魏紅彤，唐 瑋

(中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

港區(qū)雨水泵站設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析與探討

魏紅彤，唐 瑋

(中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

對(duì)于不能采用重力自流排放雨水的港區(qū)來(lái)說(shuō)，雨水泵站的建設(shè)屬于“生命線”工程，對(duì)保證港區(qū)生活生產(chǎn)有序進(jìn)行和防止堆存貨物受淹起到至關(guān)重要的作用。通過(guò)某港區(qū)雨水泵站建設(shè)為例，對(duì)泵站的選址、設(shè)計(jì)能力、水泵選型、運(yùn)行控制等設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析與探討。

港區(qū)；雨水泵站；設(shè)計(jì)

近年來(lái)，隨著全球氣候變暖，極端天氣的頻繁出現(xiàn)，暴雨、特大暴雨不斷刷新有降雨資料統(tǒng)計(jì)以來(lái)的歷時(shí)記錄，由此造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。從宏觀上人類應(yīng)與自然和諧發(fā)展，避免氣候惡化；從微觀上排水系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)應(yīng)合理、排水設(shè)施應(yīng)及時(shí)疏通和維護(hù)。

目前，港區(qū)雨水收集后排至受納水體分為：(1)依靠地形高差和管網(wǎng)前后水力差重力自流排至受納水體，但受到場(chǎng)地地形及與受納水體地勢(shì)高差等因素影響，且重力自流排水又分為自由出流和淹沒(méi)出流[1]。(2)采用雨水泵站提升方式排至受納水體，雨水泵站可保證雨水及時(shí)、快速和安全排放，但需增加雨水泵站工程投資及泵站的日常維護(hù)和管理。

本工程在防汛大堤內(nèi)側(cè)建設(shè)一座雨水泵站，內(nèi)設(shè)5臺(tái)潛水軸流泵，雨水經(jīng)提升后通過(guò)2根Φ2 000管道排入受納水體(長(zhǎng)江)。下面就結(jié)合本工程雨水泵站建設(shè)實(shí)例，對(duì)泵站的選址、設(shè)計(jì)能力、水泵選型、運(yùn)行控制等設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析與探討。

圖1 港區(qū)平面布置圖Fig.1 Plane layout of harbor area

1 工程概況

本工程位于上海市，長(zhǎng)江口南港南岸的五號(hào)溝地區(qū)，北面與長(zhǎng)興島隔江相望，西北與外五期港區(qū)相鄰。工程共建設(shè)5個(gè)大船泊位，包括1個(gè)10萬(wàn)t級(jí)和2個(gè)7萬(wàn)t級(jí)集裝箱泊位、2個(gè)5萬(wàn)GT汽車滾裝泊位，內(nèi)側(cè)2個(gè)長(zhǎng)江駁泊位，設(shè)計(jì)年通過(guò)能力210萬(wàn)TEU和73萬(wàn)輛汽車，碼頭岸線長(zhǎng)1 538 m，陸域總面積為196 hm2。港區(qū)平面布置見(jiàn)圖1。

2 雨水泵站建設(shè)背景

本工程地處長(zhǎng)江大堤外的灘地上，港區(qū)陸域?yàn)榇堤钚纬桑蹍^(qū)陸域高程的確定原則，首先考慮運(yùn)輸車輛對(duì)路面的坡度要求，并盡量減少港區(qū)陸域形成的回填量及與港外道路的銜接等因素；且港區(qū)陸域高程的確定又要受到新建防汛大堤的防汛閘門底高程和港區(qū)進(jìn)出港道路與市政道路銜接高程限制，防汛閘門底高程為7.0 m，港區(qū)進(jìn)出港道路與市政道路銜接高程為5.0 m；同時(shí)也要保證本工程陸域高程與相鄰工程平順銜接。因此本工程陸域高程確定為5.0～5.6 m，從碼頭前沿坡向陸域[2]。

而受納水體長(zhǎng)江設(shè)計(jì)高水位為4.22 m，50 a一遇的極端高水位為5.81 m，陸域地面高程為5.0～5.6 m，且陸域縱深為1 200 m，此時(shí)雨水依靠重力自流排至受納水體已不現(xiàn)實(shí)，因此港區(qū)雨水排放需采用雨水泵站提升方式排至受納水體，以保證港區(qū)排水安全。

