青志鵬,劉 含,趙 亮

(1.中國水利水電第七工程局有限公司,成都 610213;2.中國融通資產(chǎn)管理集團有限公司,成都 610014)

水電站建設過程中會需要大量的施工用水及營地生活用水,建設方往往會就近在江河中取水處理后使用。大的江河水位變幅可在10 m以上,而大壩興建過程中,隨著施工的推進和壩體的逐步建成,水位變化更大。大壩建設期用水多為不超過10 a的臨時性用水,拌合澆筑等施工用水量較大,且具有施工用水水質要求不高等特點。興建豎井式泵站等永久構筑物存在投資大且工期較長,圍堰施工復雜,后期高水位運行檢修不便等問題,應用纜車式泵站代替豎井式泵站則投資小,運行靈活、機動性強,后期維修管理較容易[1],優(yōu)勢明顯。

1 工程概況

巴基斯坦迪亞梅爾巴沙大壩壩址位于吉拉斯鎮(zhèn)下游約40 km處的印度河上,塔貝拉大壩上游約315 km,距伊斯蘭堡約440 km,位于開伯爾-普赫圖赫瓦省和吉爾吉特-巴爾蒂斯坦省的邊界。巴沙大壩由一座272 m高的混凝土重力壩和在印度河兩側修建兩個大型地下發(fā)電廠組成,裝機容量為2250 MW,具有蓄水、防洪及發(fā)電等多項功能。該項目被稱為巴基斯坦的“三峽”,建成后將大大促進當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展,改善當?shù)孛裆?/p>

本工程為巴沙大壩施工配套項目的2號施工供水系統(tǒng),為大壩建設提供相應的施工及生活用水。巴沙大壩的建設過程中,根據(jù)工藝設計要求在大壩的上下游設置了多個施工工區(qū)及生活營地,均需要用水,其中的混凝土拌合澆筑等用水量較多。2號施工供水系統(tǒng)位于壩區(qū)上游,其日施工用水量約5.5萬m3。本工程通過纜車式泵站取水,并分質凈化處理后,分別為施工及生活區(qū)提供用水。

2 方案比較與泵站選址

2.1 沖溝取水(方案一)

考慮利用附近沖溝修筑攔水壩取水。根據(jù)對項目周邊多條可供取水的沖溝現(xiàn)場踏勘,均存在著水量不穩(wěn)定,夏季暴雨導致水質泥沙含量較高,缺乏相關水文資料,總用水量不一定能滿足施工用水需求,且取水離項目點均有較遠距離等各種不利條件,但也有非汛期水質相對較好,能實現(xiàn)重力流供水等優(yōu)點。設計中將本方案作為備用水源考慮。

2.2 印度河建取水構筑物(方案二)

考慮在印度河岸邊修筑固定的取水構筑物。根據(jù)項目工期對應印度河水位高程變化表顯示(詳見表1),項目的第7年開始,隨著大壩攔水完成,大壩上游水位將迅速地抬高60 m以上,而第8年則能上漲一百多米,若一開始就修建超百米高的取水塔則存在著投資過高、地質條件要求高、施工復雜、工期較長、后期檢修維護不便等問題。尤其是攔水后水位上漲幾十上百米,取水塔下部靜水壓力大,之前鋪設的管道埋于水下無法檢修。而分兩次在不同高程處修建取水塔則投入較大,經(jīng)濟性較差。

表1 項目地印度河水位高程變化

2.3 印度河建纜車式取水泵站(方案三)

考慮在印度河岸邊修筑纜車式取水泵站。纜車式泵站的特點是:隨著河水位的漲落,泵車由絞車通過鋼絲繩牽引可以沿著坡道上下移動,保證泵車不被水淹,并能取到含沙量較少的表層水。同時水下施工簡單,工程造價低,各單位裝機造價約為固定式泵站的一半[2]。針對后期庫區(qū)攔水完成后水位大幅上升的問題,纜車式泵站也能方便快捷地完成拆卸和移位到高處進行二次使用,投資將大大減少,對工程建設來說是非常經(jīng)濟實用的。

