黃水東調二期工程加壓泵站特點分析

劉 菲， 張 哲， 張冠英， 徐瑞蘭

(山東省水利勘測設計院有限公司，山東 濟南 250014)

0 引 言

山東省黃水東調工程為長距離跨流域的大型調水工程，是山東省為解決膠東半島地區嚴重缺水局面而興建的應急供水工程。工程分為一期和二期：一期工程經四級泵站將黃河水通過渠道、沉沙池、調蓄水庫和壓力管道輸至濰北第二平原水庫；二期工程利用濰北第二平原水庫調節黃河水，通過出庫涵閘從水庫引水，經二期泵站提水后通過壓力管道將水送至引黃濟青和膠東調水干渠。一期和二期輸水管道為2根DN2400(DN2600)螺旋鋼管和玻璃鋼管，管道總長116.6 km。黃水東調工程承擔年運行時間243天、年輸水量3.15億m3的應急供水任務，緩解了青島、煙臺、濰坊、威海四市水資源供需矛盾，優化了山東半島地區水資源優化配置的省級水網骨干工程，對保障青島、煙臺、濰坊、威海四市經濟社會可持續發展具有重要意義。二期加壓泵站為黃水東調工程第五級泵站，采用壩后式布置。本文結合二期加壓泵站資料，分析該泵站特點，總結了該類型泵站設計經驗，為同類型泵站的設計等提供參考。

1 泵站基本情況

加壓泵站通過出庫閘將濰北第二平原水庫庫水引至壩后壓力進水前池，再通過泵站提水加壓送至出水管，出水管與下游供水管道相連，最終輸水至引黃濟青宋莊分水閘上游入引黃濟青渠道，完成提送水任務。該工程建成后，與一期工程有機結合，黃水東調工程供水系統得以完善。

加壓泵站布置于濰北第二平原水庫東壩段樁號3+000、出庫涵閘出口處，泵站由出庫涵閘、壓力前池、主副廠房及出水管等組成，通過出庫涵閘引水至壓力前池，水泵機組從壓力前池取水并加壓至出水管，出水管與輸水總管道相連。泵站設計流量為15 m3/s，設計揚程為51 m，安裝8臺臥式離心泵，總裝機容量為14 400 kW。進水管為DN1400鋼管，出水總管為2根DN2400的鋼管。

2 泵站特點分析

2.1 泵站進水條件特點

2.1.1 利用已建水庫調節

二期加壓泵站為長距離跨流域調水的梯級泵站，泵站采取壩后式布置，利用水庫出庫涵閘取水，加壓泵站壓力前池進口與出庫涵閘出口連接，庫水經出庫閘、穿壩涵洞進入泵站前池。

依據地理優勢，加壓泵站利用已建的濰北第二平原水庫進行調節，能夠保證進口水流流態穩定，保證機組安全運行，并易與上級泵站流量匹配，充分滿足下游沿線各分水口運行工況，保證下游輸水線路運行調度靈活可靠；濰北第二平原水庫年調節庫容為1701萬m3，當一期工程發生突發狀況無法供水時，水庫仍可按設計流量向二期工程持續供水9 d，為一期工程提供了搶修時間，較大程度減少了對下游供水的影響；加壓泵站位于水庫圍壩后可充分利用水庫水頭，降低泵站揚程，減少工程投資，節約能源。

2.1.2 前池水力設計優化

考慮與周邊景觀協調，泵站進水前池采用壓力前池。壓力前池進口與濰北第二平原水庫東壩出庫涵閘出口連接，受泵站機組布置、場地尺寸限制，泵站前池垂直水流方向寬度為6.6～62.1 m，順水流方向寬度為51 m，前池擴散角達到78.8°，超過《泵站設計規范》(GB 50265—2010)關于“壓力前池擴散角應小于40°”的規范。前池擴散角過大將使前池內產生不良流態，影響水泵機組的安全穩定運行，甚至會導致泵機組強烈振動[1]。

