陳緒勛，吳 瑕， 張建濤，潘少斌，黃 成

(1. 湖北省水利水電科學(xué)研究院，武漢430070；2. 湖北省節(jié)水研究中心，武漢 430070； 3.湖北拓宇科技有限公司，湖北 荊州 434300)

1 概 述

對(duì)于水源為河流的小型提水泵站，因河流的水位變幅較大，一般采取移動(dòng)式泵站，其裝置主要分為定點(diǎn)作業(yè)式和流動(dòng)作業(yè)式，其中定點(diǎn)作業(yè)式泵站又可分為浮船式(含浮箱式)、纜車(chē)式、潛水吊裝式[1]，在農(nóng)田灌溉、生活供水、應(yīng)急抗旱等多方面均有廣泛應(yīng)用。

浮船式移動(dòng)泵站[2,3]主要由泵船、水上水泵機(jī)組、出水管、兩側(cè)斜拉梁、旋轉(zhuǎn)管接頭等設(shè)備組成，主要適用水源水位變幅大(大于10 m)、水位漲落速度慢(小于2 m/h)、河岸較陡停泊條件良好的河道[4]。其優(yōu)點(diǎn)在于運(yùn)行可靠，不易淤塞，性能優(yōu)越；主要缺點(diǎn)在于投資造價(jià)較高，施工難度大，施工工期長(zhǎng)，設(shè)備安裝、維護(hù)困難。

纜車(chē)式移動(dòng)泵站[5,6]主要由軌道、出水管道、泵車(chē)、水上水泵機(jī)組和多個(gè)耦合口組成，工作過(guò)程為水泵機(jī)組安裝在一個(gè)移動(dòng)泵車(chē)上，根據(jù)水位的高低移動(dòng)泵車(chē)，并通過(guò)出水管道上的多個(gè)出水口與接口連接。主要適用水源水位變幅大(大于10 m)、水位漲落速度慢(小于2 m/h)、河岸傾角較小(小于30°)的河道[4]。其優(yōu)點(diǎn)是水泵綜合性能相對(duì)潛水泵站而言較強(qiáng)；缺點(diǎn)在于建筑工程造價(jià)較高，施工安裝過(guò)程復(fù)雜，耦合口容易淤塞，運(yùn)行管理不方便。

潛水吊裝式移動(dòng)泵站[7,8]主要由軌道、出水管道、耦合口、潛水泵機(jī)組組成，潛水泵安裝形式主要分為井筒式安裝、懸吊式安裝、斜拉式安裝、固定式安裝、自由移動(dòng)式安裝[9]。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、適用性廣、安裝形式多樣化、使用方便，可大幅節(jié)省工程投資等[9]；主要缺點(diǎn)為運(yùn)行時(shí)耦合口易漏水，淤塞嚴(yán)重，處理困難。

2 常規(guī)設(shè)計(jì)方案

以某外江灌溉站為例進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，該泵站為小型農(nóng)田水利重點(diǎn)縣項(xiàng)目的建設(shè)內(nèi)容之一，位于松東河右岸堤防上，設(shè)計(jì)流量550 m3/h，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為14.4 m，水位變幅為10 m。根據(jù)地形及水位變幅情況，擬選用一臺(tái)250QW600-15-45型潛水泵，其額定流量為600 m3/h，額定揚(yáng)程為15 m，出水管管徑350 mm，功率45 kW。

采用潛水吊裝式、浮船式(含浮箱式)、纜車(chē)式移動(dòng)式泵站三種結(jié)構(gòu)類(lèi)型，結(jié)合本工程實(shí)際，形成以下4種設(shè)計(jì)方案。

方案1：垂直式安裝(配備棧橋)。設(shè)置混凝土基座，在基座安裝潛水泵固定滑桿、出水管耦合底座，為方便潛水泵起吊、安裝及維修，設(shè)置交通棧橋及泵房，如圖1所示。水泵通過(guò)電動(dòng)葫蘆可以沿鉛直的導(dǎo)軌上下自由移動(dòng)，水泵放下時(shí)，通過(guò)水泵自重產(chǎn)生的力矩，耦合裝置自動(dòng)與耦合底座相耦合；當(dāng)水泵提升時(shí)，水泵與耦合底座自動(dòng)脫開(kāi)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是潛水泵吊裝及維修比較方便；缺點(diǎn)是建筑工程投資較大，施工期需要圍堰，運(yùn)行一段時(shí)間需要對(duì)泵站基座進(jìn)行清淤。