3 雨水泵站設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

3.1泵站選址

根據(jù)長(zhǎng)江防汛要求，本港區(qū)外側(cè)將新建防汛大堤，防汛大堤頂高程為9.5 m，可滿足200 a一遇高潮位和12級(jí)臺(tái)風(fēng)組合工況的防汛要求。本工程雨水收集采用雨水管道、雨水口和雨水明溝的組合收集方式，由于雨水泵工作性能多為大流量、低揚(yáng)程，泵站選址應(yīng)靠近受納水體，便于雨水經(jīng)提升后及時(shí)快速排放，避免因泵站排出管過(guò)長(zhǎng)而增加水頭損失，同時(shí)泵站位于雨水管網(wǎng)末端中部可減少雨水收集管道長(zhǎng)度和埋深，最大限度地實(shí)現(xiàn)雨水及時(shí)、快速收集和提升排放[3]。

因此，本工程雨水泵站建在防汛大堤內(nèi)側(cè)，并根據(jù)水利部門要求，雨水泵站距離防汛大堤坡腳線應(yīng)不小于20 m；另外雨水泵供電負(fù)荷相對(duì)較大、且年運(yùn)轉(zhuǎn)頻次不高，為保證泵站供電安全及減少電損，泵站選址也應(yīng)結(jié)合供電負(fù)荷情況統(tǒng)一考慮。

雨水泵站排出管采用穿越防汛大堤埋管敷設(shè)方式，堤外排水口采用寬10～15 m，長(zhǎng)13 m的擴(kuò)散式消力池，池內(nèi)拋大石塊，池后30 m范圍內(nèi)用土工模袋混凝土護(hù)灘，兩側(cè)10 m范圍內(nèi)采用海墁拋石保護(hù)。

3.2泵站設(shè)計(jì)流量

港區(qū)陸域總面積為196 hm2，其中東側(cè)16 hm2的場(chǎng)地雨水排至五號(hào)溝內(nèi)，西側(cè)35 hm2的場(chǎng)地雨水排至相鄰工程雨水泵站內(nèi)，本工程雨水泵站僅負(fù)責(zé)145 hm2的場(chǎng)地雨水排放。

(1)上海地區(qū)暴雨強(qiáng)度計(jì)算公式[4]。

式中：Q為雨水設(shè)計(jì)流量，Ls；q為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度，Ls·hm2;φ為徑流系數(shù)；F為匯水面積，hm2；TE為暴雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min 。

雨水徑流量在匯水面積和徑流系數(shù)一定情況下，僅與暴雨重現(xiàn)期有關(guān)，本工程雨水重現(xiàn)期根據(jù)工程建設(shè)時(shí)所采用的《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014-2006)要求選取2 a，經(jīng)計(jì)算本工程雨水徑流量為11.0 m3s。

目前，港區(qū)雨水徑流量都是按“非超標(biāo)”降雨進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)出現(xiàn)“超標(biāo)”降雨時(shí)，易形成內(nèi)澇，而提高雨水泵站設(shè)計(jì)能力不是簡(jiǎn)單的按規(guī)范選取重現(xiàn)期，應(yīng)結(jié)合工程所在地多年降雨實(shí)測(cè)資料推求降雨重現(xiàn)期。

隨著近些年極端天氣的頻繁出現(xiàn)，根據(jù)實(shí)測(cè)降雨資料推求的降雨重現(xiàn)期往往比規(guī)范推薦選取的重現(xiàn)期大，基于此點(diǎn)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(修訂版)已規(guī)定可根據(jù)工程所在地實(shí)際降雨資料推求重現(xiàn)期。

(2)泵站設(shè)計(jì)能力。

雨水泵站設(shè)計(jì)能力應(yīng)與雨水管道過(guò)流能力相匹配，目前雨水管道過(guò)流能力是按滿管無(wú)壓流理論進(jìn)行計(jì)算的，當(dāng)發(fā)生“超標(biāo)”降雨時(shí)，匯入的雨水管道流量要大于滿管無(wú)壓流時(shí)的管道過(guò)流能力，此時(shí)管道內(nèi)的流態(tài)邊界條件變?yōu)橛袎毫?，隨著管道內(nèi)壓升高，流速加大，管道過(guò)流能力大大提高，從而導(dǎo)致泵站設(shè)計(jì)能力小于管道過(guò)流能力。

