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        淺談隧洞內(nèi)長距離高揚(yáng)程抽排水方案的制定與實(shí)施

        2017-06-23 09:37:56
        四川水力發(fā)電 2017年3期
        關(guān)鍵詞:泵站施工

        郝 利 軍

        (中國水利水電第五工程局有限公司,四川 成都 610066)

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        淺談隧洞內(nèi)長距離高揚(yáng)程抽排水方案的制定與實(shí)施

        郝 利 軍

        (中國水利水電第五工程局有限公司,四川 成都 610066)

        介紹了朝陽二標(biāo)5#支洞工作面的排水特點(diǎn)、施工方案的總體思路、抽排水設(shè)備配置情況、計(jì)算及附屬排水設(shè)施配置情況,可供類似工程參考。

        朝陽二標(biāo);隧洞施工;排水方案;制定與實(shí)施

        1 工程概述

        朝陽二標(biāo)項(xiàng)目位于遼寧省北票市和朝陽市雙塔區(qū)境內(nèi),主體工程為引水隧洞和地下泵站,包括壓力引水隧洞、地下廠房洞室群及其附屬洞室、交通洞、機(jī)電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)安裝等工程。

        引水隧洞為有壓洞,全長約12 km。開挖斷面為圓拱斜墻,開挖面積約20 m2,屬于小斷面,平均坡度為0.007 6%,成洞直徑3.9 m。另外,分別布置了5#、6#、7#、8#四條施工支洞,長度分別為1 245 m、880 m、1 120 m、1 215 m。支洞斷面為圓拱直墻型,開挖斷面尺寸為5.2 m×5.25 m (寬×高),均為倒坡,坡度約11%~13.7%。

        洞室部位除中生代沉積的復(fù)成分礫巖、礫巖、砂巖、頁巖外,大部分洞室部位的弱風(fēng)化~新鮮狀巖石均為中硬巖~堅(jiān)硬巖。

        工程穿越地區(qū)地下水主要為松散類孔隙水、基巖裂隙水,賦水性較差,基巖裂隙水地下水活動(dòng)微弱;穿越斷層破碎帶等構(gòu)造發(fā)育部位為構(gòu)造裂隙水,其賦水性較好,滲透性較強(qiáng),易產(chǎn)生涌水或突水,影響洞室穩(wěn)定。

        2 排水特點(diǎn)

        2.1 排水揚(yáng)程大

        5#支洞口底板高程為216 m,支洞與主洞交叉口底板高程為72 m,高差為144 m,支洞縱坡坡比為13.7%??紤]到排水管路的水頭損失,水泵的實(shí)際揚(yáng)程遠(yuǎn)大于地形揚(yáng)程。

        2.2 排水距離長

        5#支洞長度為1 245 m,采用兩級排水,兩臺泵水平距離超過620 m。

        2.3 涌水量較大

        工程穿越地區(qū)的地下水主要為松散類孔隙水、基巖裂隙水,賦水性較差,基巖裂隙水地下水活動(dòng)微弱;穿越斷層破碎帶等構(gòu)造發(fā)育部位為構(gòu)造裂隙水,其賦水性較好,滲透性較強(qiáng),易產(chǎn)生涌水或突水,影響洞室穩(wěn)定。各支洞及控制主洞段滲水量見表1 。

        表1 各支洞及控制主洞段滲水量計(jì)算表

        3 抽排水方案設(shè)計(jì)的總體思路

        3.1 抽排水分期

        根據(jù)對支洞與主洞坡度、設(shè)計(jì)出水量、供電線路負(fù)荷及排水費(fèi)用等方面考慮,朝陽二標(biāo)隧洞施工主要分兩個(gè)階段安排:

        第一階段,支洞開挖排水期水量較少,可以采用兩級或三級排水,采取移動(dòng)泵站與固定泵站結(jié)合的形式進(jìn)行接力排水。

        第二階段,主洞開挖排水期水量逐漸增加,采用兩級排水,在支洞與主洞交叉口附近設(shè)置較大的集水坑,中部設(shè)中轉(zhuǎn)集水坑,采取固定的泵站進(jìn)行接力排水。

        鑒于主洞內(nèi)的坡度特別緩,故抽排水方案的整體思路主要考慮支洞部分。5#支洞排水系統(tǒng)縱斷面布置情況見圖5。

        圖1 5#支洞排水系統(tǒng)縱斷面布置簡圖

        3.2 抽排水方案選擇的難點(diǎn)

