楊學(xué)江，李 萌

(四川港航建設(shè)工程有限公司，四川成都 610000)

隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)和民生用水的工程也隨之增多，而如何根據(jù)實(shí)際情況選擇最適宜的取水方式就顯得尤為重要。30多年來，我國(guó)補(bǔ)水工程有了很大發(fā)展，在取水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方面，也有較多革新。如水位變化幅度大的深基泵房底板，采用錨桿嵌固技術(shù)處理，對(duì)于泵房穩(wěn)定和減薄底板厚度起了重要作用，有的中小型取水泵房，采用薄壁瓶式豎井泵房，將基礎(chǔ)嵌入巖石一定深度，可克服泵房筒體的浮力，減少薄井筒壁厚和底板厚度。以上結(jié)構(gòu)形式，均具有技術(shù)較先進(jìn)、節(jié)省投資、材料消耗低、施工周期短和使用安全等優(yōu)點(diǎn)。

1 工程概況與取水技術(shù)原理

1.1 工程概況

營(yíng)山縣幸福水庫(kù)應(yīng)急補(bǔ)水工程線路起于綠水鎮(zhèn)浮山村，止于幸福水庫(kù)，設(shè)計(jì)起點(diǎn)樁號(hào)為K0+000，設(shè)計(jì)終點(diǎn)樁號(hào)為K6+600.354，全長(zhǎng)約6.6 km。管線大部分采用明挖法施工，跨河部分采用橋管，局部埋深較深處采用頂管，局部采用支墩架管。管道一般埋深約1～3 m，擬采用直徑1000 mm鋼管。另有三處泵船支墩及一處變配電房，泵船支墩基礎(chǔ)埋深約1.5 m，變配電房基礎(chǔ)埋深約3.5 m。取水頭部采用浮船取水，補(bǔ)水規(guī)模6×104m3/d。

1.2 取水技術(shù)原理

水庫(kù)邊及江河湖泊建設(shè)大型取水工程主要采用泵船，傳統(tǒng)的施工做法是，在山區(qū)水庫(kù)邊江或河湖泊建造固定汲水泵站，先圍堰筑壩，然后全部抽干圍堰區(qū)域內(nèi)的水，建造泵房，再安裝管路、閥門、控制、水泵等。固定式泵站的特點(diǎn)是：(1)施工周期長(zhǎng)，圍堰工作量大，費(fèi)用高；(2)泵房造價(jià)高，水位落差越大，泵房造價(jià)越高；(3)傳統(tǒng)汲水泵站因取水口固定在低水位以下，取出的水永遠(yuǎn)是底層的原水，泥砂含量較高；(4)進(jìn)水管一直沉在水底，如遇污物堵塞，無法發(fā)現(xiàn)和清理；(5)泵站建設(shè)時(shí)對(duì)環(huán)境影響大，安全系數(shù)低。

鑒于以上論述，為了克服傳統(tǒng)汲水泵站建造使用時(shí)存在的缺點(diǎn)，滿足不同工況下的特殊取水要求，結(jié)合傳統(tǒng)的取水方式并進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，營(yíng)山縣幸福水庫(kù)應(yīng)急補(bǔ)水工程采用浮動(dòng)泵站取水，這種方式水下工程量少，施工簡(jiǎn)便，投資較少，不但可作為臨時(shí)補(bǔ)水，同時(shí)可以作為永久性取水結(jié)構(gòu)，可顯示其機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)越性。浮動(dòng)泵站主要采包括起吊設(shè)施(檢修時(shí)使用)、出水管、泵站浮體、水泵、進(jìn)水管、真空系統(tǒng)、輸水管、配電系統(tǒng)、閥門、消防系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組、棧橋等組成部分(根據(jù)用戶要求及實(shí)際工況選擇配置)；泵船在水位變化時(shí)，能連續(xù)供水，無須更換接頭。浮動(dòng)泵站可采用PLC全自動(dòng)控制及手動(dòng)控制，水泵啟停操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠。智能化模塊拼裝取水泵站是個(gè)系統(tǒng)工程，涉及到船舶、電氣、給排水、高低壓控制系統(tǒng)、自控系統(tǒng)、防腐學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)等多門專業(yè)。圖1為水庫(kù)應(yīng)急補(bǔ)水浮船取水工藝剖面示意圖，水庫(kù)應(yīng)急補(bǔ)水浮船取水安裝施工示意圖如圖2所示。

2 水庫(kù)應(yīng)急補(bǔ)水浮船取水設(shè)計(jì)施工方案

2.1 確定取水方案

根據(jù)前期調(diào)研，儀隴河在安固鄉(xiāng)設(shè)有溢流壩，浮山村取水點(diǎn)處河岸較陡(α=25°～30°)、停泊條件較好。針對(duì)山區(qū)小河流的特點(diǎn)、場(chǎng)地交通運(yùn)輸條件以及本工程應(yīng)急時(shí)效性要求，同時(shí)結(jié)合岸邊固定式取水泵房存在選址論證、水下地質(zhì)勘察等前期耗時(shí)工作，且混凝土施工、養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)，為了節(jié)省工期，推薦采用浮船取水。

