改造虹吸式出水流道，提高泵站运行效率

2014-12-24代艳

湖南水利水电 2014年5期

关键词：虹吸式流道驼峰

代艳

（益阳市明山电排管理站益阳市 413204）

蔡双

（益阳水利水电勘测设计研究院益阳市 413000）

因为液压缓冲装置和快速拍门技术没有出现，20 世纪湖南省湖区建成的大型排涝泵站出水流道多采用虹吸式。下面以某泵站过去运行的实例与改为直管式后的效果比较，充分说明湖区大型排涝泵站技术更新改造的必要性和重要性。

1 存在的主要问题

（1）虹吸式出水流道，机组启闭过程复杂。虹吸式出水流道运行中需要配套真空泵系统和低压气机系统，通过闸阀控制抽取流道内空气和破坏流道内真空。机组启动前，关闭真空阀，启动真空泵将出水流道内的空气排出，在大气压力下使流道内的内外水位抬高，流道内形成虹吸，真空度根据内外河水位差计算，或者由人工通过驼峰顶透视有机玻璃压板观察外河水位升高至漫过驼峰顶时停止抽真空，启动机组。正常抽取真空时间每台一般需要（20～30）min，如流道漏气则需要（1～2）h。机组正常停机，由主水泵机组断路器辅助触点联动启动真空破坏阀，利用低压气机顶开真空破坏阀门后向流道内补气，促使出水流道的水以驼峰顶分界断流。停机过程中，往往由于电磁阀拒动或者低压供气不足而导致真空破坏阀不能打开，外河水倒灌使机组飞速反转，必须由人工迅速用大锤敲碎驼峰顶有机玻璃压板破坏真空。在电网突然停电情况下，几台主机组同时停机，副厂房真空破坏阀全部开启，瞬间空气大量吸入，影响设备和人身安全。

（2）外河超限水位下，泵站安全受到威胁。某泵站虹吸式出水流道设计外河最高洪水位33.4 m（驼峰顶高程33.8 m），外河最低运行水位27.8 m（出水口顶高程27.6 m）。由于湖区水文条件逐年变化，要求在外河极限水位下运行情况时有发生，当外河水位低于27.8 m 以下，虹吸式流道出水口露在水面而无法形成真空，当外河水位高于33.8 m时，流道无法抽取真空，两种极端情况下因为水泵运行扬程太高而不能开机。当外河水位低于运行水位时，泵站必须组织人员在外渠临时筑坝灌水淹没出水口满足抽取真空条件，一般要延误开机运行时间数天，造成内渍。最为严重的是外河超驼峰水位情况下不能开机，比较典型的超驼峰漫水年份为1988年、1996年、1998年、2002年，每当外河超高水位时，正是内涝最为严重的时候，外河水位超驼峰漫水，泵站人员必须拆除有机玻璃压板进入驼峰顶部，用人工搬运泥袋设坝拦堵，避免洪水倒灌损坏机组。一旦外河水位消退至驼峰顶以下时，立即清除泥土，恢复真空设施，迅速准备开机排渍。以上情况的出现，对垸内防洪安全、泵站设备及操作人员的安全带来很大的威胁。

（3）虹吸管流道断裂，运行效率明显下降。由于湖区地质条件差，该泵站建于20 世纪70年代，出水流道基础处理时，采取了回填新土夯实的方式，夯压不实，填土后立即浇筑垫层及结构混凝土等原因，出水流道出现不均匀沉降，流道出现裂纹，在冬季低温季节受气温低收缩的作用，裂缝部位逐步扩展至内坡段的驼峰附近，加之由于泵站在运行时振动较大，进一步加剧了出水流道的裂缝扩张。针对这一情况，曾经两次采用深孔高压灌浆办法对出水流道进行了基础加固处理，基本每年在流道内对裂缝进行环氧树脂填充修复，仍收效甚微，未解决根本问题。由于流道裂缝较多、气密性差，致使每年汛期排涝时抽排真空时间逐年加长，机组运行扬程升高，振动加剧，能耗加大，排水效益降低，设备故障率高，运行成本增加。虹吸式出水流道的断裂成为了影响泵站机组安全运行，威胁受益区安全度汛的关键因素。