同時(shí)結(jié)合《上海市標(biāo)準(zhǔn)雨水泵站設(shè)計(jì)規(guī)程》要求[5]，本工程雨水泵站設(shè)計(jì)流量取雨水徑流量的1.2倍，經(jīng)計(jì)算雨水泵站設(shè)計(jì)能力為13.2 m3s。

3.3泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程

泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程由泵站進(jìn)水管道底標(biāo)高與受納水體潮位差和管路系統(tǒng)水頭損失等綜合確定，其中水頭損失包括吸水喇叭口水頭損失、收縮管路水頭損失、出水管道水頭損失等，水頭損失計(jì)算公式如下。

式中：h為水頭損失，m；ξ為局部阻力系數(shù)；v為平均流速，ms。

表1 受納水體(長(zhǎng)江)潮位參數(shù)表Tab.1 Tidal levels of the receiving water(Yangtze River)

表2 泵站特征高程參數(shù)表Tab.2 Characteristic elevations of pumping station

泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程計(jì)算如下。

①當(dāng)受納水體潮位(表1)達(dá)到100 a一遇高潮位6.05 m時(shí)，此時(shí)雨水泵站仍能正常工作。

②根據(jù)《上海市標(biāo)準(zhǔn)雨水泵站設(shè)計(jì)規(guī)程》要求[5]，泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程應(yīng)為集水池的最低水位與出口河道之高水位的差值，出口河道一般應(yīng)取與管網(wǎng)設(shè)計(jì)相應(yīng)頻率的高水位[4](表2)。由于港區(qū)雨水管網(wǎng)暴雨重現(xiàn)期為2 a，所以泵站按2 a一遇的高潮位4.87 m作為受納水體的設(shè)計(jì)水位，此時(shí)雨水泵站集水池對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)水位為0.60 m。

③管路水頭損失取1.0 m，富余水頭取0.5 m。

經(jīng)計(jì)算，泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程為5.77 m，最高揚(yáng)程為6.95 m。

3.4水泵選型

(1)水泵型式選擇。

雨水泵特點(diǎn)是大流量、低揚(yáng)程，根據(jù)水泵特性，通常按比轉(zhuǎn)速ns對(duì)水泵進(jìn)行分類，比轉(zhuǎn)速ns≤300采用離心泵，比轉(zhuǎn)速300

比轉(zhuǎn)速ns計(jì)算公式如下

式中：n為水泵轉(zhuǎn)速,rmin；Q為水泵流量,m3s；H為水泵揚(yáng)程,m。

經(jīng)計(jì)算本工程雨水泵的比轉(zhuǎn)速ns>500，屬于高比轉(zhuǎn)速水泵，則選用軸流泵，軸流泵工作原理是依靠旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片對(duì)液體產(chǎn)生的作用力使液體沿泵軸方向輸送的水泵，根據(jù)軸系布置又分為立軸、臥軸(即貫流泵)、斜軸(又稱斜式軸流泵或斜式貫流泵)3種形式[4]。

圖2 水泵性能曲線Fig.2 Characteristic curve of pump

考慮到本工程雨水泵站設(shè)計(jì)流量大，揚(yáng)程低，為降低噪音對(duì)工作環(huán)境的影響，故選用潛水軸流泵，采用潛水軸流泵有利于減少泵站輔助設(shè)備數(shù)量，也有利于泵站運(yùn)行，同時(shí)潛水泵具有三重組合密封防泄漏、超溫、過(guò)電流等多種自動(dòng)保護(hù)裝置，已成為一種技術(shù)成熟的泵型。

(2)水泵臺(tái)數(shù)選擇。

根據(jù)泵站設(shè)計(jì)流量和適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)降雨情況的出現(xiàn)，可按降雨量選擇性啟動(dòng)水泵臺(tái)數(shù)，最大限度保證泵站運(yùn)行調(diào)度的靈活性和備件的互換性，避免配置大流量水泵運(yùn)行代價(jià)過(guò)高。