        (1)在設(shè)計(jì)過程中,每個(gè)隧洞對應(yīng)的涌水值是一個(gè)估算值,實(shí)際施工時(shí)可能水量較大,若選擇排水能力小則可能導(dǎo)致安全隱患;實(shí)際施工時(shí),也可能水量較小,若選擇排水能力大則導(dǎo)致施工成本增加。

        (2)設(shè)計(jì)圖中僅給出正常水量,而未給出最大涌水量。因此,如何確定水量的基本參數(shù),只能根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)。

        (3) 一次性投入泵站、管路及相關(guān)配件的成本大,因此,必須經(jīng)過反復(fù)比選才能確定比較經(jīng)濟(jì)、合理的方案。

        3.3 抽排水方案的比選

        根據(jù)隧洞內(nèi)涌水及抽水泵站位置的設(shè)計(jì),項(xiàng)目部進(jìn)行了方案論證比選,提出了3種不同方案,并對方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)比選。

        方案一:一主一備一管路。該方案是采用一臺水泵滿足排水量及揚(yáng)程要求;一臺作為備用,只在更換、維修設(shè)備時(shí)使用;設(shè)一條排水管路。該方案的特點(diǎn)是泵站排水能力大,安裝使用方便,但設(shè)備功率大,啟動(dòng)電壓大,負(fù)荷集中,對變壓器及供電線路要求高且浪費(fèi)嚴(yán)重。

        方案二:兩泵兩管路。該方案是2臺水泵同時(shí)開啟時(shí)滿足排水量及揚(yáng)程要求,每一個(gè)水泵設(shè)置一條管道。該方案的特點(diǎn)是1臺水泵不滿足要求、需2臺水泵同時(shí)開啟,安裝時(shí)間較長,且使用時(shí)需同時(shí)關(guān)注2臺泵的運(yùn)行工況。在最大排水量時(shí),如遇設(shè)備故障維修則耽誤現(xiàn)場施工,需配備備用水泵,但該設(shè)備功率較小,啟動(dòng)電壓低,對變壓器及供電線路要求較低,前期水量較小時(shí)一臺水泵開啟即可滿足要求,節(jié)約用電量及水泵成本。

        方案三:兩泵一管路。該方案是2臺水泵同時(shí)開啟時(shí)滿足排水量,且單臺水泵開啟滿足揚(yáng)程要求,2臺水泵共用一條管道。該方案的特點(diǎn)是1臺水泵不滿足要求、需2臺水泵同時(shí)開啟,管道內(nèi)流速較快,對安裝精度及水管質(zhì)量要求較高,且使用時(shí)需注意開啟的先后時(shí)間;在最大排水量時(shí),如遇設(shè)備故障維修則要耽誤現(xiàn)場施工,需配備備用水泵,但設(shè)備功率較小,啟動(dòng)電壓低,對變壓器及供電線路要求較低,前期水量較小時(shí),一臺水泵開啟即可滿足要求,節(jié)約用電量及管路成本。

        通過對三種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選,最終確定采用方案三。根據(jù)方案三的思路選擇管道類型和尺寸、水泵型號、水泵揚(yáng)程及排水量。

        4 排水設(shè)備配置計(jì)算

        4.1 抽水能力

        抽水設(shè)備的抽水能力計(jì)算按照正常排水量的120%考慮。5#支洞抽水設(shè)備的抽水能力為1.2×132.4=158.8(m3/h)。

        4.2 水泵排水能力(流量)

        水泵排水能力Q的計(jì)算公式為:

        Q=c/m×q

        式中c為涌水不均勻系數(shù),取 值 范 圍 為1.3~

        1.5,取1.4;m為水泵時(shí)間利用系數(shù),取值范圍為0.8~0.85,取0.85;q為涌水量。

        Q=1.4/0.85×158.8=262(m3/h)。經(jīng)計(jì)算,泵站總排水量需大于262 m3/h,并有一定富裕量為宜。

        4.3 水泵揚(yáng)程

        水泵揚(yáng)程H的計(jì)算公式為:

        H=(L1+L2)×sina(1+K)

        式中L1為排水管長度,采用兩級排水,取1 245/2=622.5(m);L2為吸水管長度,取2 m;K為管路阻力換算揚(yáng)程系數(shù),取0.2;a為排水管路傾角,取6°。