2.4 最終選址確認

根據(jù)《泵站設計規(guī)范》(GB 50265-2010)及《給水排水設計手冊(第3冊)》中對纜車式取水泵站的相關要求,選址應選擇:(1)宜選在主流近岸、水流較平穩(wěn)且河床穩(wěn)定的河段,避免建設在水深不足、沖淤比較嚴重的地方,岸邊水深不應小于1.2 m;(2)避免在回水區(qū)或在岸坡凸出地段的附近布置纜車道,以防淤積;(3)纜車坡道面宜與原岸坡接近,河床比較穩(wěn)定,河岸工程地質條件較好,且岸坡有適宜的傾角(一般在10 °～28 °);(4)漂浮物少,且不易受漂木、浮筏或船只的撞擊。其中,岸坡傾角選擇上很多人往往沒有重視并理解透徹,本工程纜車上的水泵是自吸式水泵,泵軸線標高高于吸水液位,水泵運行主要利用水泵自身吸程。當岸坡傾角較高時,纜車的水泵離車底的吸水液位必然就高,而需要選擇低NPSHr泵型以免發(fā)生氣蝕現(xiàn)象導致水泵的損壞。目前各水泵的允許吸上真空高度往往都小于6 m,尤其根據(jù)項目所需流量、揚程參數(shù)選型后可選面就更小,當小車選址的坡度大了,隨著水位的上升,就必須被動的頻繁移動小車,這對后期運行是非常不利的。因此在選址時應盡量尋找傾角小于28 °的岸坡布置。

經(jīng)過上述對比,結合對印度河水文資料的分析,本次巴沙大壩施工用水工程的取水工程選擇在大壩上游印度河右岸一處河道相對順直,岸坡傾角約27 °的岸邊施工,采用纜車式取水泵站的形式取水,取水加壓輸送到施工營地附近的水處理構筑物進行處理。

3 纜車式取水泵站的設計

3.1 纜車設備的總體布置

巴沙大壩2號施工供水工程的取水頭部采用的纜車式泵站平面布置見圖1。經(jīng)綜合分析,取水頭部設兩組滑道,并相對于坡道中心對稱布置。滑道采用斜橋式,單組滑道寬度為8.9 m,軌道間距約為6.5 m;兩組滑道并列布置,滑道中心線的間距為12.3 m;軌道基礎采用混凝土條形基礎,條形基礎平面尺寸長度×寬度=18.6 m×0.5 m,條形基礎中心線水平間距為5 m。

圖1 泵站平面布置

泵車安裝在斜坡道的軌道上,絞車安裝在坡岸上的卷揚機房內。絞車的鋼絲繩通過導向滑輪組與泵車連成一體。泵站的兩條供水干管設置在兩臺泵車的中間[3],上設叉管18個,電纜鋪設在泵車外側。為防止鋼絲繩、電纜與坡道摩擦,坡道上設置了鋼絲繩托輥及電纜滑動支架,托輥間距約為15 m,電纜滑動支架102個。

每臺泵車上布置3臺工作水泵和1臺真空泵組,3臺工作水泵采用“一反兩正”的布置方式,以縮小泵車的平面尺寸[3]。水泵的電機功率最大為110 kW,真空泵用于工作泵啟動時對進水管段進行抽真空。泵車由電纜供電,電纜由卷揚機房的電纜卷筒引出,經(jīng)坡道上的電纜托架與泵車上的水泵機組連接。電纜卷筒和纜車的電控設備均布置在纜車機房內。

整個取水頭部采用1000 kVA箱變,其主要負荷:小車上五用一備的110 kW變頻控制水泵6臺,5 kW真空泵2臺,40 kW纜車卷揚機2臺,5 kW電纜卷揚機2臺,另包含各室內照明、插座等,用電設備工作容量約為650 kW,同時無功補償至功率因數(shù)0.9以上時,負載率約72.2 %。

3.2 泵車與泵房的設計要點

3.2.1 泵車與泵房設計布置

單個泵車的平臺尺寸為6.5 m×4.8 m,采用角鋼及H型鋼焊接,泵車設置剎車減震裝置和擋板固定設施。泵站為輕便型泵車,減少電氣設備及檢修占用空間,從而縮小泵車的平臺尺寸、軌距和卷揚機牽引力,降低工程造價[4]。運行時,將泵車固定于一定的水位運行,若印度河水位發(fā)生變化后,需停機將泵車拖到新的合適水位再運行。泵車的移動通過布置于河岸上的纜車房來實現(xiàn),整個纜車房為框架式結構,包含纜車房、配電房、檢修房、管理房。水泵進口、出口(逆止閥后)鋼管內水體的重量、水泵及電機自重、底閥自重、泵車自重等,都要計入泵車的穩(wěn)定平衡、絞車牽引力的計算中。

考慮到泵車的重量較大,運行重量約為10 t。當泵車移動時對絞盤機功率要求較大,故設計時利用動滑輪的傳動方式,在纜車上設計滑輪,將力分散。泵車平面布置見圖2,纜車立面布置見圖3。

