桃源县农村饮水安全工程取水系统改造方案要点浅析

2017-05-12何泽建

湖南水利水电 2017年2期

关键词：橡胶管潜水泵浮筒

何泽建

（湖南德江监理有限公司常德市 415700）

桃源县农村饮水安全工程取水系统改造方案要点浅析

何泽建

（湖南德江监理有限公司常德市 415700）

在农村饮水安全工程中，取水系统经常受到外界因素的影响和破坏，造成大面积停水事故，影响人们的正常生产生活。文章总结了供水工程多年的营运经验，设计了一个简单、实用的取水方案，并对各部分进行了计算论证和优缺点比较，有利于农村饮水安全工程巩固提升,促进水利事业向前发展。

农村饮水安全取水系统改造要点

1 问题的提出

桃源县是一个山区、丘陵、平原兼有的大县，总面积4 442.3 km2，辖27乡镇97.13万人口，县内溪河纵横，水系发育，湖南四大河流之一的沅水横贯全境。水利工程设施星罗棋布，全县共有大型水库2座、中型水库8座、小型水库310座、防洪堤垸7座、电力机埠泵站786处、塘坝近6万口。特别是农村饮水安全工程发展非常迅速，自2006年国家启动农村饮水安全工程建设以来，到2015年底，全县共有1 000 m3/d以上的供水工程33处，（200～1000）m3/d供水工程16处，（20～200）m3/d供水工程16处，20 m3/d以下的供水工程65处等。解决了桃源县27个乡（镇）、6个国营林场、66所农村中小学生共计69.43万人饮水安全问题。

由于这些水厂起步较早，建设和运营经验不足，加之规模较小、投资有限等，对供水工程的取水系统没有进行全面的计算论证，通过10多年的运行，出现了取水泵房多次被洪水淹没，取水井内泥砂淤积严重，取水栈桥被冲毁等事故。取水系统出现事故后，停水时间长、涉及人口多、修复工程量大，修复后有可能造成二次事故，给广大居民的正常生产生活造成严重影响。

2 改造方案要点分析

“十三五”以来，桃源县农村饮水安全工程己进入到巩固提升阶段，为了把这项工作真正落到实处，笔者通过多年来的实践经验，按照投资少、实用性大、适应性广的原则，推荐一个取水方案，其设计原理如图1所示，包括取水电机、支撑控制、活动连接三个部分。

图1 取水方案原理示意图

2.1 取水电机部分

取水电机采用浮筒式潜水泵，该水泵能漂浮在水面上，可以随水位的变化自由升降，取水深度为（1～3）m，始终取表层水，不受水面风浪杂物的影响，同时可以控制底部泥沙的进入。安装检修方便快捷，由于该设备是成套产品，安装时直接推入水中，检修时又可直接拉到岸边。该设备噪声小，无占地要求，不影响通航和渔业养殖等。

浮筒式潜水泵主要由浮筒、潜水泵、固定钢架组成。浮筒是一个用玻璃钢或不锈钢制成的密闭容器，其容积大小根据阿基米德浮力定律计算确定。即浸在液体里的物体受到向上的浮力，浮力大小等于物体排开液体所受的重力。

式中 F浮——整套设备的总重量，一般考虑1.5倍的安全系数。假定整套设备的总重量为1 000 kg，那么F浮＝1.5×1 000×10＝15 000 N；

ρ液——水的密度：1.0×103kg/m3；

g＝10 N/kg；

V排——所求浮筒的容积（m3），经计算V排＝1.5 m3。

由此可见，浮筒容积的大小是随所选设备重量计算决定的，如果选用成套产品，生产厂家己经进行计算论证，不需要重复计算。

潜水泵可根据工程要求选择各种类型的潜水泵，但需要进行流量、扬程等技术参数的计算论证。

潜水泵流量按净水厂的水处理能力来确定，同时需考虑净水厂的自用水量（一般取为10%），假定净水厂的水处理能力为125 m3/h，那么：潜水泵流量Q泵＝125 x（1+0.1）＝137.5 m3/h，选型时与潜水泵系列型谱参数接近即可。