2 改造方案的选定与实施

2.1 两种方案比较

针对虹吸式出水流道存在的不均匀沉降导致断裂问题，结合泵站型式和湖区水文、地质条件，可采用以下两种改造方案：

方案1：对现有出水流道进行修复。工程措施为进行基础整体加固，流道断裂和裂缝部位处理，出口防洪门改造，真空系统和真空破坏阀系统更新改造。优点：部分设备设施利旧，节省改造资金，发挥虹吸式出水流道在低水头情况下的运行优势。缺点：运行操作复杂，不适应内外高水位差和外河超限水位情况下的运行。

方案2：将虹吸式出水流道改造为直管式出水流道，根据堤后式泵站的布置型式，结合内外河水文资料，采用直管式出水流道代替虹吸式出水流道。从省内外多处大型排涝泵站虹吸式出水流道改直管式出水流道成功经验来看，优点：结构简单，运行方便，扬程损耗小。缺点：拆除新建一次性投入改造资金大。

综合以上方案进行比较，从泵站长远整体效益来看，出水流道改造宜选用将虹吸式出水流道改为直管式出水流道方案。

2.2 地质条件

该泵站站址系洞庭湖冲湖积平原与构造剥蚀残丘的过渡地带，是洞庭湖区难得的岩基出露地带，泵站基础系强化灰绿色砂质板岩夹黄色千枚状页岩，岩层倾向325°，倾角20°，基岩出露高程自东向西及西北倾斜，地层较简单。

工程区地表层上部为黄褐～灰黄色粉质粘土，可塑状态，现场标准贯入试验5～6 击，厚（1.4～3.3）m 不等。下部为灰黄色粉细砂与灰黑色淤泥质粉质粘土、粘土层，其中粉细砂层结构松散，厚度（0.6～4.9）m，以2～3 层单层与淤泥质粉质粘土层“互层”分布，局部呈透镜体分布。灰黑色淤泥质粉质粘土层，一般呈软塑状态，力学性状较差，现场标准贯入试验3～5 击，厚度（1.6～7.9）m 不等，主要分布于（18～24）m 高程之间。

2.3 工程设计

（1）基础处理设计。由于经过多次渗透破坏，闸基下部存在大量空洞，施工时对原已进行浆砌石换基处理的闸基进行充填灌浆，对未处理的闸基则采用浆砌石换填处理。闸基下部存在粉细砂层和粉质粘土夹粉细砂层水平渗透性较好，对其进行延长闸前防渗铺盖（混凝土结构）、闸后砂石层导滤等防渗处理措施。对下部存在较厚的高压缩性土层、含水量高的闸基，进行深搅桩加固处理。

（2）施工设计。出水流道拆除混凝土至主厂房下游墙外边线，按主厂房内已有出水流道中心线1∶2.0 的坡度趋势与本次设计出水涵管中心线高程30.194 m 以圆弧相交，涵管净高2.5 m，切点以出主厂房流道内边顶点为控制，中心线圆弧角度为26.57°，圆弧半径5.606 m。平面上按已有机组间距及厂房内部流道尺寸的扩散趋势，与外部设计涵管每孔净宽为5.8 m 时相交确定，每孔涵管中设置隔墩，厚0.4 m、0.5 m 不等，边墩、缝墩厚度1 m，1#、2#机组间分缝，缝墩厚度0.6 m。涵管段总长28.70 m，保持原有的流道平面长度不变。

将原有混凝土流道按设计流道结构所需尺寸切割完成，剩余的流道孔口、原老闸涵管及右侧经现场标准贯入试验确定地基承载120 kPa，不满足设计要求，故采用水坠砂卵石填充；流道左侧1#机部位现场地基承载力试验数据为240 kPa，满足设计要求。

根据地基的不同分类，将出水流道分缝调整为1#机1 缝，2#、3#机1 缝，4#、5#、6#机1 缝；横缝按已有涵管下浆砌石基础墩的不同位置长度设置；缝缝之间采用橡胶止水带止水。

闸室底板高程28.644 m，长度7.8 m，闸顶高程36.30 m，靠上游侧设置进人孔兼做通气孔，3 机1缝，各机组间设置隔墩；每机考虑2 片拍门，拍门底板高程28.944 m，顶高程32.534 m，中间隔墩支撑。出水流道底板高程28.644 m 与原有消力池底板高程22.60 m 之间，为避免跌坎消能，淘刷闸基础，设计1∶2.0 的斜坡段衔接，填筑材料为浆砌石，面板为0.5 m 厚防渗抗冲面板。

