秦 放

（山西省中部引黃工程建設管理局，山西 太原 030001）

中部引黃工程斜井排水系統(tǒng)設備選型計算

秦 放

（山西省中部引黃工程建設管理局，山西 太原 030001）

當斜井開挖過程中遇涌水，施工設備淹沒、泥灰?guī)r遇水軟化、地基土如遇水浸泡將導致支持基礎減弱、工作面巖體崩潰等隱患，不僅對施工進度、安全、質量等造成直接影響，更會對整個工程的運行造成損失。合理的設備選型，不僅需要滿足排水系統(tǒng)需要的排水量、揚程，還需要符合工程所需，并力求高效節(jié)能。本文就斜井排水系統(tǒng)設備進行選型計算，以為類似隧道施工工程提供參考。

斜井；涌水；損失；排水系統(tǒng)；選型計算；合理選型

1 概述

1.1 工程概況

山西中部引黃工程施工23標處于西干線輸水隧洞樁號西15+081.8～西26+018.7 m段，總長10 936.9 m，縱坡1/3 000，本標段除主洞工程外還包含6號～9號施工支洞。

7號支洞位于中陽縣任家山南，設計總長1279.08m，城門洞型，凈寬3.65 m，凈高3.2 m，直墻高2.0 m，頂拱中心角133°，半徑1.99 m，進口底高程1 328.01 m，交叉段底高程948.023 m，坡比32.43%。

1.2 涌水情況概述

施工過程中，在里程K1+135 m處掘進遇涌水，涌水量達30～45 m3/h。實際涌水量是設計涌水量的80余倍，導致原排水系統(tǒng)排水能力不足，致使掌子面淹沒，無法進行開挖作業(yè)，被迫停工進行洞內排水。

涌水水頭噴射距離約2 cm～10 cm，主要來自地下水及雨水。地下水以潛水為主，局部存在承壓水；雨水通過周邊地層裂縫形成潛流補給。水流顏色為無色，含沙率極低，相對排水設備可忽略不計。

2 排水系統(tǒng)設計原則

一是結合現(xiàn)場實際情況，7號支洞正常涌水量按照35 m3/h設計，最大涌水量按照50 m3/h設計。二是根據(jù)《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規(guī)范》的要求：排水泵的能力，應能在20 h內排出礦井24 h的正常涌水量，備用水泵能力不應小于工作水泵能力的70%。工作和備用水泵的總能力，應能在20 h內排出礦井24 h的最大涌水量。檢修水泵的能力不應小于工作水泵能力的25%。三是對開挖面附近的移動水泵進行適當加強，所配移動泵的排水能力按該斷面最大涌水量的2倍配備。四是經相關手冊計算，支洞掌子面開挖最大施工廢水為3.1m3/h、一次支護最大施工廢水為4.2m3/h。根據(jù)施工工藝安排，施工廢水排放按20 m3/d設計。

3 選泵要點

目前定型生產的各類葉片式泵的使用范圍是相當廣泛的，而其中離心泵、軸流泵、混流泵和往復泵等排水泵的使用范圍各具有不同的性能。往復泵的使用范圍側重于高揚程、小流量。軸流泵和混流泵的使用范圍側重于低揚程、大流量。而離心泵的使用范圍則介乎兩者之間，工作區(qū)間最廣，本工程適用于葉片式離心泵。

根據(jù)管網(wǎng)排水量合理選擇不同性能的泵，做到大小兼顧，在運行中可靈活調節(jié)，以求得最經濟的效果。由于本工程管網(wǎng)內實際流量變化不大，故采用通過開啟水泵臺數(shù)的方式對管網(wǎng)內排水量進行調節(jié)。為方便泵站運行管理及維護檢修，本工程工作水泵及備用水泵選擇同型號水泵。離心泵的經濟工作范圍（即高效段），一般在0.85 Qp～1.15 Qp之間（Qp為泵銘牌上的額定流量值）。選泵時應充分利用各泵的高效段。應盡量選用效率較高的泵，即盡量選用大泵。

