城市活水工程泵站選型研究
——以九江鎮聯合涌活水工程為例

麥熾球

(佛山市南海區九江水利所，廣東 佛山 528000)

隨著城市的快速發展，居民工業等用水量逐漸增加，對沿線河道水系的水資源需求逐漸增加，導致現狀河道水系下流流量逐漸減少，水動力不足，水質不斷惡化，制約城市整體發展[1]。活水工程即將外源較好的水源通過管道管渠等方式向水動力缺乏或污染較為嚴重的城市河道水系注入來水流量，達到水動力措施和促進河道水系水質整體改善的目的[2]。城市活水工程在現有水系格局前提下，遵循上游引進下游排出原則，加強內部水系的水動力，全面提高城市水環境效益[3]。活水泵站遵循規劃總體布置，局部與整體相結合的方式力求外形美觀，管理方便，充分利用現有水利工程及河涌條件，因地制宜地進行全面綜合設計[4]。城市活水工程主要由活水泵站、活水管線等組成，其中活水泵站的泵房，泵站選型等設計參數顯得尤為重要，直接關系到活水工程的整治效果[5]，因此活水泵房的設計尤為重要。

本文以九江鎮聯合涌為例，通過對聯合涌活水工程的整體設計，采用閘門泵的形式設計泵房典型參數，重點分析了泵站泵型比選，選擇全貫流電泵作為泵房泵型，全貫流電泵整體性能能夠滿足活水工程需求，以期為類似活水工程泵站選型提供參考依據。

1 工程概況

九江鎮屬于廣東省佛山市南海區下轄的鄉鎮之一，原沙頭鎮并入九江鎮后形成新區劃九江鎮，地理位置在佛山市南海區的南端，由東邊相鄰順德區龍江鎮，西南方向為鶴山市，西北方向為高明區，北邊相鄰南海區的西樵鎮。九江鎮聯合涌活水泵站工程位于九江鎮沙頭大涌與羅客涌交匯處(萬安西路南側)。按活水規劃要求，新建泵站設計引水流量為2.0 m3/s，泵站為閘門泵形式，閘門寬度為3.0 m，底板降低到-1.50 m。泵室采用雙孔箱涵結構，總長21.00 m，寬度為8.20 m，單孔寬度為3.0～3.3 m，底板面高程為-1.00～-1.50 m，底板面高程為3.30 m。底板前后與現有河涌銜接，高程為-1.00 m，降低到閘門最低點為-1.50 m。底板厚度為0.60 m，頂板厚度為0.35 m。安裝2臺600QGWZ-125型全貫流電泵，電機功率65 kW，總裝機容量130 kW，實際總裝機流量2.32 m3/s，本工程等別屬于Ⅳ等，建設規模為小(1)型泵站，主要的永久性建筑物建設級別為4級，永久性次要建筑物為5級。聯合涌活水泵站將人字水引入的外江活水從沙頭大涌提升至羅客涌、聯合涌，將水推動進入東西運河匯入南北主涌，最終由沙口泵站排出。項目建設周期為12個月，計劃安排在當年12月—次年12月施工，各個工序之間互相交叉，確保工程按時完成[6]。

2 泵站設計

2.1 工程地質

2.2 泵站特征水位

工程選址位于九江鎮沙頭大涌與羅客涌交匯處(萬安西路南側)，采用閘門泵的形式不會影響到現有的河涌排澇能力，水泵的安裝在閘門上，整體泵站均布置在現有水利用地內，不用新增征地，不需要拆現有土建。結合工程特點，活水泵站選擇為開敞式無進水流道型，泵室進水流道垂直方向尺寸小，泵室基礎面較淺；泵室結構規整，線條簡單，施工方便，質量保證。泵站不同工況下水位設計(見表1)，活水泵站進水池水位一般保持不低于0.70 m，平時保持0.5～1.5 m，取0.7 m作為活水泵站設計水位；考慮攔污柵過柵與過路涵洞的損失0.2 m，則進水池水位為0.5 m。由于當沙頭大涌水位為低于0.50 m時，水質較差，而且過路涵洞底板面高程為-0.30 m，考慮攔污柵過柵與過路涵洞的損失0.2 m，因此本階段將最低開機水位0.30 m，出水池水位羅客涌控制水位1.70 m，考慮到出口損失，出水池設計水位為1.80 m。

