南水北調渠道抽排泵站運行工況研究

鄭曉陽，張建偉

（1.南水北調中線干線工程建設管理局河南分局，河南 鄭州 450018；2.中國南水北調集團江漢水網建設開發有限公司，湖北 武漢 430040）

1 工程概況

南水北調中線寶豐段工程高地下水位段全長9.60 km，共布置8 個抽排泵站，泵站型式采用井筒式，井筒用導水鋼管與軟式透水管連接，以將軟式透水管內匯集的地下水通過導水鋼管輸送至井筒內。導水鋼管采用φ600 mm的防腐鋼管，軟式透水管φ250 mm。井筒材料為C20 鋼筋混凝土，內徑6.20 m。渠坡縱向集水暗管采用φ250 mm強滲軟式透水管，渠底沿中心線設三排縱向集水暗管，每隔12 m 設一個逆止式排水器，間隔12 m 設一道橫向連通管；橫向連通管同樣采用強滲軟式透水管，內徑同縱向集水暗管，橫向連通管繞過齒墻鋪設；逆止式排水器出水口下緣距離渠底100 mm。

2 研究背景

渠道巡檢人員巡檢過程中發現該渠段渠道內水面以下存在一處逆止閥缺少保護蓋，上部水面有小漩渦并伴隨“吱吱”響聲，隨后為核實寶豐段轄區逆止閥的損壞是個例還是普遍現象，逆止閥的損壞部位是否還存在其他運行隱患，管理機構對關聯部位逆止閥、渠道建筑物、泵站、排水設施、安全監測設施進行了全面排查與梳理。期間研究人員通過排查、現場試驗、數據分析及比對等方式開展研究，隨著研究的不斷深入，從中發現了抽排泵站在不同工況下運行參數及各種設施之間的相互關聯。

3 抽排泵站運行工況研究與探討

3.1 失效逆止閥對抽排泵站的影響分析

3.1.1 失效逆止閥封堵測試

為研究分析失效逆止閥與抽排泵站之間的聯系，研究人員根據大氣壓原理及連通管原理，結合抽排泵站井內水位與逆止閥部位水位差對逆止閥進行封堵。通過對失效逆止閥封堵前后抽排泵站與渠道水位差值與現場試驗對比發現，當渠道水位與抽排泵站井內水位差2.20 m 時，經計算負壓約323.40 N，此時現場試驗封堵的墊板無法取下；當渠道水位與抽排泵站井內水位差0.30 m 時經計算負壓約44.10 N，此時現場試驗封堵的墊板較容易取下。具體計算過程如下（1）～（3）。

式（1）（2）（3）中：S 為斷面面積，m2；π為圓周率；r 截面半徑，0.07 m；ρ為水的密度，1.00×103kg/m3；g為重力加速度，9.80 N/kg；h1、h2分別為兩種渠道水位與抽排泵站井內的水位差，2.20 m、0.30 m；F1、F2分別為不同水位差下的水壓力，N。

3.1.2 水流方向試驗

在失效逆止閥孔口處投放約1 kg高錳酸鉀試驗，高錳酸鉀立即隨著周邊水體直接被“吸”入逆止閥（逆止閥外部無擴散）約50 min后，相鄰約100 m的抽排泵站檢修水泵排水口排水體輕微發紅。

3.1.3 初步試驗結論

通過以上2個試驗，可以看出渠道沿線逆止閥與相鄰抽排泵站間存在關聯，在逆止閥失效的狀態下渠道水體可通過失效逆止閥進入排水設施，后經抽排泵站工作水泵再次進入渠道。結合總干渠工程設施布置情況，如地下排水設施發生損壞，損壞部位的反濾體（土體）可能隨著水體被帶入抽排泵站：一方面使損壞的排水設施周邊產生塌陷，另一方面使抽排泵站產生淤積而影響渠道運行安全；同時由于失效逆止閥部位水體被大量抽排至抽排泵站，使得抽排泵站工作泵工作時長顯著增加，不僅影響抽排泵站抽排效果，而且也會因頻繁抽排導致抽排泵站抽排設施使用壽命的降低。

