摘要：桐河水利樞紐既有防洪排澇功能，又有生態(tài)補水、蓄水、引水功能，閘站設計時按照防治結合、蓄泄兼顧、以泄為主的原則，在防洪閘選用直升式雙門方案的基礎上，研究了兩座泵站獨立建站方案、共用進水流道方案、兩站合一共用全部方案。推薦的兩站合一共用全部方案結構布置緊湊，采用裝置效率為國內外同類裝置最好水平的低揚程大流量的雙向貫流泵，減少了開挖量和混凝土量，機組共享，工程總費用小，水力性能好，機組在正、反方向運行時均處于高效區(qū)，節(jié)約電能。按照選定的雙向水泵進行設計，投資最省，設備功率小。

關鍵詞：閘站結合;兩站獨立;雙向泵站;貫流水泵;設計方案

中圖分類號：TV375

文獻標志碼：A

doi：10. 3969/j .issn.1000- 1379.2020.01.023

1 工程作用及規(guī)模

桐河泵站位于河南省西南部唐河縣。為將桐河國儲林基地西側2.3 km長濱水地帶進行濕地營造和景觀提升改造，打造唐河縣的一張城市名片——北辰公園，而在桐河入唐河處修建該工程。該工程為上游桐河濕地水位的重要控制工程，兼具生態(tài)補水和防洪排澇的作用。

根據(jù)水文分析，桐河入唐河處，桐河堤防防洪設計標準為20 a一遇，相應水位為99.70 m;唐河堤防防洪設計標準為50a一遇，相應水位為100.57 m;濕地和景觀設計水位為96.00 m。桐河泵站工程任務：一是汛期桐河水位高于唐河水位時，能夠將桐河澇水自流排至唐河;二是汛期桐河水位低于唐河水位且桐河水位處于高水位運行時，為防止唐河水倒灌、減輕桐河的防洪壓力和持續(xù)高水位對濕地營造和景觀的影響，通過泵站將桐河水排至唐河;三是當桐河水位降至濕地營造和景觀需求水位時，攔蓄桐河水;四是當桐河水位較低，不能夠滿足濕地營造和景觀需求水位時，通過泵站加壓將唐河水提升至桐河，從而達到“排有出路，灌有水源，蓄而不澇”[1]之目的。

為保證該水利樞紐區(qū)劃的獨立性、完整性和以流域水系為基本的區(qū)劃單位，減小上下游和相鄰區(qū)域的矛盾，便于管理，結合縣域規(guī)劃，擬建的樞紐修建在桐河匯入唐河口處上游約200 m處。

為完成上述排、灌、蓄、引、調相結合的工程任務，擬建的控制工程包括防洪閘、排澇泵站、供水泵站等。防洪閘在汛期能將桐河洪水泄入唐河，保證桐河大堤安全，汛期后攔蓄桐河水至濕地營造和景觀需求水位的同時，保證唐河高水位不侵襲濕地和景觀。排澇泵站在汛期防洪閘不能自流排泄洪水而關閉閘門時，通過提排將桐河洪水排至唐河，保證桐河堤防安全。供水泵站在濕地營造和景觀需求水位不能滿足要求時，經(jīng)過泵站加壓將唐河水返輸至防洪閘上游。

閘站結合即將防洪閘、泵房的基礎連在一起，構成一個建筑物，從而減少基礎處理，共用翼墻，降低費用和整體工程造價，這樣建筑物布置緊湊，可減少管理人員，達到閘站結合、一站多用之目的。汛期當桐河水位高于唐河水位時，自流排澇;當桐河水位低于唐河水位時，關閉閘門，由泵站將桐河水抽排入唐河。當唐河水位較高時，開啟閘門，可直接引唐河水滿足濕地需要;當唐河水位很高時，關閉閘門，避免唐河洪水給桐河帶來災害。當唐河、桐河水位均較低時，關閉閘門，利用泵站抽唐河水，滿足濕地需求。這種布置既能自引自排，又能抽引抽排，綜合利用效果顯著。

