高扬程水泵止推墩的设计及应用

孙 路

（上海勘测设计研究院 200434）

1 前言

五号沟泵站是上海市青草沙水源地原水工程三大主体工程之一——陆域输水管线及增压泵站工程的重要组成部分，为青草沙水源地原水工程的心脏，是2010年上海世博会配套工程及上海市“十一五”重点项目，为目前亚洲第一、世界第二的原水输水型泵站。五号沟泵站工程输水规模为708万m3/天，分别直接向下游严桥泵站、凌桥水厂以及金海泵站等方向输水。其主要特点是水泵扬程高、输水规模大。

2 水泵布置

泵站基本布置为：过江管输送的水流进站后经配水井、配水渠及配水孔侧向进入前池。配水渠采用燕尾形平面对称布置，渠底高程-18.00m，两侧各对称布置3个前池，呈对称布置。每个前池向4台水泵配水，前池呈平面扩散形，扩散角均为40°，池底高程均为-18.00m。每台水泵均单独设进水池，以隔墩分隔。

五号沟泵站泵房内共布置24台立式井筒混流泵，水泵具有扬程高、单泵流量大、泵轴长的特点。平面布置为东、西两座泵房（见图1），每座泵房布置12台水泵。西侧泵房布置12台向严桥方向输水的水泵，东侧泵房分别布置7台向金海、南汇方向及5台向凌桥方向输水的水泵，具体布置如下。

a.严桥方向。输水规模440万m3/天，选用12台立式混流泵，10用2备，单泵流量19617m3/h，水泵扬程67.6m。

b.凌桥方向。非咸潮期输水规模60万m3/天，咸潮期输水规模70.4万m3/天。选用5台立式混流泵，4用1备，单泵流量7847m3/h，水泵扬程70.7m。

c.金海方向。输水规模208万m3/天，选用7台立式混流泵，5用2备，单泵流量18547m3/h，水泵扬程35m。

3 作用在水泵出水管上的水柱推力

3.1 作用在出水管上的水柱推力

高扬程水泵启动方式一般为闭阀空载启动，当水泵流量为零时，开启压力钢管上的阀门。在阀门还没有开启以前，由于水泵不停地打压供水，使阀门与水泵之间的压力管内不断升压，阀门所承受的压力不断增加，直至零流量时达到最高闭阀扬程。阀门承受的压力通过管道作用于泵体，产生水柱推力。由于闭阀启动时产生的水柱推力较大，是水泵受力的最不利工况。

3.2 水柱推力计算

水泵启动时产生的水柱推力按下式计算：

式中D——阀门处压力钢管内径，m；

p——水泵启动时的水压力，kN/m2。

严桥方向输水水泵设计扬程67.6m，出水管管径1.6m，模型水泵试验表明：100%转速时零流量（即闭阀空载启动，下同）的扬程大于95m，为该水泵最高扬程，按95m计算，该泵闭阀启动时产生的水柱推力为1910kN；凌桥方向输水水泵设计扬程67.6m，出水管管径1.2m，其100%转速时零流量的扬程大于102m，为该水泵最高扬程，按102m计算，该泵闭阀启动时产生的水柱推力为1154kN。

3.3 水泵制造要求

图1 五号沟泵站泵房平面布置图

五号沟泵站水泵制造厂提出，在机组闭阀启动时，最大将产生约2000kN水柱推力作用水泵泵体，要求在水柱推力作用下该节出水管及水泵泵体水平位移小于1mm。水泵制造厂提出的允许位移条件很苛刻，在水泵基础设计中除考虑平衡和承受水平水柱推力外，还需避免水柱推力导致泵体产生位移，如位移数值超过机组固定部分和转动部分的间隙，会使水泵机组发生振动，影响机组的正常运行。