表1 泵站工況水位 m

2.3 主要構筑物設計

活水工程泵站采用雙孔泵室的結構，不減少現狀河涌的寬度，采用閘門泵的形式布置在河涌中間處，不會影響現狀河涌的排澇能力，臺水泵布置在閘門上面，為了減少垃圾對水泵的影響，在泵室入水口設置攔污柵門槽，安裝攔污柵，泵站所有的附屬建筑物均布置在泵室頂面，減少以后擴涌對現有泵站的影響。活水泵泵站2臺600QGWZ-125水泵布置在2扇閘門上面閘門，閘門寬度為3.0 m，底板降低到-1.50 m；泵室采用雙孔箱涵結構，總長20.0 m，寬度為8.20 m，單孔寬度為3.0～3.3 m，底板面高程為-1.0～-1.50 m，底板面高程為3.30 m；泵室面高程3.30 m，在泵室的上部區域設置有啟閉室，啟閉室設計1×16 t型電動卷揚機2臺，同時閘面上預留著卷揚機安裝孔口，方便水泵檢修。外江段U形明渠總長6.1 m，凈寬度為7.2 m，墻頂高為2.2 m，底板面高程為-1.0 m，將泵室與現有方涵連通；內涌段U型明渠總長3.0 m，凈寬度為7.2 m，墻頂高為2.2 m，底板面高程為-1.0 m，將泵室與現有擋土墻連通。底板厚度為0.4 m，頂板厚度為0.4 m。

滲流穩定計算采用允許滲徑系數法進行計算，如式(1)所示，地質鉆探顯示基面以下是置換砂層，砂層滲徑系數C=7～5；設計水位差在最高水位最大時計算△H值為1.5 m，根據規范要求泵站的滲徑設計參數需要>10.5 m的范圍，根據計算可知泵室實際滲徑的長度為22.7 m>10.5 m，可知實際滲徑長度滿足現有設計規范。同時計算(見表2)可知，4級建筑物的地基的抗滑穩定安全允許值在荷載基本組合時為1.20，在荷載特殊組合時為1.05，均滿足現有規范對抗滑穩定安全允許值的要求。根據現場勘測，泵站的天然地基屬于粉質性黏土，因此整個泵房地基按中等堅實土進行基礎處理，計算可知地基反力不均勻系數允許值基本荷載組合為2.0，特殊荷載組合為2.5，結果均大于設計推薦值，滿足現有的設計規范要求。

表2 泵室整體穩定計算成果表

L≥CΔH

(1)

3 泵型設計

水泵選型在設計標準的各種工況水泵機組能正常安全運行，必須滿足流量和揚程的要求，具有高效范圍運行，泵站效率較高，能量消耗少，運行費用較低，工程投資較少等特點，不允許發生氣蝕、振動和超載等現象。

3.1 泵型比選

活水泵站主水泵類型一般根據泵房選址、周邊環境和泵站流量設計要求、活水性質等進行綜合比選，在一般的情況下，對于揚程較小的泵(如<10 m)時建議選用全貫流電泵或常規的GQB型貫流潛水泵。本工程設計揚程2.40 m，最高揚程2.90 m，均<10 m，根據比較(見表3)后可知，全貫流電泵具有整體結構布局緊密，軸向尺寸相對同類型泵減小約一倍，泵體重量較輕，金屬耗量比傳統同類別泵型低，僅為傳統潛水電泵的一半，一體化高精度裝配，動靜平衡性能良好，運行平穩無噪聲，機械振動低等特點。結合本工程運行特點，調查已建低揚程泵站的實例，本工程揚程較低，水力損失小，結構流道平直，適用于臥式泵。臥式全貫流電泵具有揚程低、流量大，在國內廣泛使用。本工程水泵類型設置全貫流電泵600QGWZ-125型全貫流電泵2臺，單泵裝機流量1.16 m3/s，最大引水流量為2.32 m3/s，總裝機容量130 kW。

表3 泵型對比表

3.2 水力計算

根據設計手冊，水泵入口損失ΔH1與水泵出口與拍門水力損失計算ΔH2的計算如式(2)、式(3)所示，水泵入口損失ΔH1=0.2758Q2；水泵出口與拍門水力損失計算ΔH2=0.5512Q2，總水力損失為0.8268Q2。600QGWZ-125 水泵裝置性能曲線在設計工況下為H設計=1.30+0.8268Q2，在最高工況下H校核=1.50+0.8268Q2，上述最高工況和設計工況下曲線在水泵性能曲線圖進行疊加組合，得到泵房選型水泵的相關工作點參數，方案設計工況、最高工況和平均揚程工況下潛水電泵工作點整體都位于高效工作區，設計流量及揚程要求均能滿足運行工況要求，因此泵型選擇合理。

(2)

(3)