2.2 確定浮船設(shè)備及其附屬設(shè)施

浮船設(shè)備由專業(yè)廠家配套提供，并負(fù)責(zé)整體安裝。棧橋即是為了聯(lián)系取水泵頭部的人行棧道和取水管道的承托棧道，也是水廠人員察看取水泵運(yùn)行情況和維護(hù)維修取水泵的通道。浮船是安裝水泵的平臺(tái)、也是維修維護(hù)水泵的平臺(tái)。移動(dòng)式取水浮橋、浮船主體為鋼質(zhì)、全電焊、橫骨架式結(jié)構(gòu)，取水泵安裝在浮船中。浮橋上的輸水鋼管也為分節(jié)式、每節(jié)之間以軟接頭相連接。浮橋與岸邊的聯(lián)接采用軸輪和軸套筒，以適應(yīng)浮橋隨水位上下而變化、左右之?dāng)[動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)供配電，在岸邊平坦處設(shè)一座變配電間，出入道路與現(xiàn)狀村道順接。

圖1 水庫(kù)應(yīng)急補(bǔ)水浮船取水工藝剖面示意

圖2 水庫(kù)應(yīng)急補(bǔ)水浮船取水安裝施工示意

2.3 浮船取水平臺(tái)的確定

綜合考慮幸福水庫(kù)所處的勢(shì)及地區(qū)域位置，儀隴河的水源為最優(yōu)選擇。根據(jù)提供的資料，儀隴河在2011年、2012年出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，2013～2015年最小流量平均為7.3×104m3/d。因水文監(jiān)測(cè)站建站時(shí)間短，缺乏儀隴河流量持續(xù)時(shí)間、洪水位、枯水位等水文資料。根據(jù)2016年8月16日的地形測(cè)量單位實(shí)測(cè)河道斷面及流速推算，儀隴河取水口處流量為99.7×0.075=7.48m3/s，流量折合為64.6×104m3/d。從營(yíng)山縣城目前實(shí)際供水情況來看，城北凈水廠供水規(guī)模4×104m3/d，老水廠供水規(guī)模2×104m3/d，合計(jì)6×104m3/d，因此浮船取水平臺(tái)按照6×104m3/d設(shè)計(jì)。

2.4 取水泵的選型

為了在雨季“搶水蓄水”，本工程考慮豐水期(夏、秋兩季)取水6個(gè)月，3臺(tái)水泵全開，取水規(guī)模=9×104m3/d，枯水期(冬、春兩季)取水6個(gè)月，只開1臺(tái)水泵，取水規(guī)模=3×104m3/d。則全年平均可補(bǔ)水6×104m3/d，可以滿足營(yíng)山縣城目前的供水需求。自然地形高差逾54 m，為保證選型揚(yáng)程及水泵效率，因此取水泵采用14SH-28 350S16雙吸單級(jí)離心泵。

2.5 浮橋、泵船防腐施工

為了確保浮船水下部分終身免維護(hù)，且使用年限15 a以上，全浮船、連接件鋼材及棧橋除了選用像螺、防水藻等水生物的高級(jí)防腐防污材料，還應(yīng)增加其厚度。

2.6 取水泵的選型

浮橋上取水管采用DN300鋼管，水泵采用恒流量變壓力變頻調(diào)速控制，以適應(yīng)水庫(kù)水位的變化所引起的取水揚(yáng)程和取水量的變化，從而節(jié)能省電。

2.7 浮船取水的附屬構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

2.7.1 閥門及閥門井

閥門采用：DN≤300mm的閥門均采用手動(dòng)軟密封閘閥；DN>400 mm的閥門采用手動(dòng)法蘭式偏心臥式蝶閥。閥門的公稱壓力P=1.0MPa。

閥門井采用：蝶閥井采用混凝土矩形臥式蝶閥井，閘閥井采用混凝土立式閘閥井。

2.7.2 排氣閥及井

在管道上容易積聚空氣的高點(diǎn)或一定長(zhǎng)度的管道上設(shè)置彌合水錘預(yù)防閥，除橋管上的彌合水錘預(yù)防閥無需設(shè)置排氣閥井外，埋地管道均設(shè)排氣閥井，采用鋼筋混凝土排氣閥井。

