对大型排涝站的设计要点分析

摘 要：该排涝站为大流量低扬程泵站，通过对一些重大技术问题进行深入研究比较，提出了选用大型斜式轴流泵的水泵设计方案。

关键词：排涝站；水泵选型；总布置

中图分类号：X937 文献标识码：A1 工程概况

新建排涝站位于广东省惠州市惠城区西枝江下游末端、西枝江与新开河交汇处，排涝站功能是排除筷子堤仓内涝水，控制集雨面积为82.96km2，排涝标准为10年一遇24h暴雨所产生的径流量1d排干。排涝站设计总排涝流量为139.25m3/s，总装机容量为6×1000kW，泵站规模为大（2）型。泵站由引水渠、进水池、泵房、出水池几部分组成。泵房内布置6台斜15安装半调节轴流泵，每台水泵设计流量为23.2m3/s，叶轮直径为2.8m。水泵由电动机通过减速齿轮箱传递功率，减速齿轮箱采用一级传动的平行轴齿轮箱。

2 设计要点

此排涝站设计要点主要有：①机组选型。排涝站的设计净扬程为0.81m，设计扬程为1.98m，最高扬程为4.36m，为典型的大流量超低扬程排涝站，选型时围绕此特点进行；②总体布置，包括对比堤身式和堤后式的优缺点、具体布置方案等。

3 机组选型

适应本泵站特低扬程可供选用的水泵型式主要有贯流泵、卧式轴流泵和斜式轴流泵。虽然贯流泵在特低扬程时的水力性能很好，但由于水泵制造技术要求高，机组造价高，运行管理经验缺乏，机组维修麻烦，目前大口径贯流泵在国内很少使用。

卧式轴流泵，其水流在立体上无转弯，在平面上出水流道呈S形弯曲，导致在一定程度上增加了流道水力损失。同时，卧式轴流泵的电机需布置在S形弯曲处，空间狭窄，低转速大容量电机无法布置，因此，卧式轴流泵单泵口径不宜做得太大，据国内知名水泵厂提供的业绩，卧式轴流泵最大口径为1.7m.本泵站设计流量大，如选用卧式轴流泵，机组台数过多，投资不经济，泵站效率也会降低。

斜式轴流泵在国内应用已有近20年，目前在长江三角洲、珠江三角洲等平原地区低扬程泵站用得较多，其主要优点归纳起来有4点：

3.1 水流平稳，装置效率高。斜式轴流泵水流可以直接进入水泵叶轮，减少了立体和平面拐弯，弯曲半径也增加，流速分布更加均匀，水流平稳，既提高了效率又改善运行稳定性。以顺德市乐从镇迳口二站为例，该站选用4台斜30安装半调节轴流泵，叶轮直径为1.8m，经现场测试，效率达到67%，效率提高12%，流量也比设计提高15%，振动也明显减少。再比如浙江盐官下河泵站，该站选用4台斜15安装全调节轴流泵，叶轮直径为3.8m，经河海大学现场测试，泵站效率为72%。

3.2 开挖量减少：由于流道中心与叶轮轴线一致，开挖只要满足叶轮的淹没深度就可以，立式泵的底板一般在叶轮中心2倍直径以下，要挖得很深，以顺德市乐从镇迳口二站为例，该站水泵叶轮直径为1.8m，如果立式泵要挖至-5.8m，而斜30泵只需到-3.5m，土方开挖减少14%，填方减少10%，既减少造价，运行时又不易淤积。

3.3 基础应力变得更加均匀：电机和水泵是分开压在基础底板上的，不象立式泵那样集中压在一处，从而减轻了基础处理的难度，日后也不易发生不均匀沉陷。

3.4 安装检修方便：斜式泵从进水锥管、动叶外圈、导叶体、出水弯管均设计成上下剖分结构，当拆去泵的上半部壳体后，泵的转子部件即可装入或拆去，当需要改变叶片角度时，在停机情况下，可通过改变泵叶片定位销孔的位置，重新固定，并拧紧叶片螺母即可。同时，电机与水泵不在同一立面，不用挪动电机就能拆卸水泵，安装检修就变得十分方便，特别是运行过程出现故障要紧急抢修水泵，可以减少一半的工作量。以浙江盐官下河泵站为例，该站更换水导轴承从关闭检修闸门抽水开始，仅需1~2d，即使大修大轴、转子体、轴承部件的拆装，在预先做好准备的情况下，也只需1周的时间，这在立轴泵是不可能的。