        H=(622.5+2)×sina(1+0.2)=78.33(m),經(jīng)計(jì)算,水泵額定揚(yáng)程需大于79 m,并有一定富裕高程為宜。

        4.4 水泵的選擇

        通過上述計(jì)算并考慮到洞內(nèi)水泵的運(yùn)行環(huán)境及維修更換方便程度,在支洞與主洞交叉口附近的較大集水坑和中部中轉(zhuǎn)集水坑各配置4臺55 kW離心泵(揚(yáng)程103 m,流量112 m3/h,效率70%),其中1臺備用;2臺37 kW離心泵(揚(yáng)程87 m,流量60 m3/h,效率70%),其中1臺備用。

        4.5 排水管的選擇

        3臺55 kW水泵和1臺37 kW水泵為一組,并聯(lián)一根排水管,水泵效率取值0.7。

        排水管D=232 mm,選取φ250排水管。

        若出現(xiàn)超出最大涌水量的情況,可以考慮利用供風(fēng)管應(yīng)急排水。抽水設(shè)備隨主洞施工進(jìn)度、涌水量的增加,逐步由小到大配置到位,以滿足施工抽排水的需要。

        根據(jù)隧洞寬度及風(fēng)水管布置高度與寬度情況,考慮到在洞內(nèi)施工時(shí)、特別是行車出渣對管路的影響以及重復(fù)利用率,最終選擇采用螺旋焊接管作為排水管路。

        5 附屬排水設(shè)施

        5.1 水泵自動(dòng)化裝置

        水泵自動(dòng)化裝置主要采用三相微電腦水位控制器控制水泵運(yùn)行,其具有的主要功能與優(yōu)點(diǎn):

        (1)集水坑水深達(dá)到設(shè)定高度水泵自動(dòng)啟動(dòng),水位下降到一定高度水泵自動(dòng)停止運(yùn)行。

        (2)集水坑有兩臺水泵時(shí),在設(shè)定第一水位時(shí),較小功率水泵運(yùn)行,或者兩臺較大功率水泵自動(dòng)輪換工作。一臺工作水泵出故障時(shí)自動(dòng)切斷電源,另一臺水泵自動(dòng)投入工作。當(dāng)水位上升到設(shè)定的第二水位時(shí),兩臺水泵自動(dòng)啟動(dòng),同時(shí)工作。

        (3)具有短路、過流、過熱等保護(hù)裝置。

        (4)具有各種工作狀態(tài)、水位及各種事故信號。

        (5)自動(dòng)化系統(tǒng)安全可靠,節(jié)省勞動(dòng)力,提高抽水效率。

        5.2 集水坑的設(shè)置

        (1)支洞與主洞交叉口集水坑的設(shè)置。考慮到周邊鋼支撐防護(hù),預(yù)留不少于50 cm的保護(hù)距離,開挖長條形集水坑,深度不小于2 m,儲水容積按照設(shè)計(jì)出水量30 min計(jì)算,132×0.5=66(m3),設(shè)計(jì)尺寸為8 m×3 m×3 m(長×寬×高),設(shè)計(jì)容量為72 m3;中轉(zhuǎn)集水坑儲水容積按照設(shè)計(jì)出水量15 min計(jì)算,132×0.25=33(m3),設(shè)計(jì)尺寸為6 m×3 m×2.5 m(長×寬×高),設(shè)計(jì)容量為45 m3。

        (2)根據(jù)洞內(nèi)寬度及行車要求,集水坑占用了行車寬度。為解決上部通車問題,特別設(shè)計(jì)了集水坑保護(hù)蓋板(型鋼骨架作為支撐,上部鋪設(shè)0.8 cm厚鋼板防護(hù)蓋板,鋼板上部焊接螺紋鋼做防滑處理),防護(hù)蓋板靠近水泵一側(cè)上部安裝了型鋼及鋼筋篦子,以便于安裝吸水管、水泵自動(dòng)化裝置并觀察集水坑使用狀態(tài)。