潜水泵扬程＝净水构筑物顶部高程-取水点最低限制水位高程+输水管道水头损失+流速水头。

假定：净水构筑物顶部高程为100 m、取水点最低限制水位高程60 m、流速水头取为2 m。输水管道水头损失需要计算，其计算步骤如下：

（1）输水管径计算。

式中 d——管道内径（m）；

Q——管道流量（m3/s），取为137.5 m3/h，即0.038 2 m3/s；

V——管中水的流速（1～2 m/s）取为1.5 m/s。

经计算d=0.181 m，即可选用内径为d=200 mm波纹橡胶管。

（2）沿程水头损失计算。

根据公式：h沿=i×L

i=0.000 915×（Q1.774/d4.774）

式中 h沿——沿程水头损失（m）；

Q——管段计算流量（m3/s），取为137.5 m3/h即0.038 2 m3/s；

d——管道有效计算内径（m），d=0.2 m；

L——管段长度（m），假定输水管长500 m；

i——单位管长水头损失（m/m）。

h沿=i×L＝0.000 915* （Q1.774/d4.774）×L＝0.000 915×（0.03821.774/0.24.774）×500＝3.03 m。

（3）局部水头损失计算。

管道局部水头损失按沿程水头损失的10%计算：

h局=0.1×h沿=0.1×3.03＝0.3 m。

（4）输水管道总水头损失。

输水管道总水头损失=h沿+h局=3.03+0.3=3.33m。

由此可以推求潜水泵扬程＝100-60+3.33+2＝45.33 m，选型时与潜水泵系列型谱参数接近即可。

水泵电动机应选用与水泵配套的干式全封闭潜水三相异步电动机，可以长期浸入水中运行，具有传统机组无可比拟的优点。

固定钢架用来连接浮筒和潜水泵，固定钢架与浮筒焊接为一体，保证稳定性，潜水泵置于固定钢架内，用螺栓连接紧固。根据取水现场条件，潜水泵也可通过钢丝绳和固定钢架连接。见图2。

图2 浮筒式潜水泵结构示意图

2.2 支撑控制部分

支撑控制采用钢绞软连接结构。该结构由支墩、钢丝绳和手拉葫芦组成。正常运行时，通过手拉葫芦的链条作为伸缩段将钢丝绳完全拉紧，将波纹橡胶管悬空，这时波纹橡胶管可以不受水面风浪和杂物的影响。当需要检修调整时，可以通过手拉葫芦将钢丝绳完全放松，将波纹橡胶管放到水面上进行检修和调整。

支墩位置一般选择在地基坚固的自然山体上，用长（3～5）m钢桩打入地基内构成支柱。如果地基强度不够，可以采用现浇混凝土和加双钢桩的办法予以加固。

钢丝绳采用普通钢丝绳，也可采用不锈钢制的钢丝绳，钢丝绳的长度随支墩的位置来确定，并留有足够尾绳，尾绳只用于安装检修时调整浮筒式潜水泵的位置，可用其他绳索代替。钢丝绳选型计算步骤如下：

（1）钢丝绳的载荷计算。钢丝绳承受的主要载荷是波纹橡胶管的自重和管内水体的重量。假定水面宽200 m，波纹橡胶管的长度取为100 m。钢丝绳的载荷G＝波纹橡胶管的自重+管内水体的重量（d= 200 mm波纹橡胶管按5 kg/m计算）。

G＝100×5+3.1415×（0.2/2）2×100×1 000＝3 650 kg。

钢丝绳受到的张力按力的平行四边形法则进行合成，根据余弦定理进行计算：

即F合2=F12+F22-2F1F2cos20°其中：F1=F2F合=G

经计算：F1=F2＝10 550 kg（即105.5 kN）。

图3为钢丝绳受力分析示意图。

图3 钢丝绳受力分析示意图

（2）钢丝绳的标记。按照国家标准《一般用途钢丝绳》（GB/T 20118-2006）3.3的规定,钢丝绳的标记方法按（GB/T 8707-88）规定：如，钢丝绳30ZAB6× 19W+IWR1770ZZ567。这表示该钢丝绳直径 30.0 mm，AB级镀锌钢丝，由6股捻制,每股有19根钢丝，瓦林吞式钢丝绳，金属丝绳芯,钢丝公称抗拉强度1 770 MPa，右同向捻，最小破断拉力为567 kN。

