浮船式取水泵站在實(shí)際工程中的應(yīng)用

郝 路

(中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司，武漢 430205)

取水泵站是供水系統(tǒng)的重要組成部分，取水泵站的選取及其優(yōu)化運(yùn)行研究對(duì)泵站節(jié)能等具有重要意義[1]。移動(dòng)式取水泵站適合在江、河、湖泊、水庫邊取水，制造簡單方便，周期短、造價(jià)低；相比于傳統(tǒng)的取水泵站，取水效率更高[2]，水質(zhì)好，安全可靠；受水位變化、漲落頻率變化等因素的影響較小。如文獻(xiàn)[3]將小型移動(dòng)泵站應(yīng)用在水田生產(chǎn)基地建設(shè)中，取得了良好的效果，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益明顯。在水利工程中，移動(dòng)式取水泵站主要應(yīng)用于灌溉工程中的永久性取水設(shè)施及各類大型工程建設(shè)時(shí)的臨時(shí)取水設(shè)施[4]。文獻(xiàn)[5]初步對(duì)小型移動(dòng)式取水泵站的應(yīng)用做了嘗試。本文將浮船式取水泵站應(yīng)用在湖北省松滋市涴市鎮(zhèn)大口水廠的取水工程中，通過與纜車式、豎井式(固定式)泵站優(yōu)缺點(diǎn)的選型比較，分析研究針對(duì)不同類型取水構(gòu)筑物的考慮因素，適應(yīng)條件及取水構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

1 工程選址

湖北省松滋市涴市鎮(zhèn)大口水廠工程為村鎮(zhèn)集中式供水工程，供水規(guī)模為1.5萬t/d，為小(1)型IV等工程，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)，次要建筑物級(jí)別為5級(jí)。工程按20年一遇洪水設(shè)計(jì)，50年一遇洪水校核。

該工程主要供八寶鎮(zhèn)、涴市鎮(zhèn)、沙道觀鎮(zhèn)三鎮(zhèn)居民生活用水，包括水源工程、水廠工程和輸配水工程。工程取水水源為長江，取水規(guī)模為1.65萬t/d，即0.19 m3/s。大口水廠主要為居民生產(chǎn)生活供水，作為工程主要構(gòu)筑物之一的取水泵站，其日后的運(yùn)行管理費(fèi)用有保障，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

長江在松滋境內(nèi)長26.74 km，九曲回腸，在涴市鎮(zhèn)處北折東流，形成彎道。彎道上游農(nóng)田遍布，離供水區(qū)域較遠(yuǎn)，如取水點(diǎn)選擇彎道上游，主管線較長，投資較高。彎道下游緊靠涴市鎮(zhèn)，房屋密集，如取水點(diǎn)選擇彎道下游，主管線需穿越村鎮(zhèn)和涴米河，施工困難、投資較高，移民拆遷量大；且有涴米河污水排入長江，污染水源。彎道凹岸凸點(diǎn)下游側(cè)水深、流態(tài)良好，不沖不淤，位于涴市鎮(zhèn)上游，水質(zhì)良好，距涴市鎮(zhèn)較近，工程投資較低。再者，水流流經(jīng)彎道時(shí)產(chǎn)生彎道環(huán)流，在彎道凹岸可以形成窄長的深槽，水深較大且主流靠近岸邊，在汛期有較大的夾砂能力，河床底部的泥沙由凹岸運(yùn)向凸岸，河槽不容易淤積。在冬季，由于流速較大，有利于冰水分層。經(jīng)分析比較，取水點(diǎn)選定于凹岸凸點(diǎn)下游側(cè)，即鄂江右714+900處。大口水廠取水點(diǎn)位置如圖1所示。

圖1 大口水廠取水點(diǎn)位置示意圖Fig.1 The place of intake point of Dakou waterworks

萬里長江，險(xiǎn)在荊江。受荊江裁彎河床演變、洞庭湖分流入?yún)R變化及上游葛洲壩、三峽水庫等影響，長江荊江河段水位流量關(guān)系變化十分復(fù)雜。本工程泵站最高運(yùn)行水位與最低運(yùn)行水位間水位漲落變幅達(dá)15.14 m，取水點(diǎn)河岸灘開闊，邊坡平均坡比1∶3.5，見圖2，可以充分利用地形條件布置泵站，減少工程量，避免掏空、淤積、不均勻沉陷等情況發(fā)生。

