小型水利工程提水方案設(shè)計

李新穎，楊銳婷

（中國電建集團貴陽勘察設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

1 引言

云貴地區(qū)降雨量充沛，水資源豐富，水系發(fā)達，同時西南地區(qū)地貌復(fù)雜多變，地形起伏較大，受喀斯特地貌分布影響，貴州地理環(huán)境片段化嚴(yán)重。特別是農(nóng)村聚落零散分布，村鎮(zhèn)多處于各水系的中上游地區(qū)，人高水低，從而導(dǎo)致生活生產(chǎn)用水困難且難以保障，從而制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和生態(tài)建設(shè)。充分利用地域水資源，解決農(nóng)村及村鎮(zhèn)供水難題，對快速推進當(dāng)?shù)爻擎?zhèn)化、工業(yè)化、農(nóng)業(yè)化生產(chǎn)進程，加快社會主義新農(nóng)村建設(shè)步伐、實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略有著極其重要的意義。

2 工程概況

此工程位于貴州省畢節(jié)市赫章縣境內(nèi)，水庫工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小（1）型，水庫校核洪水位2 002.90 m，總庫容232萬m3，正常蓄水位2 000 m，相應(yīng)庫容201萬m3，死水位1 979 m，死庫容50.80 萬m3，興利庫容150.20 萬m3，水庫具有多年調(diào)節(jié)性能。根據(jù)人口預(yù)測結(jié)果和定額取值進行需水量計算，至設(shè)計水平年2035 年，可滿足本地區(qū)需水量合計151 萬m3。輸水管道起點為壩后泵房起點，場坪高程為1 960 m，供水終點為已建現(xiàn)有水廠，場坪高程為2 325 m，輸水起點與終點高差約為365 m，管道總長度約4 657 m。

3 泵站設(shè)計

水泵類型通常根據(jù)地區(qū)特點和泵站的性質(zhì)來選擇。此工程為供水泵站，揚程較高，宜選用離心泵。水泵的結(jié)構(gòu)形式選擇有立式和臥式兩種，由于泵站位置在庫外壩后、通過有壓管道進行取水，所以水泵的型式宜選臥式。對應(yīng)泵站的布置型式為地面式，所以推薦泵站型式為壩后地面式泵站。

泵站裝機臺數(shù)與泵站的設(shè)計流量和揚程的變化幅度以及年運行小時數(shù)有關(guān)，流量變化幅度大和年運行小時數(shù)高的泵站，臺數(shù)宜多，流量比較穩(wěn)定和年運行小時數(shù)低的泵站，臺數(shù)宜少，主泵臺數(shù)可為1至4臺，年運行小時數(shù)高的泵站，至少設(shè)有一臺備用；年運行小時數(shù)低的泵站，可不設(shè)備用。

此泵站為高揚程泵站，其主要任務(wù)為農(nóng)村人飲供水，供水流量0.06 m3/s。由于此泵站的年利用小時數(shù)都較高，其可靠性要求也較高。根據(jù)泵站運行的靈活性和機組運行的穩(wěn)定性要求，宜設(shè)置一臺備用機組，在水泵機組臺數(shù)選擇時，初步擬定了設(shè)兩臺工作泵加一臺備用泵和設(shè)一臺工作泵加一臺備用泵兩種方案進行比選，即擬定水泵臺數(shù)為：2工作1備用共3臺機組為方案一，1工作1備用共2臺機組為方案二，進行臺數(shù)比選。

①綜合投資比較：方案一的綜合投資比方案二的綜合投資省38萬元；年運行耗電成本方案一為183萬元比方案二的177萬元，耗電成本增加6萬元。方案一的投資、運行成本均較優(yōu)。

②運行調(diào)度靈活性及管理要求方面比較：主泵臺數(shù)多則運行調(diào)度靈活性較好、工程投資較多；主泵臺數(shù)少則運行調(diào)度靈活性下降、工程投資較省。其運行靈活性方案二略優(yōu)，電機電壓等級為380V，兩種方案的防護及管理要求均不高。