圖1 設(shè)計(jì)方案1Fig.1 Scheme 1

方案2：垂直式安裝(不配備棧橋)。設(shè)置混凝土基座，在基座安裝潛水泵固定滑桿、出水管耦合底座，相對(duì)于方案1，取消了交通棧橋，如圖2所示。該方案的優(yōu)點(diǎn)是建筑工程投資相對(duì)較??；缺點(diǎn)是潛水泵維修及吊裝比較麻煩，不利于后期運(yùn)行管理，施工期需要圍堰，運(yùn)行一段時(shí)間需要對(duì)泵站基座進(jìn)行清淤。

圖2 設(shè)計(jì)方案2Fig.2 Scheme 2

方案3：斜拉式安裝。設(shè)置混凝土基座，在基座安裝潛水泵固定滑桿、出水管耦合底座，并配備小型卷?yè)P(yáng)機(jī)，如圖3所示。該方案的優(yōu)點(diǎn)是建筑工程投資相對(duì)較小，方便潛水泵吊裝及維修；缺點(diǎn)是斜拉式安裝以及混凝土基座與金屬滑桿產(chǎn)生的相對(duì)位移可能導(dǎo)致耦合口密封性不佳，運(yùn)行一段時(shí)間需要對(duì)泵站基座進(jìn)行清淤，施工期需要圍堰。

圖3 設(shè)計(jì)方案3Fig.3 Scheme 3

方案4：浮箱式安裝?？紤]到本工程規(guī)模較小，浮船式泵站投資較大，故采用浮箱式潛水泵形式，將潛水泵固定在浮筒下，并配備船錨、鋼絲繩、軟連接(出水管)，如圖4所示。該方案的優(yōu)點(diǎn)是建筑工程投資少，不存在淤積問(wèn)題，無(wú)需施工圍堰；缺點(diǎn)是運(yùn)行管理麻煩，需要根據(jù)水位頻繁調(diào)整水管接頭。

圖4 設(shè)計(jì)方案4Fig.4 Scheme 4

3 一種新的方案設(shè)計(jì)

以上4個(gè)方案中，存在以下問(wèn)題：投資過(guò)高(方案1)、施工期需要打圍堰(方案1～3)、后期管理不方便(方案2、4)、潛水泵易淤積(方案1～3)等問(wèn)題。相對(duì)而言方案3為四個(gè)方案中相對(duì)較好的方案，但也有以下缺點(diǎn)：潛水泵基座不均勻沉降可能導(dǎo)致耦合口密封不嚴(yán)，施工期需要圍堰，潛水泵耦合口易淤積，清淤困難。

因此，為了解決以上問(wèn)題，現(xiàn)設(shè)計(jì)了一種管軌一體斜拉式潛水泵，即方案5。

方案5：管軌一體斜拉式安裝。該方案主要由潛水泵及泵車(chē)、出水鋼管(帶軌道)、卷?yè)P(yáng)機(jī)房組成，如圖5所示。該方案相對(duì)方案3主要做了以下改進(jìn)：首先，將潛水泵軌道與出水鋼管焊接在一起，潛水泵配備一個(gè)泵車(chē)，相對(duì)于潛水泵斜拉式安裝(方案3)，不會(huì)出現(xiàn)因潛水泵混凝土基座不均勻沉降導(dǎo)致耦合口密封性差的情況；相對(duì)于纜車(chē)式移動(dòng)泵站，取消了鋼軌、枕梁等，節(jié)約了工程投資。其次，枯水期施工時(shí)，可將管道(帶軌道)觸水端懸空伸入水中4～6 m，則無(wú)需圍堰施工，其主要的建筑工程為管道鎮(zhèn)墩、砼踏步、泵房等，施工工期短，工程投資少。最后，可采用水泵與耦合口錯(cuò)位運(yùn)行的方式，使得水流從泵車(chē)與管道間隙中沖出，起到清淤的作用。

圖5 設(shè)計(jì)方案5Fig.5 Scheme 5

將5種設(shè)計(jì)方案的投資造價(jià)及相關(guān)優(yōu)缺點(diǎn)列入表中，如表1所示。從建筑工程投資來(lái)看，方案4和方案5較少，除了泵房外，主要是管道鎮(zhèn)墩及踏步，其余3種方案均需要混凝土基座；機(jī)電設(shè)備投資五種方案基本一致；從金屬結(jié)構(gòu)投資來(lái)看，方案1、方案2和方案3投資較少，方案4的浮筒(船)、船錨、出水鋼管等投資較大，方案5的泵車(chē)、耦合口、出水鋼管投資較大；從臨時(shí)工程投資來(lái)看，因?yàn)槿∷惠^低，方案1、方案2和方案3枯水期施工時(shí)需要圍堰，方案4施工無(wú)需圍堰，方案5施工時(shí)，管道通過(guò)鎮(zhèn)墩固定，出水管觸水的一端可以懸伸4～6 m，也無(wú)需采用圍堰施工；從總投資來(lái)看，方案4和方案5總投資較少。