4 排水系統(tǒng)總體布置

4.1 排水泵

每個泵站采用3臺ISW 80-315B型離心泵單級單吸臥式離心泵，1臺為工作水泵、1臺為備用水泵、1臺為檢修水泵。工作水泵及備用水泵采用并聯(lián)的方式進行連接至排水管路上，由于泵站空間小，檢修水泵暫不安裝在管路上，水泵間間距至少為50 cm，以便于水泵安裝與拆卸，水泵設置在水倉上方，采用橫向架設16 a工字鋼、腹板向上，根據(jù)離心泵螺孔位在工字鋼腹部造孔，2榀工字鋼安裝一臺離心泵。

4.2 水倉

支洞掘進中，宜分段設置水倉。結合本工程支洞長度及高差，水倉每間距210 m設置一個，里程K1+258 m處水倉的設置需考慮到支洞封堵問題，以減少封堵工程量。

據(jù)礦山工程強制性條文規(guī)定，隧洞區(qū)間水倉有效容量應能容納4 h正常涌水量，隧洞底部水倉有效容量應能容納8 h正常涌水量。

由于支洞斷面小，水倉設置宜不占用施工空間，安裝在人行道一側，并設置格柵，便于管理及雜質清理。水倉設置時，由于挖機無法進入洞室施工，還應考慮機械出渣問題。

4.3 管路

工作管路及備用管路管材宜選用無縫鋼管或焊接鋼管，管徑及管壁厚度需進行計算及校核后選型，受施工空間斷面影響，鋼管連接宜選用法蘭連接。設置在人行道一側，便于管理及檢修。排水管上需裝設緩閉止回閥和全開閘閥。

4.4 供配電

工作水泵及備用水泵供電線路不得小于兩回路，且應引自變壓所得不同母線段。當任一回路因故障停止供電時，其余回路應能滿足最大涌水量時的全部負荷，設備的控制回路和輔助設備的電源，必須設置與主要設備同等可靠的備用電源。

排水泵高壓電動機的高壓控制設備應具有短路、過負荷、接地和低電壓釋放保護功能。低壓電動機控制設備應具有短路、過負荷、單相斷線、低電壓、漏電閉鎖保護裝置及遠程控制裝置。

5 排水系統(tǒng)選型計算

5.1 排水泵必須的排水能力

水泵排水能力按公式（1）計算。

式中：Q——排水泵應具備的總排水能力，m3/h；

Qb——涌水量，m3/h。

經計算，正常涌水量為35 m3/h，施工廢水排水量為20 m3/d時，水泵必須有的排水能力為42.96 m3/h；最大涌水量為50 m3/h，施工廢水排水量為20 m3/d時，水泵必須有的排水能力為61.00 m3/h。

5.2 管路內徑選擇

管路應能配合工作水泵及備用水泵在20 h內排出礦井24 h的最大涌水量，則管路按照最大涌水量進行設計，即：

5.2.1 排水管內徑選擇

排水管路內徑根據(jù)公式（2）計算：

式中：dp——排水管內徑，m；

Q——工作水泵具備的總排水能力，m3/h；

vp——排水管經濟流速，m/s；一般取1.5～2.2 m/s。

經計算，排水管管路采用內徑為100 mm的焊接鋼管。

5.2.2 吸水管內徑選擇

經計算，吸水管管路采用內徑為Φ125 mm的焊接鋼管。

5.2.3 管路長度

根據(jù)排水系統(tǒng)總體布置，每段排水管主管長度約計210 m，排水管支管每段約計為0.5 m，吸水管長度約計為2 m。

5.3 管路阻力系數(shù)計算

5.3.1 沿程阻力系數(shù)

沿程阻力系數(shù)采用舍維列夫公式計算，即：

式中：λx——吸水管沿程阻力系數(shù)；

λp——排水管沿程阻力系數(shù)。

經計算，吸水管沿程阻力系數(shù)為0.039 2；排水管沿程阻力系數(shù)為0.041 9。

5.3.2 局部阻力系數(shù)