工程采用5臺(tái)雨水潛水軸流泵，型號(hào)為900ZDB-70×(-2°)，單臺(tái)水泵流量為2.635 m3s，揚(yáng)程為6.95 m，電機(jī)功率250 kW。900ZDB-70×(-2°)潛水軸流泵性能曲線見(jiàn)圖2，性能參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 水泵性能參數(shù)表Tab.3 Characteristic parameters of pump

3.5泵站布置形式

根據(jù)水泵工作特點(diǎn)及進(jìn)出水管標(biāo)高要求，泵站采用地下式矩形結(jié)構(gòu)，泵站主要由進(jìn)水管、進(jìn)水池、格柵井、集水池、潛水軸流泵、出水池和出水管等組成。

泵站布局為：進(jìn)水管→進(jìn)水井→進(jìn)水池及閘門井→格柵井→集水池→潛水軸流泵→出水池→出水管→受納水體。

泵站平面布置見(jiàn)圖3，泵站工藝流程見(jiàn)圖4。

圖3 泵站平面布置圖 圖4 泵站工藝流程圖 Fig.3 Plane layout of pumping station Fig.4 Process flowchart of pumping station

泵站主體分進(jìn)水池、集水池和出水池三部分組成，泵房雨水由2根φ2 000進(jìn)水總管進(jìn)入進(jìn)水池內(nèi)，進(jìn)水管管底標(biāo)高為-1.40 m，池內(nèi)設(shè)φ1 800閘門三座，采用螺桿啟閉機(jī)，具有電動(dòng)和手動(dòng)功能。泵站主體平面尺寸為28.4 m×18.0 m(長(zhǎng)×寬)，采用沉井結(jié)構(gòu)刃腳底面標(biāo)高-5.5 m，頂標(biāo)高為6.05 m。雨水通過(guò)進(jìn)水池后進(jìn)入泵房集水池，集水池容積滿足水泵30 s排水流量，然后通過(guò)鋼格柵，流速小于1.2 ms，格柵安裝角為70°，人工清污，雨水經(jīng)過(guò)格柵后進(jìn)入流道，五臺(tái)泵均為敞開(kāi)式喇叭口進(jìn)水，雨水經(jīng)水泵提升后通過(guò)浮箱式止回閥進(jìn)入出水池，出水池頂標(biāo)高為8.6 m，滿足防洪要求，池內(nèi)設(shè)閘門3座，其中2座連接出水管，規(guī)格為φ2 000，雙向受壓，一座為水泵試車用規(guī)格為φ1 600，單向受壓。

為保證進(jìn)水水流平穩(wěn)，進(jìn)水總管在進(jìn)水池前設(shè)雨水放大井，以漸擴(kuò)管形式進(jìn)入進(jìn)水池，水流在進(jìn)水池內(nèi)得到消能，并使進(jìn)水正向進(jìn)入集水池中。

出水池和進(jìn)水池之間設(shè)置回流管道，設(shè)置回流管道的作用：(1)用于水泵試車，此時(shí)關(guān)閉出水管閘門，水泵出水經(jīng)回流管回流至進(jìn)水池，供水泵試車用水；(2)泵站檢修清淤時(shí)作為超越管，此時(shí)關(guān)閉進(jìn)水池閘門，水泵浮箱拍門自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)港區(qū)水位高于出水管水位時(shí)，可直接通過(guò)回流管道直接外排。

最后，雨水經(jīng)提升后通過(guò)2根Φ2 000穿堤鋼管排入受納水體(長(zhǎng)江)，并在出口處設(shè)置消力池，以保證出口流速控制在0.5 ms內(nèi)，以避免對(duì)船舶航行產(chǎn)生影響[2]。

3.6泵站運(yùn)行控制

泵站控制系統(tǒng)采用PLC控制方式，具有自動(dòng)控制和手動(dòng)控制功能。在自動(dòng)控制模式下，泵站控制根據(jù)液位和水泵運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)啟動(dòng)水泵及臺(tái)數(shù)，在故障和事故時(shí)報(bào)警。在手動(dòng)控制模式下，水泵開(kāi)啟、關(guān)閉可通過(guò)泵站控制柜的操作面板手動(dòng)控制完成。