3.2 泵站抽排過程對水位的影響分析

抽排泵站設計運行工況下，井內水位超過渠道運行水位+0.05 m 時工作水泵會自動抽排水，井內水位降至渠道水位以下4.50 m 時水泵自動停止運行。寶豐段4#泵站常年持續工作，其水位差基本保持在約4 m，來水量與排水量基本平衡。為了解抽排過程對泵站水位的影響，選取4#泵站為研究對象進行試驗，選取功率更大的檢修泵作為試驗用泵，試驗前先停泵確保井內水位上升，在井內水位與渠道水位差0.32 m時開始試驗。試驗開始后檢修水泵歷時1.38 h，迅速將井內水位與渠道水位差從0.32 m 增加到2.88 m，井內水位下降2.56 m；隨即檢修泵停止作業，停泵后5 min水位差變幅最快達40 cm，平均水位差2.68 m；停泵36 min 內為地下水位快速上升期，直至水位差約1 m；停泵36 min至7 h為地下水位較緩慢上升期，此時水位差變化約50 cm。

從以上試驗及前期運行情況分析得知：水位差越大，單位時間內來水量越大；水泵停泵后水位差小于1 m，渠道內來水將逐步轉緩。反之，水位差如能控制在1 m 以內，理論抽排效果最為明顯，存在修改停泵值提高抽排效果的可能。

為了進一步了解工作泵停泵值對水泵工作情況的影響，選取轄區8個抽排泵站進行試驗，試驗將原停泵值由井內水位降至渠道水位以下4.50 m時水泵自動停止調整為井內水位降至渠道水位以下1 m 時水泵自動停止。運行調整前后抽排情況作了對比，各泵站工作水泵運行時長從原來的日均累計62.40 h 減少到日均累計28.31 h，運行時長較調整前降低了54.61%。各泵站工作水泵具體運行情況見表1。

表1 抽排泵站停泵值調整前后運行時長對比表

通過抽排泵站停泵值調整前后運行時長對比可以看出合理設置抽排泵站水泵啟停條件，可有效減少水泵的運行時間從而提高設備的使用壽命，降低運行成本，同時可減少抽排泵站抽排時的水位差，防止過度抽排地下水，避免或降低因抽排泵站工作對渠道實體造成危害。

3.3 安全監測數據與抽排泵站地下水位的分析研究

3.3.1 相鄰泵站工作情況及工作泵停泵值對安全監測數據的影響

抽排泵站降低的井內水位是否代表了地下水位，為此選取了K265+555.60安全監測斷面，該斷面布設滲壓計7支，距上游4#抽排泵站536.12 m，距下游5#抽排泵站300.99 m。通過抽排泵站工作水泵停止值調整前后及相鄰抽排泵站水泵抽排安全監測滲壓計數據比對，發現該斷面滲壓計所反映渠道水位的變化與泵站停止值相關聯，同時相鄰泵站水泵工作或停止時對應安全監測數據就會產生明顯波動。

3.3.2 汛期降雨對不同渠段安全監測數據的影響

為了解降雨及抽排泵站對安全監測數據的影響，選取2021年7月11日至30日轄區涵蓋本年度最大降雨的安全監測數據作為研究對象，通過數據分析比對，在抽排泵站未涵蓋區域地下水位受降雨尤其是強降雨影響變化明顯；在抽排泵站涵蓋區域雖同樣受降雨影響，但由于抽排泵站抽排井對地下水的抽排，地下水位平穩，無較大波動。

通過安全監測觀測，滲壓計過程水位線可準確表示相鄰抽排泵站的工作情況及對地下水位的控制情況。在抽排泵站的日常管理中應結合安全監測數據合理調整抽排泵站工作情況，如非汛期地下水位總體較低，為防止過度抽排地下水及延長設備設施壽命，可將停泵值適當減少；汛期地下水位總體較高，為防止強降雨造成地下水位驟升可將停泵值適當增加；特殊工況如緊急退水，可利用檢修泵提前降低地下水位等。

4 結語

文章通過對抽排泵站運行工況的研究與探討，總結抽排泵站運行管理經驗與存在不足，確保南水北調工程的安全平穩運行，為后期南水北調工程運行高質量發展積累經驗。