涵管开挖回填后，要求恢复其原有的混凝土公路路面及邻近衔接道路，公路高程36.80 m，宽8 m，上下游坡比1∶2.0，草皮护坡。

每台机组出水流道均分两孔，孔口尺寸为2-2.65 m×2.2 m（孔数-宽×高），管道末端装设两扇电动油压拍门控制。拍门垂直方向夹角10°，最大开启角度70°，可随机组同步开启和关闭，防止洪水倒灌和机组反转，确保了机组安全运行。

2.4 施工建设

由于原倒虹吸混凝土出水流道地板开挖后发现遗留五孔废闸，未作处理。经过补充勘探地质报告，对原设计方案进行调整。调整后的设计方案：采用水坠砂砾石回填，预Ф110 PVC 管埋灌水泥浆的处理办法。2007年11月5日，在排水措施准备完毕后，施工人员用人工回填砂砾石并高压水枪反复冲坠的办法回填砂砾石，并按设计要求预埋好Ф110 PVC 管，然后充填灌浆处理。根据检测报告显示，出水流道水坠砂砾石充填灌浆现场平板载荷试验3 点，地基竖向抗压承载力满足出水流道对地基竖向抗压承载力240 kPa 的设计要求。

混凝土浇筑时巧遇2008年严重冰冻，低温期间采用稻草布麻袋塑料布三层覆盖。针对在其迎风面和边角等多处新浇筑混凝土结构呈蜂窝状和粉未状等明显的冻坏痕迹，为了不影响出水流道的整体结构及承载力性能，采取了风钻、人工等方式加班加点，及时进行拆除和修复。

3 运行评价与建议

（1）出水流道结构简单，维护方便。直管式出水流道设计简单，虹吸式出水流道因形态复杂设计工作量大，特别在进行流量和流态复核计算中，直管式在增加或减少20%流量情况下流态基本稳定，而虹吸式必须要进行流道脱流和出口段环流量模拟测试。现场施工中直管式出水流道布置简单，荷载基本均匀，在基础加固、钢筋制安、混凝土浇筑等方面施工易于控制质量与进度。同时，直管式出水流道还省去了真空系统的配套设施。改造后投入运行的几年中，仅对出水口拍门进行了维修，流道年度维护、保养要简单方便很多。

（2）机组启动过程简化，运行平稳。直管式出水流道在开机前没有必须抽取真空的环节，简化了开机准备程序，节省了开机时间，提高了开机可靠性。直管式出水流道机组启动至平稳运行过程，仅为出水流道内出水流势由紊流趋于常态的过程，时间短、机组振动小。

（3）减小出水流道损失，效率提高。针对大型低扬程泵站出水流道而言，水力损失占泵站扬程的15%～25%，很大程度上影响泵站装置效率。在某大学选定的出水流道模型测试中，因为直管式出水流道有一个90°转向角，与其虹吸式出水流道比较水力损失值要大一些，国内一些学者也极力坚持虹吸式出水流道优于直管式出水流道，笔者认为这是一个错误导向。我们在两种流道形式的水力损失比较中，必须考虑虹吸式出水流道存在的机组启动过程高扬程运行水力损失阶段和驼峰顶断面为防止水流态脱流而将其减少截面所造成的水力损失情况，最为重要的一点，在湖南省乃至全国虹吸式出水流道排涝泵站普遍存在流道裂缝漏气、漏水现象，导致真空度降低，运行扬程提高，机组振动增大，而造成出水流道水力损失增加的现实情况。在本次改造设计中，选择了最大限度减少水力损失的方案，比如：为了减少转向角水力损失，选定转弯半径为5.606 m，中心线圆弧角度为26.57°；为了减少流道摩阻水力损失，流道渐扩段选定最佳不脱流扩散角2θ≤12°；为了防止出水环量水力损失，水泵后导叶按无出流环量设计，出水流道采用由圆形逐渐过渡到2.5 m×5.8 m 净空矩形断面，并且中间设有（0.4～0.5）m 厚隔墙；为了减少管路水力损失，直管式出水流道中心线坚持取直线走向，并将其长度缩短至28.7 m；为了减少拍门水力损失，采用电动油压拍门，将其开度角设定为70°，把拍门水力损失系数控制在0.1 以下。出水流道改造为直管式以后的运行情况为：机组启动方便，运行平稳，出水量大，流态稳定，效率提高，实践证明直管式出水流道优于虹吸式出水流道。

（4）两种出水流道型式运行比较见附表。