起重作业中最常用的是6×19型和6×37型钢丝绳。

6×19型钢丝绳用做缆风绳、拉索及制作起重索具,一般用于受弯曲载荷较小或遭受磨损的地方，有抗直拉力强和耐磨损的优点。

6×37型钢丝绳用于起重作业中捆扎各种物件、设备及穿绕滑车组和制作起重用索具。适用于绳索受弯曲的地方，有抗弯曲载荷强的优点。

由此可见：本方案选用6×19型钢丝绳比较适合。

（3）钢丝绳的受力计算。钢丝绳允许承受的最大拉力是有一定限度的,超过这个限度,钢丝绳就会被破坏或拉断,因此在工作中需对钢丝绳的受力进行计算。

① 钢丝绳的破断拉力计算。

钢丝绳的破断拉力可从相关国家标准直接查出,考虑钢丝绳捻制时使每根钢丝受力不均匀,整根钢丝绳的破断拉力应按下式计算：

式中 SP——整根钢丝绳的破断拉力（kN）；

ΣSi——钢丝绳设备手册提供的钢丝破断拉力总和（kN）；

Ψ——钢丝捻制不均折减系数。

对6×19型绳，Ψ=0.85；对6×37型绳,Ψ=0.82。

由国家标准查出30ZAB6×19W+IWR1770ZZ567型钢丝绳破断拉力总和为567 kN,那么：整根钢丝绳的破断拉力为：

② 钢丝绳的破断拉力估算。

在工作现场,一般缺少图表资料,同时也不要求精确计算,此时可采用下式估算钢丝绳的破断拉力：

式中 SP——整根钢丝绳的破断拉力（kN）；

d——钢丝绳的直径（mm）。

30ZAB6×19W+IWR1770ZZ567型钢丝绳破断拉力SP=500 d2＝500×302/1 000＝450 kN。

与上式计算结果481.95 kN相差为6.6%。

③ 钢丝绳许用拉力计算。

钢丝绳的安全系数是为了保证起重作业的安全而设定的,不同用途的钢丝绳安全系数大小各不相同，安全系数取值如表1。

表1 不同用途钢丝绳的安全系数(K)

破断拉力与许用拉力之比为安全系数，设钢丝绳的许用拉力P，则：

式中 P——钢丝绳的许用拉力（kN）；

SP——钢丝绳的破断拉力（kN）；

K——钢丝绳的安全系数；

d——钢丝绳的直径（mm）。

30ZAB6×19W+IWR1770ZZ567型钢丝绳,破断拉力估算SP=0.5 d2=0.5×302＝450 kN，用做拖拉绳时,取K=3.5，则：

许用拉力P=SP/K=450/3.5=128.57 kN＞钢丝绳的张力105.5 kN。

由此可见：本方案选用 30ZAB6×19W+ IWR1770ZZ567型钢丝绳满足要求。

由表2可知：选用30ZAB6×19W+IWR1870ZZ599型钢丝绳更加安全可靠。

表2 3×19型钢芯钢丝绳破断拉力对照表

手拉葫芦是一种常用的起吊工具，由于钢丝绳受到的张力为10.5 t，本方案拟选用20 t的手拉葫芦可以满足工程要求，但手拉葫芦起升量作为整个支撑控制部分的伸缩量，其长度要求（5～10）m，能够满足钢丝绳完全起升和放松即可。