3.7.3 排泥閥井

在管線的低凹處均設(shè)置排泥井。

排泥井：采用鋼筋混凝土排泥閘閥井，井內(nèi)設(shè)彈性座封閘閥，通過磚砌φ800 mm排泥濕井間接泄水，排泥濕井兼作消力池。

2.7.4 水囊式空氣壓力罐

在樁號(hào)0+025處設(shè)置水囊式空氣壓力罐，靠近水泵出水口，起防止停泵水錘或彌合水錘的作用。

在管網(wǎng)和空氣壓力罐之間安裝一個(gè)檢修閥，便于將空氣壓力罐和管網(wǎng)分離開；在檢修閥和空氣壓力罐中間安裝一個(gè)旁通管，旁通管上安裝一個(gè)排水閥，具體詳見圖3。

圖3 水囊式空氣壓力罐原理

本次設(shè)計(jì)選型壓力罐容積V=6m3，就地設(shè)置混凝土基礎(chǔ)，氣壓罐采用吊環(huán)移動(dòng)空氣壓力罐，便于起吊。

2.7.5 水錘泄放閥及井

在壓力罐之后設(shè)置水錘泄放閥，設(shè)置樁號(hào)0+030。

水錘泄放閥DN300，設(shè)于水錘泄放閥井內(nèi)，鋼筋混凝土井尺寸A×B×H=1300mm×1300mm×1800mm。閥后排水管DN300，將排水引至邊溝或河邊。

2.7.6 管道支墩

浮船取水設(shè)計(jì)在岸邊設(shè)置2個(gè)主支墩，用于固定輸水管棧橋、人行棧橋，同時(shí)在兩旁分設(shè)2個(gè)鋼纜副支墩。

2.8 水錘分析

根據(jù)水錘分析計(jì)算結(jié)果，本設(shè)計(jì)采取如下措施。

按照驗(yàn)算數(shù)據(jù)，泵后液控止回偏心半球閥的關(guān)閥規(guī)律為10 s關(guān)閉20 %，3 s關(guān)閉80 %，全程關(guān)閉時(shí)間為13 s。水囊式空氣壓力罐是很好的解決此類復(fù)雜地形的裝置，本工程選擇6 m3的水囊式空氣壓力罐，有效容積不小于4 m3(正常運(yùn)行時(shí)的含水量)，與主管連接的管徑應(yīng)不小于DN200，盡量靠近主管。

2.9 電氣設(shè)計(jì)

電氣設(shè)計(jì)以本工程引入的10 kV電源線進(jìn)入總變配電間10 kV進(jìn)線柜進(jìn)線電纜終端頭為界；電纜終端頭及整個(gè)10 kV電源進(jìn)線線路則由當(dāng)?shù)毓╇姴块T負(fù)責(zé)完成。本次設(shè)計(jì)具體內(nèi)容有：站內(nèi)高、低壓供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣控制及布置設(shè)計(jì)、照明配電及布置設(shè)計(jì)、導(dǎo)線敷設(shè)設(shè)計(jì)、防雷及接地保護(hù)設(shè)計(jì)。通過綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，本工程設(shè)計(jì)采用一臺(tái)所用變壓器，變壓器容量為75 kVA。

3 浮船取水施工安全防護(hù)措施

3.1 安全配置

消防救生設(shè)備：按有關(guān)規(guī)范，浮橋兩邊和浮船三周邊安裝鋼制擴(kuò)欄、浮船配備了救生圈、移動(dòng)式手動(dòng)吊葫蘆等。

3.2 平衡措施

為保證取水泵船的正常使用和操作人員的安全，浮橋和泵船上的設(shè)備布置保證船體的平衡和穩(wěn)定，力爭(zhēng)泵船在不增加載荷(平衡水管、壓載物等)的情況下達(dá)到自平衡，在工作狀態(tài)下也保持平衡穩(wěn)定。

3.3 穩(wěn)定性措施

本船穩(wěn)定性滿足取水泵船的要求，泵船之干舷尺寸、吃水深度、船體能防風(fēng)、浪及其它沖擊的影響。

3.4 不沉性措施

浮橋、泵船為首尾對(duì)稱的方箱形結(jié)構(gòu)，并合理地選用船體鋼板的厚度。當(dāng)泵船發(fā)生事故時(shí)，亦能確保船體的不沉性。

4 結(jié)論

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已有的研究并結(jié)合營(yíng)山縣幸福水庫(kù)應(yīng)急補(bǔ)水工程實(shí)際情況，對(duì)汲水泵站進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，采用浮船取水技術(shù)有效地解決了營(yíng)山縣幸福水庫(kù)的補(bǔ)給水施工難題。浮動(dòng)泵站隨著水位漲落可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降，泵站整體穩(wěn)定性較高，與傳統(tǒng)的固定式泵房相比較，不需要進(jìn)行圍堰施工，工期明顯縮短，節(jié)約了成本；同時(shí)解決了固定式泵房進(jìn)水管容易被堵塞且難以清理的難題，配合懸臂戶外吊車，保養(yǎng)檢修簡(jiǎn)便。分析論證了采用浮船取水的可行性，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)推廣價(jià)值，為類似工程實(shí)踐提供了借鑒依據(jù)。