圖2 大口水廠取水點(diǎn)地形橫斷面圖(單位：m)Fig.2 Cross-section profile of intake point of Dakou waterworks

2 取水泵站型式的選取

泵站設(shè)計(jì)流量0.19 m3/s，其所處河段水位漲落變幅15.14 m，水位上漲速度小于2 m/h，河岸坡穩(wěn)定，平均坡比為1∶3.5。下面分別對(duì)移動(dòng)式(浮船式、纜車式)和固定式(豎井式)取水泵站型式進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，見圖3～圖5。

(1)浮船式泵站。浮船式泵站為停泊式，配備浮船長14.2 m，寬8.7 m，型深1.5 m，吃水深度0.85 m。泵房內(nèi)布置3臺(tái)立式單級(jí)單吸離心泵(2用1備)，型號(hào)為ISG200-315(Ⅰ)，單機(jī)流量Q=0.1 m3/s，揚(yáng)程H=21 m，功率37 kW。泵船上設(shè)置航標(biāo)燈等安全信號(hào)指示裝置。

(2)纜車式泵站。纜車式泵站設(shè)置取水泵車1臺(tái)，配備3臺(tái)水泵(2用1備)，水泵型號(hào)為ISG200-315，單機(jī)流量Q=0.1 m3/s，揚(yáng)程H=21 m，功率37 kW。

圖3 浮船式泵站縱剖面圖(單位：m)Fig.3 Longitudinal section of floating pumping station

圖4 纜車式泵站縱剖面圖(單位：m)Fig.4 Longitudinal section of cable car type pumping station

(3)豎井式泵站。根據(jù)取水口地形地貌，采用豎井式泵站。豎井為C25鋼筋混凝土圓筒框架結(jié)構(gòu)，高16.5 m，圓筒內(nèi)徑4 m，外徑5 m。啟閉臺(tái)上安裝3臺(tái)為長軸深井泵(2用1備)，型號(hào)350RJC370-16，單機(jī)流量Q=0.1 m3/s，揚(yáng)程H=21 m，功率55 kW。啟閉機(jī)房屋面梁設(shè)置3個(gè)手電兩用電動(dòng)葫蘆，用于起吊水泵。

綜合考慮工程造價(jià)、施工難度、水流流態(tài)、操作管理以及供水安全等多方面因素，移動(dòng)式(浮船式、纜車式)和固定式(豎井式)泵站方案比選見表1。

工程位于長江荊江河段，考慮防洪防凌、河床液化砂質(zhì)地基等因素，若建設(shè)固定式取水泵站，則設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高，投資費(fèi)用大。更為嚴(yán)重的是：若荊江河段主流改變，建成的固定式泵站將無法發(fā)揮應(yīng)有的效益，將造成極大的浪費(fèi)。而移動(dòng)式泵站一次性投資小、見效快，無復(fù)雜的水下建筑物結(jié)構(gòu)，施工周期短。相對(duì)于固定式泵站，移動(dòng)式泵站靈活機(jī)動(dòng)，優(yōu)勢(shì)明顯。

浮船式泵站造價(jià)低、適應(yīng)性廣、靈活性大，能隨水位漲落而升降；能適應(yīng)主流多變、河床變遷或其他原因引起的取水地點(diǎn)變更；取水量發(fā)生變化時(shí)設(shè)備容易改裝；能適應(yīng)上馬快、供水要求迫切的用水需要。再者，浮船式泵站造價(jià)比纜車式略低，且鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)簡單，枯水期施工無需修筑圍堰，施工安全，操作簡單。由于本工程泵站取水流量較小，浮船式泵站對(duì)水流流態(tài)影響不大。另外，取水點(diǎn)處河岸有平坦開闊的河灘地，便于泵船定期檢修；而其供水安全性可通過周密的設(shè)計(jì)、嚴(yán)格的運(yùn)行管理制度得到保障。經(jīng)過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，推薦選用浮船式泵站。

