水利泵站設計及其安全運行探析

□李雪松（吉林省水利水電勘測設計研究院）

水利泵站設計及其安全運行探析

□李雪松（吉林省水利水電勘測設計研究院）

泵站是水利工程中較為重要的組成部分之一，它的運行安全、穩定、可靠與否關系重大。為此，必須采取合理可行的方法對泵站進行設計，并通過有效的管理措施確保泵站安全運行。基于此點，文章從提水泵站的設計、泵站主要建筑物的布設、泵站及壓力管道鎮墩的穩定性分析以及確保泵站安全運行的有效措施4個方面對水利工程泵站的設計及其安全運行進行了論述。

水利泵站；設計；安全運行

1 提水泵站的設計

1.1 泵站布置

提水泵站采用直接取水的方式，即利用引水管直接從水庫當中進行取水，然后經由壓力管道將提取的水送入到出水池當中，再經由輸水隧洞和輸水管道將水直接輸送到指定地點。該提水泵站的設計流量為0.59 m3/s，設計凈揚程為55.60 m。

1.2 工程布置

該泵站位于重力壩后、河流右岸山坡下，泵站的主要建筑物如圖1所示。

圖1 泵站的主要建筑圖

廠房的縱軸線采用平行于大壩的方式進行布設，與大壩軸線之間的距離為32.80 m。電站布置在泵站的左側，變電站布置在泵站右側的山上，與泵站的主廠房相鄰；進水壓力管道由電站的引水管進行引水，岔泵處中心高程為285.90 m，引水管共有2根，管徑均為0.80 m，總長度為83 m，在進入泵站主廠房之前，匯入進水總管，再由此引出3根支管與水泵進行連接；壓力鋼管在出廠房之后直接匯入到出水總管，為使壓力鋼管的布設能夠避開溢流壩挑流沖坑，在對壓力鋼管進行布設時，其前段沿著河右岸公路邊行進84.50 m后，設置兩處轉彎段，通過萬兩河河道，當鋼管過河之后，沿著河左岸的山坡進行布置，管道出口與出水池進行連接；出水池布設在河左岸的上坡上，地面高程約為360 m，樁號為0+135～0+144，出水經由水池消能之后直接進入到輸水隧洞。

2 泵站主要建筑物的布設

2.1 主廠房

泵站的主廠房設計尺寸如下：24.80 m×9.80 m×16.25 m（長、寬、高），廠房內共安裝了3臺離心泵，3臺離心泵均為臥式單級雙吸，型號為SD250-480A，機組中心距設計為5.00 m，安裝高程為286.80 m，配套的同步電機為3臺，單臺電機的功率P=315 kW。進水管和出水管的中心線高程分別為286.40 m和286.50 m，廠房底板與頂高程分別為285.70 m和301.25 m，吊車梁軌頂高程為297.00 m。廠房底板與邊墻的厚度分別為0.70 m和0.60 m，在廠房內共計布設了5排排架，排架柱的上下柱尺寸分別為0.47 m×0.50 m和0.50 m×0.90 m。在主廠房的左側位置處布設了一個平面尺寸為8.60 m×5.30 m的安裝間，以此作為機組設備安裝和檢修的場地，其地面高程為289.20 m，進廠大門的寬和高均為4.00 m。根據電動機整體起吊的要求選擇起重設備，經過技術經濟性對比之后，決定選用電動型單梁LD橋式起重機，其容量為3 t、跨度為8.00 m。

2.2 副廠房

泵站的副廠房布置在電站廠房的左側，位于電站副廠房的上層，副廠房與主廠房之間采用連通的方式進行布置，副廠房按照以下尺寸進行設計：30.50 m×11.54 m×4.60 m，底板頂高程為294.40 m，其中包含了中心控制室、高低壓配電室和休息室等。