综上所述，斜式轴流泵具有良好的水力性能，以及较经济的土建投资和方便的安装检修性。这些优点在国内已有斜式泵机组的泵站设计、制造、使用中得到初步的肯定。因此，本泵站推荐选用斜式轴流泵。

斜式轴流泵典型安装角度一般采用15°、30°或45°。在选择安装角度时，应在满足方便出水流道、电机布置的前提下，尽量选择较小的安装角度，以便减小水流拐弯，提高泵站效率。排涝站采用肘形渐扩式出水流道，电机通过减速器与水泵轴联接，电机体积小，布置空间不受限制，因此，水泵采用15°小角度安装。

4 排涝站布置型式的选择

进行排涝站型式选择时，对堤后式和堤身式两种结构型式加以比较，择优取用。

4．1 堤后式方案

该段新建堤防顶宽12m，堤顶高程19.82m（已加30cm高的防浪墙），背水坡坡度为1:2.5，占地宽10m，堤内坡脚向内依次是24m宽的市政道路，路面高程为15.53m，绿化带宽10m，其后为建筑红线。考虑泵站出水箱涵上装有拍门的进人孔，有巡视检修要求，宜预留5m宽的通道，因此泵房背面墙边应建在离堤中心线至少56m处。根据泵房布置计算，主、副厂房总宽为31.8m，长51.1m，占地面积为1337m2。建筑面积1885m2。厂房上游进水流道为6孔5.8m×8.8m箱涵，箱涵长15m。出水流道总长102.3m，其中厂房内钢筋混凝土圆管段直径为2.4m~3.6m，长20.5m，钢筋混凝土箱涵段为3孔7.5m×4.5m，长81.8m。在圆管段安装浮箱拍门，在箱涵末端安装了防洪工作闸门及配套的启闭机室。

4．2 堤身式方案

堤身式是将引水箱涵穿越绿化带、公路和堤防，在堤外的滩地上兴建泵房。泵房两侧翼墙与堤防相接。泵房直接挡水。堤身式泵站将副厂房布置在主厂房的下游侧，为两跨框架结构，厂房总长51.1m，宽28m。占地面积为1430m2，建筑面积2146m2。引水箱涵为6孔5.8m×8.0m，长66m。出水流道总长46.3m，其中钢筋混凝土圆管段直径为2.4m~3.6m，长20.5m，钢筋混凝土箱涵段为3孔7.5m×4.5m，长24.8m。在直管段安装浮箱拍门，在箱涵末端安装防洪工作闸门及配套的启闭机室。

4．3 方案比较

4.3.1 地形条件：堤身式泵房占据外江滩地若不设置导墙，则水泵出水口水流紊乱，轻者影响水泵的出力和效率，重则造成水泵振动损伤，危及水泵的安全运行。如设置导墙，虽然可减轻水流紊动对水泵的不利影响，但也会影响西枝江行洪。泵房若建在堤身，管养房必须建在绿化带以内，增大了运行管理难度。另外堤身式泵站会使堤防在泵站处间断，不利于堤防管理和绿化。而堤后式泵站则无此类问题。

4.3.2 工程地质条件：根据地质勘察资料得知，泵房处地基为粉质粘土，渗透性较弱，对泵房的渗透稳定影响不大。主要是浮托力对泵站的影响较大，当泵站进水池最低水位为11.8m，西枝江百年一遇的洪水位18.85m，其水头差（加安全超高）达8.05m。泵房底面积为1430m2，由于巨大的浮托力和倾覆力作用，为使泵房满足稳定要求，将增加很大的投资。而堤后式泵站不直接挡水，浮托力相对很小，泵房很容易满足稳定要求，相对堤身式而言，泵房会轻巧许多。