式中：δ1為入泵入口局部阻力系數；v為水泵入(出)口流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；δ2為水泵出口局部阻力系數。

3.3 電氣設計

電氣布置在泵室頂旁邊，總寬為13.0 m，長為13.05 m，內安裝水泵控制柜。設置雙層廠房，一樓作為低壓控制室與中控制室，二樓為啟閉機室與站區管理人員管理室。活水泵站電源及主電路配套電動機為65 kW，電壓等級0.38 kV，總裝機容量130 kW，另有三個節制閘及站內用電負荷約為15 kW。工程負荷等級為三級，系統接地型式采用TN-S。本工程供電電源點接泵站附近人字水泵站，供電距離約為405 m，采用YJV22-0.6/1 kV-4×95+1×50電力電纜埋地敷設及BVV-3(1×185)+1(1×95)電力電線架空敷設方式結合。

活水泵站全部為0.4 kV異步電動機，采用軟啟動方式，電動機額定功率為65 kW，額定電壓為0.4 kV，轉速為1000 r/min，功率因數為0.8，額定效率為93.4%，堵轉電流為5.32A，堵轉轉矩為1.4，最大轉矩為2.0。低壓采用GCK低壓抽出式開關柜3面，電動機設電機控制柜1面，啟動采用軟啟動方式。1面控制箱控制2臺電機。低壓電纜室內選用ZRYJV-1 kV型阻燃交聯電纜，室內選用YJV-1 kV型交聯電纜。敷設方式主要采用電纜溝、電纜支架、電纜穿鋼管等。中控室集中控制為主，開關柜、配電屏、機旁控制為副，電動機設過流保護、電流速斷保護等，保護定值設置在低壓智能開關，過負荷保護動作于熱繼電器。

3.4 閘門設計

泵室2孔設兩扇閘門，閘門寬3.0 m。閘門需要雙向擋水，所以單向擋水的人字門、掩門等閘門不適用，雙向擋水的一般采用平面閘門。根據本工程的特點，需要將水泵掛在閘門上，考慮維修、管理方便，閘門采用直升式平面閘門形式。閘門采用多主梁平面結構，梁格與門板形成整體，整體剛度好，面板為四邊支承，受力條件好；面板可以作為梁截面的一部分參與梁格的抗彎工作，從而減少梁格的用鋼量。平面鋼閘門的構造主要由面板系統、梁系統和支承系統組成，實際工作中平面鋼閘門表現為空間結構，為便于設計，一般將鋼閘門的空間結構進行分解，從不同的方向分解成若干個平面體系，在平面設計中組合為空間結構。直升式閘門是工程最廣泛使用的門型，它是平板式門葉卡在門槽內而封閉孔口的。閘門和啟閉機型式是結合現有水工建筑物的整體設計，運行工況，水位控制參數等綜合確定；根據閘門型式來設計閘門各縱梁、頂梁、底梁等梁系統，如截面尺寸、相對位置，厚度、空間布置等；最后是對閘門進行驗算，對閘板梁系統、面板、支承配套零部件綜合驗算結構、強度、剛度、整體和局部穩定性等。

3.5 地基處理

根據地質報告活水泵站建基面位于粉砂層與砂性素填土層。砂性素填土：灰、淺灰色，局部黃色，松散，濕～飽和，主要由砂土填成，局部含少量黏性土，填成時間超過5 a。各工況泵室基礎底面平均基底應力為91.82 kPa，泵室基礎底面最大基底應力為115.12 kPa。泵室基礎的平均基底應力不得超過設計允許承載力，最大的基底應力也不得高于設計允許承載力的1.2倍。應該本工程處理后地基允許承載力不應<100 kPa。根據建筑物結構特點，結合類似工程基礎處理經驗，對泵室主體采用人工基礎處理，參照基礎處理的經驗，對泵室閘室打木樁處理，樁長4 m，尾徑100 mm，木樁間距為0.5 m×0.5 m。可以有效減少基礎的沉降，增強基礎強度的統一性。

4 結 語

本文以九江鎮聯合涌活水工程為例，對活水工程的泵站進行了系統性設計，分析了泵型比選，水力計算選擇為600QGWZ-125型全貫流電泵，配套進行電氣、閘門和地基處理等設計，活水泵站設置全貫流電泵600QGWZ-125型全貫流電泵2臺，單泵裝機流量1.16 m3/s，最大引水流量為2.32 m3/s，總裝機容量130 kW，工程實施后有利于改善聯合涌水動力和水質，活水效果良好，同時本文對類似活水工程泵型設計具有一定的參考價值。