表1 泵站設(shè)計(jì)方案比選Tab.1 Comparison and Selection of Pumping Station Schemes

從施工工期來(lái)看，方案4和方案5建筑工程投資較低且無(wú)需圍堰施工，施工工期較短。從運(yùn)行管理來(lái)看，方案2和方案4，沒(méi)有固定卷?yè)P(yáng)機(jī)等設(shè)備，不利于運(yùn)行管理及維修；方案1、方案3和方案5有卷?yè)P(yáng)機(jī)和泵車(chē)或者滑桿，其運(yùn)行管理檢修相對(duì)方便。從淤積問(wèn)題來(lái)看，方案1、方案2和方案3運(yùn)行時(shí)間久后，易產(chǎn)生泥沙淤積堵塞耦合口等問(wèn)題，清淤較為不便；方案4不存在淤積問(wèn)題；方案5容易產(chǎn)生泥沙淤積問(wèn)題，但可以通過(guò)潛水泵與耦合口錯(cuò)位運(yùn)行的方式，起到清淤效果。

經(jīng)過(guò)以上分析，方案5總投資少，施工工期短，運(yùn)行管理方便，且可以解決泥沙淤積問(wèn)題，為最優(yōu)方案。該外江灌溉站采用管軌一體斜拉式潛水泵方案，于2015年建成使用，經(jīng)過(guò)4年的運(yùn)行檢驗(yàn)，泵站運(yùn)行情況良好，得到了用水單位的好評(píng)。

4 新方案結(jié)構(gòu)及應(yīng)用情況介紹

管軌一體斜拉式潛水泵，主要由出水鋼管(兼軌道)、水泵及泵車(chē)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等組成[10]。如圖6示，出水鋼管兩側(cè)焊接泵車(chē)軌道(工字鋼)，管道底部設(shè)置有金屬擋塊，其作用是固定泵車(chē)位置，管道底部設(shè)置磁性復(fù)位板，當(dāng)泵車(chē)下滑至底部時(shí)，磁性復(fù)位板被泵車(chē)抵開(kāi)，耦合口與水泵出水口相耦合，形成水流通道；當(dāng)泵車(chē)被拉起時(shí)，磁性復(fù)位板恢復(fù)原位，并將出水鋼管進(jìn)水口擋住，防止泥沙進(jìn)入出水管；泵車(chē)主體結(jié)構(gòu)為弧形，與出水鋼管貼合，泵車(chē)設(shè)置有泵車(chē)滑輪、清淤提升裝置，泵車(chē)與潛水泵采用法蘭盤(pán)連接，并且裝有弧形蝶式無(wú)接觸密封裝置[10]。實(shí)行清淤工況時(shí)，將泵車(chē)向上提起，泵車(chē)在清淤提升裝置作用下向上抬起，離開(kāi)出水管道表面約20～40 mm，磁性復(fù)位板復(fù)位，此時(shí)水泵的水不能再?gòu)某鏊摴苤袎撼?，只能從泵?chē)與出水鋼管中的間隙噴出，定向沖刷出水鋼管及泵車(chē)軌道表面及附近的泥沙；通過(guò)鋼絲繩帶動(dòng)泵車(chē)在軌道上下移動(dòng)即可將出水鋼管及泵車(chē)軌道表面及附近的泥沙沖刷干凈。

據(jù)調(diào)查，目前該類(lèi)型泵站最大的一處為從長(zhǎng)江取水，單機(jī)流量1 000 m3/h，揚(yáng)程28 m，單機(jī)功率132 kW。近年來(lái)，管軌一體斜拉式潛水泵在外江取水工程中逐步得到運(yùn)用，取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 管軌一體斜拉式潛水泵設(shè)計(jì)圖[10]Fig.6 Design drawing of the pipeline-rail integrated cable-stayed submersible pump[10]

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)目前小型外江取水泵站存在的問(wèn)題，提出了管軌一體斜拉式潛水泵設(shè)計(jì)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：①工程投資少，主要建筑工程為管道鎮(zhèn)墩、管道沿線(xiàn)坡面護(hù)砌(踏步)及泵房等；②施工周期短，泵車(chē)機(jī)組管、軌一體化，可在工廠(chǎng)預(yù)先制作完成，縮短了設(shè)備安裝時(shí)間，出水鋼管安裝時(shí)可直接延伸至最低運(yùn)行水位以下，一般無(wú)需圍堰施工；③解決了潛水泵淤積問(wèn)題，可采用潛水泵與耦合口錯(cuò)位運(yùn)行的方式，進(jìn)行自動(dòng)清淤；④工程安裝、維修及運(yùn)行比較方便。

管軌一體斜拉式潛水泵已成功應(yīng)用于工程實(shí)踐，取得了良好效果，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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