4 五号沟泵站水泵安装条件

五号沟泵站选用24台立式井筒混流泵，泵房典型剖面见图2（以严桥方向泵房为例）。水泵支座位于2.75m高程面上，为梁式支座，水泵电机及转动部分安装在支座上，水泵固定部分即井筒悬挂在支座上，井筒长度约16.25m。水泵出水管位于-2.60m高程面上，从进水到出水方向依次为一节双法墙管、阀门、一节单法墙管，之后接到室外出水管线上。双法墙管一端通过传力补偿接头与水泵泵管连接，一端通过限位补偿接头与阀门连接，并穿过泵房中隔墙，据初设报告，该段双法墙管与中隔墙刚性连接。

图2 泵房剖面图

按此结构安装水泵，在水泵闭阀空载启动时，出水管处受水柱推力作用，该推力通过泵管传至中隔墙再到水泵井筒，因推力较大，严桥方向水泵推力计算值约2000kN，将使中隔墙产生挠曲变形，出水管与中隔墙刚性连接，再进一步带动水泵井筒产生位移。水泵井筒为悬臂结构，除自身固定于2.75m高程水泵支座外，再没有其他与中隔墙固定的措施，其本身可承受较大竖向力，但在水平力作用下更易产生挠曲变形。经计算，水柱推力使水泵出水管及中隔墙产生的水平位移约为1.6mm，因水泵出水管与中隔墙及水泵井筒均为刚性连接，亦即使水泵固定部分——水泵井筒产生的位移不小于1.6mm。中隔墙挠曲变形在规范允许的范围内取H/500（按梁的挠曲变形要求）计算约有10mm，可满足要求；但根据水泵制造厂家的有关要求，出水管及水泵井筒水平位移必须小于1mm，否则会产生水泵井筒与电机不同心的问题，造成水泵发生振动，影响机组正常运行，不能满足要求。因此，必须设置止推装置，平衡水柱推力，使泵管水平位移满足要求。

5 水泵泵体止推措施

为平衡水柱推力，必须在水泵出水管适当位置设置止推装置。按照泵房结构图，在底板上设置钢筋混凝土支墩，支墩上设置高强地脚螺栓和钢结构紧固件（由水泵或管道制造厂家提供），水泵出水管与钢结构紧固件焊接牢固，刚性连接，使水柱推力通过紧固件、混凝土支墩，直接传给底板，大大减小出水管的水平位移。因泵房结构和水泵安装高程已定，场地有限，在-2.60m高程底板沿出水管方向内衬墙处及中隔墙处分别设置一个钢筋混凝土支墩，其中机组闭阀启动时产生的水柱推力主要由中隔墙处的支墩传递至底板；机组闭阀停机时，作用在阀门上的轴向水压力则主要由内衬墙处的支墩传递至底板。两个支墩结构型式相同。支墩高490mm、宽 800mm、长2400mm，支墩上预埋一块700mm×2300mm钢板，厚8mm。钢板上布置两列四排共8个M30高强地脚螺栓，螺杆长度800mm。混凝土支墩和该层底板（底板厚500mm）整体浇筑。具体平面布置及剖面图见图3、图4。设置支墩后，双法墙管与中隔墙的连接改为柔性连接。

图3 水泵出水管止推支墩布置平面示意图

图4 水泵出水管止推支墩剖面示意图

在泵房结构-2.60m高程上增加两个钢筋混凝土支墩与水泵出水管刚性连接后，使得高扬程水泵启动或者停机时产生的巨大水柱推力通过支墩传递给底板，阻止或减小水泵出水管水平位移。经计算，设置支墩后，在机组零流量闭阀启动产生最大水平推力的工况条件下，水泵出水管水平位移小于1mm，可满足水泵正常运行的条件。

6 结语

对于高扬程立式混流泵，水泵零流量闭阀空载启动时会产生较大的水平推力，为满足水泵正常运行，必须设置止推墩来承担该水平推力，从而避免水泵井筒因受水平推力而发生变形，避免水泵泵体异常工作。因未平衡水平推力而导致泵体工作异常的事故在以往高扬程水泵工程案例中发生较多，《泵站设计规范》（GB/T 50265—97）6.5.8条在总结多起泵站事故的基础上特意提出：对于高扬程泵站，计算机墩稳定时，应计入出水管道水柱的推力，并应设置必要的抗推移设施。对此应引起重视，考虑该工况，采取措施加以避免。■