為適應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)降雨，水泵開(kāi)啟原則：(1)當(dāng)水位達(dá)到-0.2 m時(shí)，開(kāi)啟1臺(tái)水泵；(2)水位上升至0.00 m時(shí)，開(kāi)啟2臺(tái)水泵；(3)水位上升至0.2 m時(shí)，開(kāi)啟3臺(tái)泵；(4)水位上升至0.4 m時(shí)，開(kāi)啟4臺(tái)水泵；(5)水位上升至0.6 m時(shí)，開(kāi)啟5臺(tái)水泵。

水泵的運(yùn)行主要以水位的高低選擇開(kāi)啟水泵及臺(tái)數(shù)，水泵開(kāi)車為閉閘啟動(dòng)，要逐臺(tái)開(kāi)啟，逐臺(tái)關(guān)閉，當(dāng)發(fā)生超高或超底水位時(shí)，PLC則需發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并調(diào)整進(jìn)水閘門的開(kāi)啟和關(guān)閉水泵。

目前，本工程雨水泵站水泵實(shí)際運(yùn)行是采用人工啟停，不能完全依靠水位自動(dòng)啟停，初步分析有兩方面原因：(1)泵站進(jìn)水水流不穩(wěn)，雖然泵站進(jìn)水池前設(shè)置雨水放大井，但遇到強(qiáng)降雨時(shí)不能完全起到消能作用；(2)水泵抽吸時(shí)將會(huì)引起水位波動(dòng)，此時(shí)水泵自動(dòng)啟動(dòng)水位間隔僅有20 cm，易造成水泵頻繁誤啟動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，雨水泵站選址應(yīng)結(jié)合港區(qū)地面高程、受納水體、雨水管網(wǎng)布置等因素綜合考慮，以保證雨水及時(shí)、快速和安全排放及減少管網(wǎng)埋深為原則進(jìn)行選址；水泵揚(yáng)程應(yīng)按管網(wǎng)進(jìn)水水位和受納水體潮位差及管路水頭損失合理確定；雨水泵流量及臺(tái)數(shù)選取應(yīng)依據(jù)雨水設(shè)計(jì)流量和降雨強(qiáng)度合理配置，以使雨水泵提升流量和開(kāi)啟臺(tái)數(shù)與降雨過(guò)程相適應(yīng)；水泵依靠水位自動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)設(shè)有進(jìn)水水流平穩(wěn)的消能措施，自動(dòng)啟動(dòng)的水位間隔差應(yīng)避免水泵抽吸產(chǎn)生的影響。

[1]魏紅彤，陳維升，蘇逢春.港區(qū)雨水重力淹沒(méi)出流排水安全性分析[J].水運(yùn)工程，2012(7)：98-101. WEI H T，CHEN W S, SU F C. Safety analysis of harbor rainfall drown out gravity flow drainage[J].Port and Waterway Engineering, 2012(7)：98-101.

[2]中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司.上海港外高橋港區(qū)六期工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].北京：中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，2006.

[3]GB50265-2010,泵站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]GB50014-2006,室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]DBJ08-22-91,上海市標(biāo)準(zhǔn)雨水泵站設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

Analysis and discussion on design points of harbor rainwater pumping station

WEIHong-tong,TANGWei

(CCCCWaterTransportationConsultantsCo.,Ltd.,Beijing100007,China)

The construction of the rainwater pumping station is a lifeline project for the port area where gravity drainage is not allowed. The rainwater pumping station has played a vital role in the protection of orderly production and the prevention of storing goods from being flooded. Taking a certain rainwater pumping station as an example, the design points were analyzed and discussed by focusing on the site of the pumping station, the drainage capacity, the mode of rainwater pump and the system operation control.

harbor area; rainwater pumping station; design

TU 991.35

：A

：1005-8443(2017)04-0416-05

2017-01-05；

：2017-02-16

魏紅彤(1978-)，男，黑龍江省蘭西縣人，高級(jí)工程師，主要從事港口工程給排水、消防、環(huán)保、安全、油品裝卸工藝設(shè)計(jì)研究。

Biography： WEI Hong-tong(1978-), male, senior engineer.