經(jīng)水文分析，各個建筑物規(guī)劃參數(shù)見表1。

2 防洪閘設計

根據(jù)該工程自排、提排、提灌、調蓄等綜合利用功能，閘站布置時按照防制結合、蓄泄兼顧、以泄為主的原則，在滿足防洪閘設計的基礎上，對排澇泵站、供水泵站進行相應設計。

防洪閘按其任務劃分屬于攔河節(jié)制閘，一般選擇在順直、河床穩(wěn)定的河道上，其中心線一般應與河道中泓線相吻合[2]。設計時根據(jù)地質、地形條件，閘室中心線與桐河中心線重合，為直升式水閘，閘室底板采用平底寬頂堰結構，閘室順水流方向長18 m，5孔，單孔凈寬10 m。閘墩上設交通橋、工作橋及啟閉機房等。

擬建的防洪閘除用于宣泄桐河洪水外，在汛期擋唐河水防洪，在枯水期攔蓄桐河河水，設計時經(jīng)過分析采用雙門方案，即閘門設上下門。根據(jù)擋水要求，下部閘門選用10.0 mx6.0 m（寬×高）的平板鋼閘門，上部閘門選用10.0 mx7.5 m（寬×高）的平板鋼閘門。其主要特點為：閘門高度較低，從而減小閘門啟閉設備和上部水工結構高度;閘門運行靈活，利于水位控制。

3 泵站設計研究

3.1 泵站方案

該項目以自排為主，強排、灌溉相結合，因此泵站設計在防洪閘設計的基礎上進行優(yōu)化。實際運行時設計揚程情況下機組啟動的幾率較小，將其揚程在按規(guī)范[3]計算的基礎上增加1 m。其設計流量、特征揚程見表2。設計兩站獨立建站方案（方案一）及兩站合一建站方案，兩站合一建站方案包括共用進水流道方案（方案二）、共用全部方案（方案三）。

3.2 兩站獨立建站方案

兩站獨立建站是在防洪閘布置的基礎上，根據(jù)排水和供水功能的不同，將泵站均布置在防洪閘的左岸，但相對獨立（或分別布置在左、右岸），根據(jù)需要統(tǒng)一調度。根據(jù)表2提供的特征參數(shù)，排澇泵站選擇1200ZLB-135（ +40）水泵2臺，單機功率330 kW布置在防洪閘右岸;供水泵站選擇1200ZLB -7（-40）水泵3臺，單機功率400 kW，布置在左岸。

該布置方案的主要特點：排澇泵站、供水泵站自成體系，有各自獨立的進出水通道，運行靈活方便;進出水均為正向，水流條件較好;采用軸流泵機組，電機不受水的浸沒，使用年限較長;電機為常規(guī)型，可供選擇的生產(chǎn)廠家較多;機組臺數(shù)不受防洪閘順水流方向制約;泵站占地大，現(xiàn)狀堤距不能滿足布置要求;泵站總體裝機容量大，建筑工程投資多，管理人員多。

3.3 兩站合一建站方案

兩站合一方案是兩個功能不同的泵站，根據(jù)其流量、特征揚程相差不大的實際情況，按照包絡線的原理，通過水工結構的合理設置滿足排澇和供水要求。

3.3.1 共用進水流道方案

為使水力機械滿足兩站的參數(shù)，機組設計流量為10.8 m3/s.最高揚程為7.5 m，最低揚程為2.1 m。由于共用進水流道，出水流道相對獨立，機組需要正向進水、側向出水，因此機組順水流方向長度應參考防洪閘順水流方向長度設計，即機組臺數(shù)過多，兩者相差必然較大，水工結構布置整體效果不美觀。據(jù)此選擇1300ZLB-5.5（- 20）水泵2臺，單機功率400 kW。具體布置見圖1。

泵站運行調度：當需要泵站排澇時，關閉防洪閘、閘室2、閘閥1，開啟閘室1，水泵運行，經(jīng)水泵、壓力涵管排水至唐河;當需要灌溉時，關閉防洪閘、閘室1、閘閥2，開啟閘室2，水泵運行，經(jīng)水泵、壓力涵管提水至桐河。