2.3 活动连接部分

活动连接采用双联卡环。双联卡环由钢丝绳卡、活动连接片和水管抱箍组成。钢丝绳卡与钢丝绳紧固连接时，与双联卡环紧固连接。活动连接片与水管抱箍通过开口销活动连接，以便安装和拆卸。水管抱箍与波纹橡胶管通过不锈钢螺栓紧固连接，水管抱箍上留有电缆线孔。

钢丝绳卡选型时大小与所选钢丝绳配套即可。钢丝绳卡与钢丝绳紧固连接，每隔1.5 m设置一个，沿钢丝绳均匀分布。

活动连接片采用自制T型钢结构，其竖直长度一般为0.2m，其中1＃、2＃、3＃活动连接片的竖直长度分别为0.5m、0.4m、0.3m，以便波纹橡胶管能够圆滑连接。

水管抱箍采用自制Ω型钢结构，其内径与波纹橡胶管的外径一致，用不锈钢螺栓与波纹橡胶管紧固连接，每隔1.5m设置一个，沿波纹橡胶管均匀分布。电缆线孔的大小以能够顺利穿过电缆线即可。见图4。

图4 双联卡环示意图

3 整体安装与调试

取水设备整体安装时。①通过尾绳将钢丝绳拉到水泵取水点处（约1/2水面宽度）。②在岸边将波纹橡胶管与浮筒式潜水泵连接牢固后推入水中，通过活动连接片将钢丝绳与波纹橡胶管两者连接为一体，在连接1＃活动连接片时波纹橡胶管应留有自由伸缩长度（2～3）m和悬空长度（3～5）m，并在悬空管段上涂刷等长红黑相间的油漆作为警示标志。③继续拉动钢丝绳将浮筒式潜水泵慢慢拉到取水点位置。④将钢丝绳固定在支柱上后通过手拉葫芦拉紧钢丝绳，使钢丝绳和波纹橡胶管全部悬空，悬空高度通过观察油漆标志来确定。⑤全面检查，检查时可以通过用力摇动钢丝绳的方法来判定各部分连接是否完好。⑥检查无误后，即可向电机通电试运行。⑦通水后，由于钢丝绳上荷载加大而下垂，需继续通过手拉葫芦慢慢拉紧钢丝绳，直到恢复正常即可。⑧取下尾绳子，锁紧手拉葫芦，再次全面检查。

水位变化时，浮筒式潜水泵可通过预留的波纹橡胶管伸缩长度自由升降。但是，当水位上升到一定程度后时，可以在1＃活动连接片右侧添加活动连接片，当水位下降到一定程度后时，可以拆除1＃活动连接片及左侧活动连接片。每添加或拆除一个活动连接片，波纹橡胶管就缩短或伸长1.5 m。因在钢丝绳上预留有活动连接片，在波纹橡胶管预留有抱箍，添加或拆除时只需装拆螺栓和开口销，非常方便快捷。

4 方案优缺点比较

4.1 方案的优点

该取水方案没有取水泵房、取水井及取水栈桥等水工建筑物，免除了取水泵房被洪水淹没，取水井被泥砂淤积，取水栈桥被冲毁等问题的困扰。取水泵可随水位变化自由升降，始终取表层水，满足农村饮水安全工程的基本要求。输水管道用钢丝绳悬空，不受水面风浪杂物的影响。安装检修方便、无占地要求，同时可以缩短工期、节约投资等。

4.2 方案的缺点

（1）该方案支撑控制部分的钢丝绳及手拉葫芦承受的张力比较大，因此在选择该设备时应适当大一些，要求留有足够余量。

（2）该方案适用于宽200 m左右水面上。如果水面太宽，钢丝绳和波纹橡胶管都会较长，增大钢丝绳荷载，也增加安装检修难度。

（3）该方案要求波纹橡胶管直径d≤315mm。如果波纹橡胶管直径过大，正常运行时，波纹橡胶管里的水体也将会增大钢丝绳荷载，因此该方案特别适用于供水规模为160 m3/h及以下的集中供水工程。

（4）该方案所选设备均安置于露天或水下，其材质均有防锈、防水要求。