徑過大,正常運(yùn)行時(shí),波紋橡膠管里的水體也將會(huì)增大鋼絲繩荷載,因此該方案特別適用于供水規(guī)模為160 m3/h及以下的集中供水工程。

        (4)該方案所選設(shè)備均安置于露天或水下,其材質(zhì)均有防銹、防水要求。

        5 結(jié)語

        本取水方案是在總結(jié)吸取桃源縣130處集中供水工程10年?duì)I運(yùn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后,取其精華而產(chǎn)生的,具有原理清晰、結(jié)構(gòu)簡單、投資少、實(shí)用性大,適應(yīng)性廣等諸多優(yōu)點(diǎn)?!笆濉币詠恚以纯h農(nóng)村飲水安全工程己進(jìn)入到鞏固提升階段,本取水方案具有一定的推廣使用價(jià)值。

        [1]王燮山.理論力學(xué)[M].北京.水利電力出版社,1983.

        [2]GB/T 20118-2006.一般用途鋼絲繩[S].

        2017-02-08)

        何澤建(1977-),男,湖南常德人,大學(xué)本科,高級工程師,目前從事水利水電工程施工監(jiān)理工作。

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