該布置方案的主要優(yōu)點：共用機組設備，泵站總裝機容量減小，水力機械投資相對較小;泵站占地面積小，可全部布置在現(xiàn)狀堤距之間：需要自排時，可以利用共用進出水流道排水，減輕防洪閘壓力。缺點：正向進水，側向出水，出水水流條件不好;壓力箱涵較長，水頭損失相對較大;為滿足雙向運行，工程調度較為復雜;為滿足側向出水，需要修建較為復雜的出水流道，導致建筑工程投資增大;由于機組順河道布置，因此進水有先后，后臺機組效率將降低，特別是機組裝機容量越大，效率降低就越明顯;為照顧雙向運行，所選機組正常水位時在高效區(qū)運行，最高水位、最低水位時機組運行效率相對較低。

3.3.2 共用全部方案

隨著科技的發(fā)展，國內水泵業(yè)制造能力亦在提高，一種雙向潛水貫流泵技術可滿足該工程排澇和灌溉需要，它是潛水電機技術與貫流泵技術結合而產(chǎn)生的新型機電一體產(chǎn)品，將葉片設計成S形，通過電機的正方向運轉滿足水泵雙向抽水的要求。近幾年該方案在蘇州青龍橋樞紐等工程中得到了成功應用‘4]。根據(jù)該工程排澇與灌溉的需要，選擇型號1200QGLNS（ +40）水泵3臺，單機功率為435 kW，平面布置見圖2。

該布置方案的主要特點：進出水流道共用，正向運行的進水流道是反向運行的出水流道，出水流道是反向進水的進水流道，減少了水工投資;泵站占地較小，現(xiàn)狀堤距滿足布置需求;機組共享，水力機械投資較小;無論正向還是反向運行，進、出水流道均為正向，水流順暢，水力性能較好;結構布置緊湊，減少了開挖量和混凝土量，減少了工程占地;機組在正、反方向運行時，均在高效區(qū)，節(jié)約能量。由于采用了潛水電機，因此對電機密封性能提出了更高要求;增加了控制性能.

4 投資分析

該工程為改善生態(tài)環(huán)境、提高城市防洪除澇能力的民生工程，屬于社會公益性項目，在防洪閘方案確定的基礎上，泵站工程的方案對工程投資及建成后的運行費用非常關鍵，因此僅對泵站工程方案進行經(jīng)濟分析。

4.1 主體工程投資

主體工程投資包括建筑工程費用及設備費用，價格水平年為2018年12月，以水利系統(tǒng)有關定額進行投資計算。工程圖紙按照參考資料[5]初步擬定，并對各方案工程量進行詳細計算。泵站各方案主體工程投資見表3，可知，方案三主體工程投資最小，比方案一小33%，比方案二小21%。

4.2 年運行費計算

年運行費包括電力消耗費用、工程維修費、管理人員工資等。

對于電力消耗費用，當用水量一定時，消耗的電能是一定的，只是水泵、電機效率不同引起微小不同，因此不同方案電力消耗費用相差不大。

工程維護費用包括泵站正常運行的易損件和水泵軸承潤滑油、機組檢修排水等費用，根據(jù)已建泵站調研，同規(guī)模的泵站年工程維修費用約18萬元，即按正、反向分別建站時增加年工程維修費用約18萬元。

管理人員工資參考《水利工程管理單位定崗標準》，一般泵站所需技術管理人員為10人[6]，該工程無論正、反向供水均采用高壓泵，因此需管理人員12人，每人每年全部費用約4.5萬元，這樣按正向、反向分別建站增加管理人員工資費用54萬元。

按正向、反向分別建站工程維護費用、管理人員工資合計增加年費用72萬元。

按機電設備報廢年限確定泵站的使用年限n最低20 a，社會折現(xiàn)率i取10%，經(jīng)濟凈現(xiàn)值計算公式為式中：ENPV為凈現(xiàn)值;A為年費用。