4.3.3 施工条件：堤身式泵站的建设需要破堤，需建防洪围堰进行施工。由于泵站容量较大，水下部分的施工约需14个月时间，根据规范规定：施工洪水应按20年一遇枯水期洪水位设计，围堰堤顶高程筑至17.0m。即外江围堰长度至少要达到350m，高6m。内河围堰长200m，高2.5m。土包围堰方量为19050m3，围堰长而高。特别在汛期，基坑抽排水量大，扬程高。而堤内式泵站，只需将穿堤部分的箱涵及启闭机室，采用填筑围堰施工。施工期仅需4个月，施工洪水可按枯水期20年一遇设计，围堰堰顶高程筑至13.5m，可利用河滩地形较高的优势，无需填筑围堰，基坑也只有少量积水。堤后式优于堤身式。

综上所述，堤后式泵站水力条件，泵房工程量小，施工难度小，临时工程投资少，运行管理方便，环境优雅，作为推荐方案。

5 总体布置

排涝站建筑物包括进水池、泵房、出水管道、防洪闸等。

进水池为正面进水，进水池上游为规划公园中的人工湖，进水池底高程为6.07m，进水池宽45.3m，单机进水流道净宽为5.8m。由于肘型进水流道是逐渐收缩的，流道内的水流状态较好，水力损失较小，水泵进口采用肘型进水流道，在进水池处设电动清污机，肘形进口前设一道钢格栅，清污机和钢格栅之间设检修闸门槽，并设置一扇检修闸门。

泵房为堤内式，布置在堤下建筑红线以外6m处，泵房轴线平行于文头岭堤中心线，泵房四周留5m宽的巡视、检修通道。泵房布置分为主、副厂房，主厂房分为流道层、水泵层、安装检修层，并安装了QD20/5型吊钩桥式起重机。启吊件最大长度为8m，最大重量小于20t。主厂房长51.1m，宽21m，在检修间下面的流道层设有集水池，通过Φ300钢管与各水泵进水流道最低点相连。副厂房均为三层，主厂房的上游侧副厂房为油、气、水系统，值班、办公室。下游侧副厂房为电气一、二次系统，中控室。各层间通过楼梯和通道连接，水泵型号为2400ZXB-2.5斜式轴流泵。电动机型号为TXZ1000-32/2600，水泵主轴与地面成30°夹角。机组沿轴长方向的总长度为14.6m，安装后的水平长度为12.6m。

水泵出水采取圆管式出水。排涝站处外江最高水位为18.85m，最低运行水位为11.8m。考虑水力损失和安全超高等因素，下游水位变幅达8.9m，加之泵站为堤内式，流道长，很难形成虹吸或形成虹吸时间需要很长，不利于水泵的安全运行，因此出水流道型式选择直管式。根据水泵运行平稳、关闭可靠、投资节省的原则，出水流道有20.5m的钢筋混凝土圆管和81.8m混凝土箱涵组成。水流过拍门后通过3×7.5m×4.5m(孔数×宽×高)压力箱涵采取两台机共一个出水流道。

为保护机组安全，各泵站设置拍门断流，在箱涵的外江出水口设防洪工作闸门。圆管尾端接DN3600浮箱拍门，因水泵口径大，单机流量大，为增大开启角，减轻水头损失和拍门撞击力，拍门采用双节浮箱式。闸门采用平板滑动钢闸门，尺寸为宽×高=7.9m×4.5m，单扇闸门重10.67t。启闭机选用QPQ-2×20t固定卷扬式启闭机。

结语

该排涝站已于2009年上半年建成投产，并进行了24h机组联合试运行，试运行过程中，机组轴承温度最高为40℃，机组振动小、运行平稳、噪音小，这些现象说明，泵装置运行是高效、可靠、稳定的，完全达到了设计要求。

参考文献

[1]孙曲平.南河排涝站的设计特色与综合效益[J].江西水利科技,1999-03-30.