2.3 進水建筑

泵站利用引水管直接從水庫當中進行取水，引水管為壓力鋼管，共計2根，直徑均為0.80 m，總長度為83 m，2根引水壓力鋼管在泵房附近匯于1根管徑為1.40 m、長度為12.50 m的總管上，從總管上分出3根直徑為0.50 m的支管，與水泵進行連接。

2.4 壓力鋼管

其總長度為307.53 m，直徑為1.00 m，在正常運行狀態下的最大水頭設定為78.00 m，整根壓力管道上，共布置7個轉角，其中水平轉角2個，豎向轉角3個，空間轉角2個，并設置7個鎮墩。為了進一步提高管道的抗凍性，在管道頂部覆蓋了厚度2 m左右的土。同時，由于河道的沖刷較深，為確保管道順利過河，其在河道下的埋深增加至3～4 m，在地勢較為平緩的位置處，管道底部鋪設了厚度為0.30 m的砂墊層，在爬坡段，管道底部設置了厚度為0.30 m的素混凝土底座。

2.5 出水池

泵站的出水池設置在壓力管道的末端，起平順水流和消能的作用，出水池的長寬深分別為6 m、2 m和1 m，出口的設計水位為359.60 m，水池上部設計了一個預制蓋板和一個進人孔，以便檢修之用。為了避免水池內的水在冬季溫度較低的條件下結冰，在水池蓋板上回填了厚度為1.50 m的碎石土覆蓋層。

3 泵站及壓力管道鎮墩的穩定性分析

3.1 泵站穩定性分析

3.1.1 基礎底面的應力計算

由于泵站設置在大壩后面，因此其不需要承受水平向的壓力荷載，在泵站完建期的工況下，最大的應力值將會出現在基礎底面，鑒于此，只需要對基礎底面應力值進行計算即可，基底應力的計算公式如下：

3.1.2 泵房的穩定性計算

鑒于泵站布設的位置，不需要進行抗滑穩定性計算，只需要針對洪水期進行抗浮穩定性計算。抗浮穩定性安全系數可以按照下式進行計算：

式中：Kf表示抗浮穩定安全系數；表示作用于泵房基底以上的全部重力（單位：kN）；表示作用于泵房基底上的揚壓力（單位：kN）。將相關數值帶入到式（2）中，經過計算后得出泵房運行期的抗浮穩定安全系數為2.57，該值大于抗浮穩定安全允許值1.10，符合設計要求。

3.2 壓力管道鎮墩穩定性分析

鎮墩全部位于花崗片麻巖上，其基礎抗滑和基底應力均需要通過計算進行論證。鎮墩的抗滑穩定性可按照下式進行計算：

式中：Kc表示鎮墩的抗滑穩定安全系數；f表示鎮墩底面與地基之間的摩擦系數；G代表鎮墩本身的重量（單位：kN）；∑x和分別表示荷載在x軸和y軸方向的投影之和（單位：kN）。7個鎮墩的抗滑穩定安全系數計算結果如表1所示。

表1 7個鎮墩的抗滑穩定安全系數計算結果表

鎮墩基底應力可按照下式進行計算：

1～7#鎮墩的基礎全部位于巖基上，地基的承載力為1800 kPa，經過計算1～7#鎮墩的最大和最小應力值在43～150 kPa之間，符合承載力的要求。

4 確保泵站安全運行的有效措施

為了確保泵站投入使用后的安全、穩定、可靠運行，應當采取如下措施：首先，應在泵站正式投用前做好試運行工作，以此來確保泵站機組的安全運行；其次，要進一步強化對泵站樞紐的管理，如進水建筑物、出水建筑物等，為泵站的安全運行提供保障；最后，應當加大對涵閘的檢查力度，排除各種可能影響泵站安全運行的隱患。

[1]王培興.現代化泵站信息化與自動化技術探討[J].水利現代化,2014(10):88-90.

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1673-8853（2016）10-0072-02

2016-05-12

（責任編輯：趙 鑫）

李雪松（1985-），吉林省大安市人，大學本科，工程師，研究方向：水利水電工程專業，水利規劃方面。