圖5 豎井式泵站縱剖面圖(單位：m)Fig.5 Longitudinal section of vertical pumping station

取水泵站類型移動(dòng)式泵站浮船式纜車式固定式泵站(豎井式)特點(diǎn)移動(dòng)式，靈活機(jī)動(dòng)移動(dòng)式，靈活機(jī)動(dòng)固定式裝機(jī)功率37×3=111kW37×3=111kW55×3=165kW工程造價(jià)338．74萬元357．56萬元390．30萬元固定設(shè)施錨固設(shè)施復(fù)雜簡單施工難度 無復(fù)雜的水下結(jié)構(gòu)和大量的土石方、鋼筋混凝土工程；無需圍堰施工，工期短，施工簡單、安全，對(duì)周邊環(huán)境影響小 有水下結(jié)構(gòu)，且土石方、鋼筋混凝土工程量大，需開挖基坑，新建圍堰，施工難度大，工期長水流流態(tài) 附近局部水流紊亂，淘刷江道或引渠的堤岸 有一定阻水作用，水流流態(tài)良好操作管理 運(yùn)行管理簡單，浮船隨水位漲落而自動(dòng)升降，水泵吸水口一直保持在液面以下1～2m的位置，取出的水泥砂含量低，污物少 操作管理較麻煩，隨著水位漲落需要拆換接頭，移動(dòng)船位，收放纜繩和輸電線路。特別是洪水期間，操作頻繁 引水管、泵站固定，操作簡單，可自動(dòng)化操作，勞動(dòng)條件好。供水安全 浮船漂浮于江河中，易受風(fēng)浪、急流、航運(yùn)、漂木、浮筏等影響 受風(fēng)浪、急流、岸冰、淺水等影響小可靠

3 浮船式取水泵站設(shè)計(jì)

3.1 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)內(nèi)出露地層主要為第四系全新統(tǒng)地層，其地層描述如下：

(1)第四系人工填土層(Qml4)：以素填土、雜填土為主，主要成分為粉土、粉質(zhì)黏土、黏土。

(2)第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Qal+pl4)：由上至下依次為粉土、粉質(zhì)黏土、黏土、粉砂、中細(xì)砂、卵礫石層等。

取水泵站站址的地面高程約42.50 m，灘地最大寬度約30.3 m。灘地地層上以中細(xì)砂為主，厚度約10 m，其內(nèi)摩擦角ψ=30°，與混凝土間的摩擦系數(shù)為0.4，地基承載力特征值fak=150～180 kPa，可作為基礎(chǔ)持力層。灘地地下水位與長江水位持平，附近未見不良物理地質(zhì)現(xiàn)象。

3.2 建筑物設(shè)計(jì)

浮船式泵站主要建筑物包括浮船、主泵房、支墩、工作橋等，泵船及浮船式泵站剖面圖見圖6～圖8。

(1)浮船結(jié)構(gòu)型式及材質(zhì)。浮船由兩個(gè)對(duì)稱浮體螺栓連接后，在槽鋼處焊接成為整體。浮體為梯形，底部首、尾斜直線起翹，中部為平行中體，甲板四角為圓角，尺寸為14.2 m×8.7 m×3.8 m(長×寬×高)，型深1.5 m，吃水深度0.85 m。每個(gè)單獨(dú)浮體為鋼質(zhì)、全電焊、橫骨架式結(jié)構(gòu)。橫向強(qiáng)框架最大間距1.5 m，肋距0.5 m，甲板安裝設(shè)備處做部分結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。首尾各設(shè)一道水密艙壁，形成3個(gè)獨(dú)立的密封艙，共6個(gè)密封艙室，保證任一艙室進(jìn)水后浮船不沉。每個(gè)密封艙在甲板上設(shè)一個(gè)進(jìn)人孔，用于檢修和壓載。進(jìn)人孔蓋板采用CCSA船用鋼板厚8 mm。浮船設(shè)計(jì)成兩個(gè)單獨(dú)浮體，便于運(yùn)輸、安裝。

圖6 泵船(泵房)平面圖及縱剖面圖(單位：mm)Fig.6 Horizontal projection and a cross-sectional of pump