管路上附件的局部阻力系數(shù)從《給水排水設計手冊》查得，管路阻力系數(shù)R按公式（3）計算：

式中：R——管路阻力系數(shù)，s2/m5；

g——重力加速度，m/s2；

lx（lp）——吸（排）水管的長度，m；

dx（dp）——吸（排）水管的內徑，m；

λx（λp）——吸（排）水管的沿程阻力系數(shù)；

∑ζx（∑ζp）——吸（排）水管附件局部阻力系數(shù)之和。

經計算，管路阻力系數(shù)為8.13×10-3h2/m5。

5.4 管路特性

根據(jù)上述計算，排水管路特性H為：

式中：K——考慮水管內徑由于污泥淤積后減小而引起阻力損失增大的系數(shù)，K取1.7；

Hsy——側地高度，即吸水井最低水位至排水管出口間的高度差，m。

根據(jù)公式，取8個流量值并求得管路揚程，詳見表1。

表1 流量取值及管路揚程參數(shù)

5.5 排水泵選擇

根據(jù)管路特性選擇ISW 80-315B型單級單吸臥式離心泵，該水泵性能參數(shù)見表2。利用曲線相交法或者數(shù)解法（最小二乘原理）求得水泵在管路中的工況點為：QM=48.8 m3/h，HM=99.2 m。

表2 ISW 80-315B型單級單吸臥式離心泵性能參數(shù)表

5.6 檢驗校核

5.6.1 排水時間校核

經計算，正常涌水時，1臺工作水泵工作時每天的排水小時數(shù)Tz為17.63 h，小于20 h，滿足規(guī)范要求；最大涌水時，1臺工作水泵與1臺備用水泵同時工作時每天的排水小時數(shù)Tmax為12.5 h，小于20 h，滿足規(guī)范要求。

5.6.2 經濟性校核

經計算，排水泵在工況點運行下的效率ηM為0.42。

5.6.3 管中流速校核

經計算，管中流速為1.73 m/s,管中經濟流速一般為1.5～2.2 m/s，排水管流速在經濟流速范圍內。

5.6.4 排水泵吸水高度校核

葉片式泵的吸水高度，是建立在泵吸入口能夠形成必要的真空值的基礎上，泵真空值太小，水抽不上來，真空值太大，則產生氣蝕現(xiàn)象。實際使用中應以泵樣本中給定的允許吸上真空高度或者給定的必須的汽蝕余量作為限度值進行排水泵吸水高度校核。根據(jù)給定的必須的汽蝕余量對吸水高度進行校核，計算得Hs為5.822 m，吸水高度滿足要求。

5.6.5 排水管壁厚校核

排水管擬采用壁厚為4 mm的焊接鋼管，經計算，管壁承壓強度為0.279 cm，小于0.4 cm，滿足要求。

考慮到小端面斜井的管路機械強度和隧洞管路長的問題，且不設置備用管路，則需適當加大管路管壁厚度。

5.7 電耗計算

按正常涌水量對全年排水電耗W估算約為2.41×105kW·h。

6 結論

排水系統(tǒng)設備選型計算，是根據(jù)擬建泵站的高差、管長、環(huán)境等因素，從理論的角度對其進行管路特性及水泵特性的計算，從而合理的進行排水系統(tǒng)的設備選型，使泵站運行達到高效性。水泵是泵站的主要設備，為排水系統(tǒng)設計中的重要一環(huán)，其合理的選型，直接影響泵站的運行和投資。按照上述計算進行配置的排水系統(tǒng)，經現(xiàn)場實際抽排，效果理想，可為類似工程提供參考。

TU823

C

1004-7042（2017）11-0023-03

秦放（1989-），男，2012年畢業(yè)于華北水利水電學院農業(yè)水利工程專業(yè)，助理工程師。

2017-09-17；

2017-10-24