        (3)集水坑周圍設(shè)置防護(hù)欄桿、安全警示標(biāo)志及警示彩帶。

        (4)為便于后期清理、避免淤泥堵塞水泵進(jìn)水口,集水坑按照3級沉淀池設(shè)計(jì)。

        5.3 排水管路的安全保證措施

        (1)鋼管連接采用法蘭盤加橡膠密封墊。

        (2)排水管每隔300 m設(shè)置閘閥及止回閥并預(yù)留抽排水接口,以備超大涌水時(shí)使用。

        (3)洞內(nèi)風(fēng)水管路在集水坑處預(yù)留排水接口,以備應(yīng)急使用。

        5.4 供電保證措施

        (1)備用一趟鋁芯電纜2×240+120,以備超大涌水時(shí)供電使用。

        (2)在支洞與主洞交叉口集水坑前部設(shè)置三相全自動(dòng)補(bǔ)償電力穩(wěn)壓器SBW-500 kVA一臺,當(dāng)電壓降低至304 V時(shí)仍能維持穩(wěn)定輸出電壓380 V,保證大功率用電器穩(wěn)定電力的供應(yīng)。

        (3)在洞口配置備用發(fā)電機(jī)組,發(fā)電機(jī)容量不小于630 kW,與主變壓器設(shè)置自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān),緊急停電時(shí),以方便及時(shí)轉(zhuǎn)換為備用發(fā)電。

        (4)所有電源啟動(dòng)均采用相匹配的啟動(dòng)柜和開關(guān)柜,所有水泵采用一泵、一線、一箱、一閘、一漏和三項(xiàng)五線制。

        5.5 排水溝

        按照設(shè)計(jì)圖紙布置排水溝,尺寸為400 mm×150 mm(寬×深),排水管路及集水坑布置在排水溝一側(cè),所有排水溝最終均與集水坑相連。

        6 注意事項(xiàng)

        (1)排水系統(tǒng)由專人負(fù)責(zé)運(yùn)行、維護(hù)、管理,24 h值班。要求水泵廠家專業(yè)技術(shù)人員做專門培訓(xùn),合格后方可上崗并定期現(xiàn)場指導(dǎo)服務(wù)。

        (2)做好抽排水泵站的設(shè)備保養(yǎng)及集水坑日常清理工作,定期檢查、維修水泵及管路。

        (3)對水泵進(jìn)水口包裹鐵窗紗,距集水坑底板高度不小于50 cm,可以防止污泥及雜物進(jìn)入而發(fā)生堵塞。

        (4)定期檢查抽排水供電線路,盡量避免因供電線路問題導(dǎo)致的抽水中斷,抽排水人員隨時(shí)關(guān)注用電安全。

        (5)施工時(shí)隨時(shí)存在突發(fā)大涌水的可能,應(yīng)備有足夠的移動(dòng)式潛水泵,隨時(shí)準(zhǔn)備應(yīng)急。

        (6)洞外應(yīng)設(shè)置三級沉淀池,洞內(nèi)抽排出的污水經(jīng)沉淀后排放。

        (7)應(yīng)做好突發(fā)涌水的應(yīng)急預(yù)案并進(jìn)行應(yīng)急演練,加強(qiáng)施工人員的安全培訓(xùn)。

        7 結(jié) 語

        朝陽二標(biāo)項(xiàng)目隧洞施工排水方案采用移動(dòng)泵站與固定泵站相結(jié)合、分期分段多種方式相結(jié)合的抽排方式,對洞內(nèi)排水系統(tǒng)提前籌劃、為主洞正常施工提供了有利保障,同時(shí)很好地保證了施工安全,滿足了施工進(jìn)度要求。目前朝陽二標(biāo)5#支洞施工已完成,正在施工主洞。支洞出水量約為30 m3/h,小于設(shè)計(jì)給出的50 m3/h滲水量,僅開啟一臺37 kW水泵即可滿足抽排水要求。目前看:施工排水系統(tǒng)水泵排水能力設(shè)計(jì)富裕量偏大,但抽排水系統(tǒng)發(fā)揮作用明顯。隧洞內(nèi)抽排水方案既需要理論計(jì)算,也要參考類似工程經(jīng)驗(yàn),排水能力既不能過大,也不能過小,隧洞抽排水必須備用一定量的水泵以備更換維修或突然涌水時(shí)使用。

        [1] 鐵道部第二工程局.鐵路工程施工技術(shù)手冊[M].北京:中國鐵道出版社,1995.

        [2] 鐵路隧道輔助坑道技術(shù)規(guī)范,TB10109-95[S].

        [3] 鐵路隧道防排水技術(shù)規(guī)范,TB10119-2000[S].

        (責(zé)任編輯:李燕輝)

        2017-04-23

        TV554;TV51;TV52

        B

        1001-2184(2017)03-0087-04

        郝利軍(1982-),男,山西渾源人,項(xiàng)目總工程師,工程師,學(xué)士,從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作.

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