參照以往的工程經驗及研究成果[2，3]，在控制尺寸不變的條件下，采用曲線型的側壁邊界與梅花形布置的立柱[4]相配合對前池流場進行整流，并進一步采用CFD數值模擬方法對壓力前池進行水力設計優化[5]，得到了前池立柱陣列整流的優化方案。CFD數值模擬結果表明優化方案較好解決了加壓泵站因壓力前池擴散角過大而導致的水流脫壁及形成大范圍回流區的問題，同時調整喇叭管進口型式消除喇叭管后部與前池后墻之間的紊亂流態。優化后的各運行工況喇叭管出口的流速分布均勻度平均值均不低于98%，水流角度平均值均不小于87°[5]，確保了泵站進水流態穩定和水泵安全運行。現場檢測水泵機組運行情況，各項測試結果均符合相關規范要求和設備廠家規定的允許值，運行中也未發現水泵汽蝕現象，泵站現場機組運行安全穩定。泵站建成后的實際運行情況表明，本文提出的壓力前池的水力優化設計取得預期效果。

壓力前池進口及進水池末端兩側各設1個進人口，共4個，內設復合式排氣閥，對應水平段兩側進人孔處設置集水井，方便清淤及檢修。

2.2 超長混凝土結構設計特點

加壓泵站主廠房及壓力前池為超長混凝土結構，設計采用整體澆筑加設后澆帶方案，以控制混凝土溫度裂縫，同時避免了地下廠房永久分縫的質量隱患。設計中考慮了結構質量分布的合理性，主廠房垂直水流方向設2道后澆帶，設后澆帶后主廠房左、中、右三聯分別寬25.0 m、24.0 m及29.9 m；壓力前池在順水流方向及垂直水流方向各設1道后澆帶。后澆帶寬均為1.0 m，其中底板后澆帶為超前止水后澆帶，即混凝土底板嵌入帶止水構造的止水鋼板以起到防滲漏、止水效果[6]。當建筑結構重量滿足地下水上浮力平衡時，可提前拆除超前止水構造[7]，待主體建筑封頂沉降變形穩定后，澆筑后澆帶混凝土。后澆帶應待相鄰兩段主體完工且混凝土充分冷卻收縮42 d后，再澆筑后澆帶。后澆帶采用補償收縮混凝土，強度等級為C40、抗滲等級W6、抗凍等級F150，水中養護14 d后的限制膨脹率要求不小于0.015%，膨脹劑摻量不宜大于12%。

2.3 輸水系統布置特點

泵站輸水系統布置如圖1所示，輸水系統布置特點如下：

圖1 泵站機組平面布置圖

(1) 水泵進水管采用一泵一管形式，共設8條DN1400進水鋼管；出水管采用四泵一管形式，即每4臺機組出水管道(DN1400)以非對稱Y形岔管連接方式匯入一條DN2400出水總管。非對稱Y形岔管連接方式的水流條件好，流態分布比較均勻，水頭損失小，安全性較高[8]。

(2) 加壓泵站設置8臺臥式單級雙吸離心泵，其中備用2臺。泵站出水系統劃分為兩組對稱布置，每4臺水泵機組(各包括1臺備用泵)及其出水管為一組，與出水總管雙排布置相協調，形成兩個既獨立又聯通的供水管路系統，能夠在不中斷供水的條件下進行機組、管道及其閥件等部件的檢修，提高供水保證率。

(3) 利用主廠房安裝間下部空間，布置小流量自流旁通管和偏心半球閥, 自流旁通DN1800，穿過主廠房從前池一側取水，并采用非對稱Y形岔管連接方式匯入DN2400出水總管，充分發揮向輸水管道初次預充水和向1#、2#分水口小流量供水的作用。利用水頭差自流進行初次預沖水及向1#、2#分水口小流量的供水布置減少工程投資，節約能源，充分利用了主廠房空余空間。

(4) 每臺水泵出口設置液控止回偏心半球閥，兼有閘閥和緩閉止回閥的功能。當泵站突然停電或事故停泵時，偏心半球閥永存的蓄能罐勢能，能自動按預先調定好的快關和慢關程序，分兩階段關閉半球閥，防止水錘危害，保護水泵及管路安全。

