橡膠壩充排水系統設計探討

羅造時

橡膠壩充排水系統設計探討

羅造時

橡膠壩是一種隨著高分子合成材料和現代橡膠工業的高速發展而出現的一種新型水工建筑物，具有節省材料、結構簡單、施工工期短、運用管理方便靈活等優點，在水利水電工程得到越來越多的應用。橡膠壩具有蓄水發電、改善水生態環境、灌溉等功能。橡膠壩充排水系統是橡膠壩運行的動力來源，其設計關系到橡膠壩工程的正常運用。本文以安徽省霍山縣高橋灣橡膠壩充排水系統設計為例，對橡膠壩充排水系統設計進行探討、總結。

一、工程概況

霍山縣高橋灣水利樞紐工程位于六安市霍山縣城北側、淮河支流東淠河干流上佛子嶺水庫壩下約19km處，是以攔蓄環境水、改善水生態環境為主，兼顧發電及旅游開發等功能的綜合利用工程。主要建筑物由橡膠壩、控制閘、水電站及進廠道路工程等組成。工程布置一字排開與河道中心線正交，從左到右依次布置充排水泵房、橡膠壩、控制閘和水電站。采用充水式橡膠壩，共8跨，每跨長67.5m，壩袋總長540m，壩袋高3.1m，內壓比1.4，充水時間4h，排水時間2.5h，上游正常蓄水位65.6m。每2跨橡膠壩設置1條充排水支管，8跨橡膠壩共設置4條支管；4條支管在泵房端接入1條母管；橡膠壩充水、排水動力設備共用，設置5臺水泵（4 用1備），利用管路中設置的閥門通過管路切換使水泵滿足充水、排水的使用要求。

二、充排水系統設計

（一）充排水系統的構成及各部分的技術要求

充排水系統由充水部分、排水部分和超壓溢流連通部分組成。充水部分由取水口、供水管路及閥門、供水泵、儀表構成，其中取水口為由鋼管加工成的取水喇叭口可看作管路的一部分；排水部分由排水管路及閥門、排水泵、儀表構成；充水泵和排水泵是動力設備，因充排水動力設備共用，則供水管路與排水管路共用，兩部分能明顯區分出的部分少；超壓溢流連通部分由超壓溢流裝置和連通裝置組成。整個系統由管路及閥門部分、動力設備部分、儀表部分、超壓溢流和連通部分組成。

1.管路及閥門部分

（1）管路

管路根據材質的不同分為鋼管、PE管和PVC管。

鋼管采用焊接或法蘭連接，鋼管價格較高，使用經驗豐富、成熟，適合各種環境及使用部位，大多數橡膠壩管路均使用鋼管；PE管采用熱熔連接、電焊連接或機械連接，PE管不需要做防腐處理，其本身具有良好的耐腐蝕性，但在橡膠壩工程中具有應用較少；PVC管一般采用承插連接，PVC管相對于其他兩種材料價格較低，但其柔性較差，低溫時較脆，抗沖擊性差，使用一段時間后會有氯離子析出，限制了其使用范圍及部位，在北方某些橡膠壩中有應用。

該工程采用鋼管、法蘭連接。母管管徑DN800，壁厚10mm；支管管徑DN400，壁厚8mm。鋼管安裝前進行了除銹和防腐處理。管道安裝完成后進行了管道試壓測試，并對管道進行沖洗排出了管道內的殘留物。

（2）閥門

橡膠壩充排水系統中使用較多的閥門主要為電動蝶閥、閘閥、止回閥等。

1）電動蝶閥

為便于操作，減少運行工作量，蝶閥選用電動蝶閥。電動蝶閥選型時，需考慮自動控制及計算機監控的要求；電動蝶閥按照其操作機構控制方式的不同分為智能一體化和分體式兩種方式。智能一體化電動操作裝置可實現蝶閥的現地手動控制，以及遠方后臺控制，具有通信功能，通信接口可采用RS485接口，通信協議可采用Modbus協議。分體式則不同，首先將蝶閥中自帶的開度變送器信號（4～20mA電流）上傳給PLC，通過PLC顯示蝶閥的開度。

2）閘閥

閘閥在系統中的作用主要是檢修使用；為了檢修時的操作安全，閘閥一般均為手動操作。

3）止回閥

止回閥設置在水泵出口處。由于橡膠壩高度不高，管路與長距離輸水管路相比長度較短，水泵揚程一般都不高，因此止回閥選擇時無特殊要求。

2.動力設備部分

橡膠壩充排水動力設備一般采用離心泵，離心泵選型時需根據水泵工作揚程、流量范圍以及相應工況的氣蝕等因素選型確定。

水泵初選時流量可按照《橡膠壩技術規范》（SL227-98）中的推薦公式進行計算，最終水泵的流量應根據選定的水泵、管路布置和工況等計算流量的范圍是否滿足充排水時間要求，并復核選定的水泵是否在正常的運行范圍內后確定。

水泵揚程的計算應根據不同工況、不同壩袋高度時的水頭損失，通過試算、迭代確定水泵的實際揚程范圍，并與計算出的流量共同確定各種工況下的工況點是否在選定的水泵運行范圍；如不滿足要求，可通過調換水泵、調整管路布置、管徑、調整管路出口高程等措施選擇合適的動力設備以滿足工程需要。

3.儀表部分

儀表選擇時，應考慮自動控制及計算機監控的要求。水泵出口處應裝設壓力表，水泵進口處應根據水泵啟動時是否抽真空確定是否裝設真空表，充水管與壩袋連接段應設壓力表；表的量程根據計算的水泵揚程、水泵安裝高度、管路水頭損失等計算成果確定。當需要將儀表數據上傳給PLC時，儀表應帶變送器，變送器將現場直接顯示的被測壓力值轉換為標準的電流或電壓信號上傳給PLC。

4.超壓溢流和連通部分

超壓溢流部分是橡膠壩工程安全運行的重要保障措施。溢流管的設置是為了防止壩袋充水時超過壩袋的設計壓力而使壩袋產生破壞；當溢流管出口高程低于洪水位時，在溢流管末端裝設止回閥，防止坍壩行洪時水倒灌入壩袋阻礙行洪。連通管是多跨橡膠壩的特有部分，單跨橡膠壩無連通管；連通管的作用是平衡同一根支管上兩跨壩袋壓力，使兩跨壩袋充、坍壩時同步。

（二）充排水系統設計

根據充排水時間、壩袋充排水體積等選擇確定水泵型號、管路管徑，并確定相應管路閥門、儀表；該工程充排水設備共用，設置5臺水泵，水泵工作方式4用1備，充排水系統原理圖見圖1，水泵的性能參數見表1，水泵運行的工況范圍見表2。

表1　水泵性能參數表

表2　水泵運行工況范圍表

圖1　充排水系統圖

三、結語

該工程從橡膠壩充排水系統各組成部分的技術要求、工程特點及經濟、技術比較等方面對充排水系統進行統籌考慮、優化設計，使充排水系統做到經濟、合理、安全■

（作者單位：安徽省霍山縣水務局237200）