計算得到正向、反向分別建站20 a多增加費用折算為凈現(xiàn)值為613萬元。

由此可以看出，雙向泵站不僅主體工程投資最小，而且年運行費用節(jié)省較多。

根據(jù)上述分析，方案三投資最省，按照選定的泵型設備功率較小[7]，綜合工程地形條件、水流流態(tài)、運行管理、投資等方面分析最終采用方案三。

5 設計優(yōu)化及思考

根據(jù)選定的方案三設計時，根據(jù)水泵安裝要求，其水泵層下部為大體積混凝土，為減少工程投資，擬在其邊墩、中墩等部位采用拋石混凝土。泵站上下游閘門均為胸墻結構，且與攔污柵共槽，既節(jié)約了空間，又減少了預埋件、閘門鋼材用量。泵房頂部高程可與防洪閘啟閉機層協(xié)調一致，除了整體美觀外，兼有防洪閘橋頭堡作用。

雙向泵站是隨著電氣控制水平的發(fā)展而在單向泵站的基礎上發(fā)展的，適應于排澇提水、提水灌溉或調蓄等綜合功能任務的水利工程，具有工程造價低、運行費用小、水流條件好、布置緊湊等特點?；趯ν┖涌刂乒こ讨腥芷诘膽门c研究，開展如下應用中的思考。

（1）雙向泵站正向泵站和反向泵站的設計揚程應該相差不大，否則會有一個方向的泵站難以滿足在設計揚程下處于高效區(qū)工作，造成能源浪費。

（2）正向、反向泵站設計流量不盡一致時，可通過選擇兩種不同的機組組合滿足各向流量要求，機組之間可承擔相互備用的功能。但機組種類多時易損件等備品較多，不便于運行管理。

（3）工程設計初期階段可參考文獻[5]對主要結構尺寸、安裝高程要求等進行控制，詳細設計應與設備供貨商研究制定，保證滿足運行管理和水泵不產(chǎn)生有害的汽蝕。

（4）結合工程實際情況，可分析檢修門、攔污柵共用門槽和正、反向門體共用的可行性，以節(jié)約金屬結構用材和減小結構尺寸。

（5）雙向水泵可通過調轉進、出水泵體和改變電機轉向兩種方式操作。調轉進、出水泵體對運行管理人員素質要求高，且頻繁調轉會對其密封性造成損壞，帶來滲漏水量增加的風險，因此盡可能采用改變電機轉向的方式設計，由此增加的設備投資只多約1.2%。

（6）為滿足機組布置要求，其水泵層下部為大體積混凝土結構，為減少工程量和投資，可在其邊墩、中墩等部位采用拋石混凝土、自密實混凝土或增設廊道及在滿足抗浮的基礎上改變整體結構為空箱結構。

（7）按照文獻[3]分析整體穩(wěn)定性時，應保證工程順水流雙向抗滑穩(wěn)定、滲流穩(wěn)定，一個方向的消力池底板就是另一個方向的鋪蓋，應注意滿足雙向滲徑要求和雙向抗浮要求，不宜設置排水孔等措施。建議設置防滲帷幕增大豎向滲徑長度以滿足滲流要求。

（8）雙向泵站一般為地下廠房，為管理方便，建議設計遠程和現(xiàn)地控制。

（9）由于對電機和密封性能要求較高，因此設備招標時應提出對供應商必要的資質要求，特別是高壓泵站，不宜按最低價中標原則招標。

6 結語

根據(jù)工程自排、提排、提灌、調蓄等綜合利用功能和參數(shù)，結合實際，防洪閘選用了直升式雙門方案，減小閘門啟閉設備和上部水工結構高度，閘門運行較為靈活。經(jīng)過三個方案的定性與定量分析，采用裝置效率達到國內外同類裝置最好水平[8]的低揚程、大流量的貫流泵，且為雙向貫流泵，結構布置緊湊，減少了水工、水力機械投資，水流順暢，水力性能較好。機組在正反方向運行時均在高效區(qū)，節(jié)約了電能。

參考文獻：

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[6]李西平，李璐，徐俊峰，任坡泵站提水設計方案比選[J].人民黃河，2011，33（7）：147-148.

[7]武漢水利電力學院，機電排灌設計手冊[Ml.北京：水利電力出版社.1977：31.

[8]水利部農村水利水土保持司，中國泵站工程[M].北京：水利電力出版社.1993：19.

【責任編輯 張華巖】

收稿日期：2019- 06-19

作者簡介：袁榆梁（1981-），男，湖北武漢人，高級工程師，主要從事水利工程規(guī)劃設計工作