圖7 浮船式泵站平面圖(單位：mm)Fig.7 Horizontal projection of floating station

圖8 浮船式泵站縱斷面圖(單位：mm)Fig.8 Skiagraph of floating station

(2)主泵房。主泵房一層，布置于浮船甲板平面上，采用輕型鋼結(jié)構(gòu)，長10.2 m，寬4.54 m，高3.8 m。泵房內(nèi)安裝3臺(tái)水泵機(jī)組，機(jī)組間距為1.8 m，主機(jī)組單機(jī)容量為37 kW，單機(jī)流量為0.1 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為21 m。

浮體內(nèi)部設(shè)壓載水艙，布置在兩浮體的前后艙內(nèi)，用以調(diào)整船舶吃水滿足泵船最大吃水深度的要求，及平衡不同部分的機(jī)組啟動(dòng)時(shí)造成的橫傾力矩。浮船式泵站在長年取水的過程中，隨著水位的升降浮體會(huì)出現(xiàn)橫傾現(xiàn)象，可通過壓載艙壓載石塊或沙包來調(diào)整浮船的平衡性，讓浮船處于最佳取水狀態(tài)。

浮船式泵站與河岸采用主輔旋臂連接，旋臂長50 m，極限角度0°～19.78°，工作制為24 h/d。

(3)支墩。支墩布置于河灘地臨水側(cè)，頂高程與長江大堤等高，確定為45.70 m。支墩采用C25鋼筋混凝土排架柱結(jié)構(gòu)，平面尺寸為4.5 m×5.0 m，高10 m。

(4)出水管。泵站與廠區(qū)設(shè)置輸水鋼管1根，管徑DN450，長235 m，管道采用地下埋管，埋深不小于1.5 m，管道轉(zhuǎn)彎和分岔處采用鋼管件連接，并設(shè)置鎮(zhèn)墩。

(5)工作橋。工作橋連接浮船支墩和長江大堤，采用簡支梁板式結(jié)構(gòu)。工作橋橋面高程45.70 m，橋長49 m，寬2 m，分5跨，單跨9.8 m，由下部橋臺(tái)、排架柱和牛腿支承。

4 結(jié) 語

小型移動(dòng)式取水泵站常常用于取水量小，施工工期短，水下施工難度大，河流汛期泥沙含量大的取水工程上。其中纜車式一般適用于水位變幅在10～35 m，漲落速度不大于2 m/h的河段；要求河段河水豐富，冬季無流冰，夏季漂浮物較少，河床穩(wěn)定、河道順直，主流靠岸，傾角10°～25°，岸坡穩(wěn)定，且河岸河床工程地質(zhì)條件好。而浮船式一般適用于水位變幅8～35 m，變速不大于2 m/h，枯水期水深大于1.5 m，水流平穩(wěn)，風(fēng)浪較小，停泊條件良好的河段；要求河段河床較穩(wěn)定，岸邊有適宜傾角，河水中雜草等漂浮物較少，且冬季冰水分層。

移動(dòng)式取水構(gòu)筑物在我國中南和西南地區(qū)采用較多，大量應(yīng)用于工礦企業(yè)和城市供水、農(nóng)田灌溉；之所以被廣泛采用，是和這些地區(qū)的特定條件有關(guān)。在工程設(shè)計(jì)應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮工程所在地地形地貌、河道水文地質(zhì)條件、項(xiàng)目投資、工程運(yùn)行功能要求等因素，因地制宜，選擇穩(wěn)妥經(jīng)濟(jì)高效的構(gòu)筑物設(shè)計(jì)方案。

□

[1] 衛(wèi)曉賢，劉德有，黃時(shí)峰，等. 考慮豐谷電價(jià)及清水池調(diào)節(jié)容量的取水泵站優(yōu)化調(diào)度[J]，中國農(nóng)村水利水電，2013，(1)：156-159.

[2] 任建民. 取水泵節(jié)能降耗改造實(shí)踐[J]，供水技術(shù)，2013，7(4)：39-42.

[3] 孫玉杰，李彥輝. 小型移動(dòng)泵站在阿城區(qū)水田生產(chǎn)基地建設(shè)中的應(yīng)用[J]，黑龍江水利科技，2011,39(4)：296.

[4] 李亞峰. 水泵及水泵站[M]. 3版.機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5] 張 赟，尹曉明，劉 波. 小型移動(dòng)取水泵站工程兩例[J]，西南給排水，2011，33(3)：6-8.

[6] GB 50265-2010，泵站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].