圖2 泵車平面布置

圖3 纜車立面布置

3.2.2 纜車的安全保護裝置

在泵站后期使用運行中,隨著汛期、枯水期的水位大幅變化,泵車需要上下移動以免被淹沒或吸不到水。泵站移動過程中安全問題是非常重要的,一旦發(fā)生突發(fā)事故都將帶來非常嚴重的后果。為防止纜車在運行中的突發(fā)事故,設計考慮給纜車設置安全保護裝置。首先,在軌道終端設置車擋,安裝在軌道最下部的車擋,可以防止泵車低水位取水時下放失控而落入河中;其次,設置了活動車擋,泵車長時間在一個高程位置運行,靜止不動時,減小卷揚機負荷,防止鋼絲繩長期緊繃或檢修滑輪、鋼絲繩的時候用[3]。使用時將活動車擋放置在車輪下坡方向前端,并擰緊螺絲使其緊固在軌道上。同時需加強對操作人員的管理要求,移動泵車時必須先停泵排水,斷開水泵出管與主管的連接后方能啟動卷揚機。

3.3 軌道的設計要點

纜車坡道是鋪設泵車軌道、輸水管道及電纜的場地,供泵車工作運行的場所。在布置坡道時,坡道下端必須伸入到枯水位以下才能滿足泵車在枯水位時期正常運轉;坡道的上端應設置在滿足泵車安全的最高洪水位以上,當最高洪水位來臨時仍能進行工作。斜坡式坡道面一般要高出岸坡地面0.5 m左右,并設置了防沖襯砌。尤其是在含沙量較高的河流上砌護要平整,防止落淤。纜車的重量約為10 t,其移動過程中對軌道的受力同時具有較大的橫向移動力和軸向力,存在著軌道滑坡的風險。針對上述問題,設計考慮在軌道下設置錨桿,將平臺穩(wěn)住。

3.4 纜車機房抗滑錨固設計要點

由定滑輪+動滑輪組合連接的方案較好地降低了絞盤機功率大的問題,但纜車的重量約為10 t,仍然較重,對攬機同時具有較大的橫向移動力和軸向力,存在著攬機平臺被拉走或掀翻的風險。針對上述問題,設計考慮在纜機房下設置一個較厚的混凝土敦,將平臺穩(wěn)住。

3.5 泵車出水管道接管設計

泵車上水泵出水主管通過活動的接頭管與軌道上輸水主管的叉管相連接,并通過輸水管送至下一個構筑物。接管方式的選擇,是否合適及正確將會很大程度影響到泵車的后期運行。

本工程的設計輸水量是5.5萬m3/d,輸水管道為管徑DN700的焊接鋼管,設計采用的是在泵車出水管接主輸水管端做活動接頭,由兩個活動法蘭接管和一個彎管組成,將法蘭橡膠軟連接裝在彎管兩端以方便連接。裝有法蘭橡膠軟連接管除可小幅旋轉外,軸向還可微動伸縮,以便于安裝調整,還能在水泵運行中起到一定的緩沖抗震動的作用。

4 纜車的運行

工程投入使用后,根據(jù)實際用水量需要,兩臺纜車上的6臺水泵由控制柜控制啟停,可單獨運行,也可同時運行?？梢詢H一臺纜車的水泵運行也可以兩臺纜車的水泵全部同時運行。當印度河水位發(fā)生較大變化時,需暫時停泵將水放空,待纜車運行到避免洪水淹沒、并能保證水泵穩(wěn)定可靠運行的高程后,重新接入輸水管后再次運行。

在未來水庫蓄水以后,可根據(jù)新的建設要求在合適的高程處重新建設軌道,將纜車泵站移至高平臺后繼續(xù)使用。屆時可根據(jù)新的工況條件更換流量揚程降低后重新選型的小水泵,大大節(jié)約了運行費用。

5 結語

因修建大壩造成印度河水位變幅大,興建固定式泵站地質條件要求高,建設投資大,周期長,水泵常期固定在高揚程下運行費用高,蓄水后檢修維護也很麻煩。本工程所采用的纜車式取水泵站很好地解決了上述問題。具有建設投資少、運行成本低、靈活機動等特點。本次設計方案能為項目部前期投入及后期運營節(jié)約很高的成本,纜車式取水泵站在施工臨時取水工程中有著廣闊的應用前景,其經(jīng)驗可供類似工程設計借鑒。