(5) 泵站在出水總管道上各設1臺多聲道超聲波流量計,用以測量供水水量、流量、流速及水溫等參數，同時同步將測量數據上傳泵站中控室，為調度運行提供依據。

2.4 泵站機組運行特點

泵站設計6用2備臥式單級雙吸離心泵向輸水管道，輸水管道沿線共設7處分水口，除1#和2#分水口單獨供水時可采用泵站旁通管自流供水外，其他分水口及單獨給濟青干渠、膠東干渠供水管道均采用泵站機組運行供水，運行工況達到11個，泵站運行流量范圍為 5～15 m3/s，水泵揚程隨流量不同變化范圍為14.69～54.63 m，變幅最大達3.7倍 。針對泵站揚程變幅大且變化復雜、水泵運行工況復雜的特點，設計采用單管3臺或4臺、雙管6臺的并聯運行與變頻調速相結合的運行方式 。變頻調速范圍為60%～100%額定轉速，即水泵在438～730 r/min運行 。水泵并聯變頻調速運行工況曲線如圖2所示 。

圖2 水泵并聯變頻調速運行工況曲線

采用對不同水泵臺數匹配的變頻調速運行及單、雙管配合的運行方式，可以實現水泵在不同流量工況下的可靠運行。

(1) 在7個分水口及濟青干渠、膠東干渠不同供水流量需求組合下，該機組運行方式均可以實現流量的調節，調度運行靈活，供水保證率高。

(2) 在各種運行工況下，經計算分析水泵效率均能大于 80%，水泵均在較優效率區內運行。

(3) 在各種運行工況下，水泵汽蝕余量均不大于相應運行設計工況下的汽蝕余量值，表明水泵運行時振動小，水泵機組處于安全運行狀態。

(4) 該機組運行方式能夠保證水泵及電動機在調速范圍內的各種工況下調速運行安全、穩定運行。

2.5 泵站特點總結

(1) 黃水東調工程二期加壓泵站采取壩后式布置利用現有水庫進行調節，保證泵站流態穩定、機組安全運行；并易與上級泵站流量匹配，保證下游輸水線路運行調度靈活可靠；利用現有水庫調整庫容，為一期工程突發事故時提供了搶修時間，較大程度減少了對下游供水的影響；加壓泵站位于水庫圍壩后可充分利用水庫水頭，降低泵站揚程，減少工程投資，節約能源。

(2) 采用CFD方法，通過調整立柱配置、側壁線型和喇叭管進口型式等多種措施對壓力前池進行了優化設計研究，得到曲線型的側壁邊界與梅花形布置的立柱相配合優化方案，對前池流場進行整流，確保泵站進水流態穩定和水泵安全運行。

(3) 采用后澆帶方式應用于主廠房和壓力前池超長混凝土結構，以控制混凝土溫度裂縫，同時避免了地下廠房永久分縫的質量隱患。

(4) 合理布置輸水系統，減小水頭損失，提高供水保證率；巧妙布置小流量自流旁通管，充分發揮向輸水管道初次預充水和向1#、2#分水口小流量供水的作用；水泵出口合理設置液控止回偏心半球閥，兼有閘閥和緩閉止回閥的功能，防止水錘危害，保護水泵及管路安全。

(5) 加壓泵站供水流量及揚程變幅大，通過選用性能優良的水泵機組及技術先進的變頻調速技術，采用合理的輸水系統布置及單、雙管配合的靈活的調度運行方式，實現泵站在不同流量工況下的運行安全、穩定、高效。

3 結束語

由于能夠有效的解決水資源時間、空間分布不均問題，梯級加壓泵站在長距離流域內、流域間調水工程中得到廣泛應用[9]。受場地、供水對象等條件限制，加壓泵站具體設計時會遇到不同問題。山東省黃水東調工程為解決膠東半島地區嚴重缺水局面而興建的應急供水工程，對膠東四市安全可靠供水起著關鍵的作用，對緩解山東半島水資源緊缺局面發揮了重要作用。目前黃水東調工程已竣工通水，工程整體運行良好。本文圍繞二期加壓泵站，總結提煉出泵站依據壩后布置地理優勢充分利用已建水庫調節、采用曲線型的側壁邊界與梅花形布置的立柱相結合布置方式調整前池流態、主廠房和壓力前池超長混凝土結構采用后澆帶施工工藝、出水管采用四泵一總管非對稱Y形岔管連接方式、巧妙布置小流量自流旁通管、采用變頻調速技術及單雙管配合的靈活的調度運行方式等布置特點和主要供水特點，確保了工程運行安全、穩定、高效，為同類工程設計提供參考及技術支撐。