通過以上綜合比較，初步推薦方案一為初選方案：即水泵機組臺數(shù)為3臺（2用1備）。

4 輸水管道水力學(xué)及結(jié)構(gòu)計算

由于此工程的總體落差較大，管徑的選取主要考慮沿程及管材承壓能力，并保證末端水池有一定的富余水頭。根據(jù)現(xiàn)狀地形，初步計算管道管徑。

管徑根據(jù)下式計算：

式中：d—管道的計算內(nèi)徑，mm；Q—管道的計算流量，m3/s；V—管道內(nèi)水的經(jīng)濟流速。

根據(jù)《室外給水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，輸水管道總水頭損失可按下式計算：

式中：hz—管道總水頭損失，m；hy—管道沿程水頭損失，m；hj—管道局部水頭損失，m。根據(jù)以往設(shè)計經(jīng)驗，對于長管道，按沿程水頭損失的10%進行估算。

沿程水頭損失hy=il

式中：i—單位管長水頭損失m/m；L—計算管段長度m；q—設(shè)計流量m3/s；Ch—海曾-威廉系數(shù)m3/s，金屬管道取120。

根據(jù)表1 計算結(jié)果，在設(shè)計流量輸水條件下，各管段末端節(jié)點均具有一定的富余水頭，且超過2 m，能滿足有壓輸水要求。

表1 管道水頭損失計算表

5 管道結(jié)構(gòu)計算

在此設(shè)計中，管材為Q235 鋼管，根據(jù)《灌溉與排渠系建筑物設(shè)計規(guī)范》管道壁厚采用下列公式：

式中：δ—鋼管管壁計算厚度，mm；p—設(shè)計內(nèi)水壓力，MPa，根據(jù)《村鎮(zhèn)供水工程技術(shù)規(guī)范》，當(dāng)管道采用鋼管時，設(shè)計內(nèi)水壓力=最大工作壓力+0.5≥0.9；［σ］—鋼材允許應(yīng)力，Q235（GB/T700）為0.55×235 MPa；Ф—焊縫系數(shù)，單面焊時取Ф=0.90；C—銹蝕余量，取C=2 mm；

通過計算，得到鋼管的計算厚度為9.20 mm，在此設(shè)計中最大選用的壁厚為10 mm。由于管道在起點壓力較大，末端壓力較小，因此從經(jīng)濟角度的考慮，當(dāng)管道設(shè)計內(nèi)水壓力小于2.50 MPa時，采用壁厚為8 mm的鋼管，當(dāng)管道設(shè)計內(nèi)水壓力大于等于2.50 MPa時，采用壁厚為10 mm的鋼管。

提水工程運行費用計算

泵站的年運行費用計算按下式計算：

式中：f—單位電價，元/（kw·h），取0.87；ρ—水的密度，kg/m3；g—取9.8 N/kg；H—水泵的揚程，m 考慮泵站內(nèi)部水損及富余水頭，水泵的揚程為372.92 m；t—泵站的年運行小時數(shù)，h，按24 h全天運行計算；η—機組的效率，取0.9。

通過計算，得到泵站的每年運行費用為164.96 萬元，取折現(xiàn)率為0.8，根據(jù)《水利水電工程合理使用年限及耐久設(shè)計規(guī)范》，泵站的合理使用年限為50年，此工程的泵站系統(tǒng)50年的總費用現(xiàn)值為2 018.04 萬元，土建投資159.25 萬元，管材投資約220.28萬元，總費用現(xiàn)值約2 397.57萬元。

6 結(jié)論

貴州地形復(fù)雜，村落分散，為解決貴州赫章縣三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)及一個村落24 933人的生活用水問題，但由水源位于供水終端下游，水源與供水終端凈揚程約350 m，需通過泵站提水方可實現(xiàn)供水需求。

影響工程投資的因素很多，文章通過對泵站設(shè)計、水力學(xué)、管道結(jié)構(gòu)及泵站運行費用等方面進行系統(tǒng)分析及計算，得到初步的工程估算。在長距離管道的設(shè)計中，還應(yīng)對管徑及泵站進行多方案分析，在滿足技術(shù)要求的同時，充分地利用地形條件，減少管道投資及泵站的運行費用，使工程效益最大化。