港区雨水泵站设计要点分析与探讨

魏红彤，唐 玮

(中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

港区雨水泵站设计要点分析与探讨

魏红彤，唐 玮

(中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

对于不能采用重力自流排放雨水的港区来说，雨水泵站的建设属于“生命线”工程，对保证港区生活生产有序进行和防止堆存货物受淹起到至关重要的作用。通过某港区雨水泵站建设为例，对泵站的选址、设计能力、水泵选型、运行控制等设计要点进行分析与探讨。

港区；雨水泵站；设计

近年来，随着全球气候变暖，极端天气的频繁出现，暴雨、特大暴雨不断刷新有降雨资料统计以来的历时记录，由此造成很大的经济损失。从宏观上人类应与自然和谐发展，避免气候恶化；从微观上排水系统规划和设计应合理、排水设施应及时疏通和维护。

目前，港区雨水收集后排至受纳水体分为：(1)依靠地形高差和管网前后水力差重力自流排至受纳水体，但受到场地地形及与受纳水体地势高差等因素影响，且重力自流排水又分为自由出流和淹没出流[1]。(2)采用雨水泵站提升方式排至受纳水体，雨水泵站可保证雨水及时、快速和安全排放，但需增加雨水泵站工程投资及泵站的日常维护和管理。

本工程在防汛大堤内侧建设一座雨水泵站，内设5台潜水轴流泵，雨水经提升后通过2根Φ2 000管道排入受纳水体(长江)。下面就结合本工程雨水泵站建设实例，对泵站的选址、设计能力、水泵选型、运行控制等设计要点进行分析与探讨。

图1 港区平面布置图Fig.1 Plane layout of harbor area

1 工程概况

本工程位于上海市，长江口南港南岸的五号沟地区，北面与长兴岛隔江相望，西北与外五期港区相邻。工程共建设5个大船泊位，包括1个10万t级和2个7万t级集装箱泊位、2个5万GT汽车滚装泊位，内侧2个长江驳泊位，设计年通过能力210万TEU和73万辆汽车，码头岸线长1 538 m，陆域总面积为196 hm2。港区平面布置见图1。

2 雨水泵站建设背景

本工程地处长江大堤外的滩地上，港区陆域为吹填形成，港区陆域高程的确定原则，首先考虑运输车辆对路面的坡度要求，并尽量减少港区陆域形成的回填量及与港外道路的衔接等因素；且港区陆域高程的确定又要受到新建防汛大堤的防汛闸门底高程和港区进出港道路与市政道路衔接高程限制，防汛闸门底高程为7.0 m，港区进出港道路与市政道路衔接高程为5.0 m；同时也要保证本工程陆域高程与相邻工程平顺衔接。因此本工程陆域高程确定为5.0～5.6 m，从码头前沿坡向陆域[2]。

而受纳水体长江设计高水位为4.22 m，50 a一遇的极端高水位为5.81 m，陆域地面高程为5.0～5.6 m，且陆域纵深为1 200 m，此时雨水依靠重力自流排至受纳水体已不现实，因此港区雨水排放需采用雨水泵站提升方式排至受纳水体，以保证港区排水安全。

3 雨水泵站设计要点分析

3.1泵站选址

根据长江防汛要求，本港区外侧将新建防汛大堤，防汛大堤顶高程为9.5 m，可满足200 a一遇高潮位和12级台风组合工况的防汛要求。本工程雨水收集采用雨水管道、雨水口和雨水明沟的组合收集方式，由于雨水泵工作性能多为大流量、低扬程，泵站选址应靠近受纳水体，便于雨水经提升后及时快速排放，避免因泵站排出管过长而增加水头损失，同时泵站位于雨水管网末端中部可减少雨水收集管道长度和埋深，最大限度地实现雨水及时、快速收集和提升排放[3]。

因此，本工程雨水泵站建在防汛大堤内侧，并根据水利部门要求，雨水泵站距离防汛大堤坡脚线应不小于20 m；另外雨水泵供电负荷相对较大、且年运转频次不高，为保证泵站供电安全及减少电损，泵站选址也应结合供电负荷情况统一考虑。

雨水泵站排出管采用穿越防汛大堤埋管敷设方式，堤外排水口采用宽10～15 m，长13 m的扩散式消力池，池内抛大石块，池后30 m范围内用土工模袋混凝土护滩，两侧10 m范围内采用海墁抛石保护。

3.2泵站设计流量

港区陆域总面积为196 hm2，其中东侧16 hm2的场地雨水排至五号沟内，西侧35 hm2的场地雨水排至相邻工程雨水泵站内，本工程雨水泵站仅负责145 hm2的场地雨水排放。

(1)上海地区暴雨强度计算公式[4]。

式中：Q为雨水设计流量，Ls；q为设计暴雨强度，Ls·hm2;φ为径流系数；F为汇水面积，hm2；TE为暴雨重现期，a；t为降雨历时，min 。

雨水径流量在汇水面积和径流系数一定情况下，仅与暴雨重现期有关，本工程雨水重现期根据工程建设时所采用的《室外排水设计规范》(GB50014-2006)要求选取2 a，经计算本工程雨水径流量为11.0 m3s。

目前，港区雨水径流量都是按“非超标”降雨进行计算，当出现“超标”降雨时，易形成内涝，而提高雨水泵站设计能力不是简单的按规范选取重现期，应结合工程所在地多年降雨实测资料推求降雨重现期。

随着近些年极端天气的频繁出现，根据实测降雨资料推求的降雨重现期往往比规范推荐选取的重现期大，基于此点《室外排水设计规范》(修订版)已规定可根据工程所在地实际降雨资料推求重现期。

(2)泵站设计能力。

雨水泵站设计能力应与雨水管道过流能力相匹配，目前雨水管道过流能力是按满管无压流理论进行计算的，当发生“超标”降雨时，汇入的雨水管道流量要大于满管无压流时的管道过流能力，此时管道内的流态边界条件变为有压流，随着管道内压升高，流速加大，管道过流能力大大提高，从而导致泵站设计能力小于管道过流能力。

同时结合《上海市标准雨水泵站设计规程》要求[5]，本工程雨水泵站设计流量取雨水径流量的1.2倍，经计算雨水泵站设计能力为13.2 m3s。

3.3泵站设计扬程

泵站设计扬程由泵站进水管道底标高与受纳水体潮位差和管路系统水头损失等综合确定，其中水头损失包括吸水喇叭口水头损失、收缩管路水头损失、出水管道水头损失等，水头损失计算公式如下。

式中：h为水头损失，m；ξ为局部阻力系数；v为平均流速，ms。

表1 受纳水体(长江)潮位参数表Tab.1 Tidal levels of the receiving water(Yangtze River)

表2 泵站特征高程参数表Tab.2 Characteristic elevations of pumping station

泵站设计扬程计算如下。

①当受纳水体潮位(表1)达到100 a一遇高潮位6.05 m时，此时雨水泵站仍能正常工作。

②根据《上海市标准雨水泵站设计规程》要求[5]，泵站设计扬程应为集水池的最低水位与出口河道之高水位的差值，出口河道一般应取与管网设计相应频率的高水位[4](表2)。由于港区雨水管网暴雨重现期为2 a，所以泵站按2 a一遇的高潮位4.87 m作为受纳水体的设计水位，此时雨水泵站集水池对应的设计水位为0.60 m。

③管路水头损失取1.0 m，富余水头取0.5 m。

经计算，泵站设计扬程为5.77 m，最高扬程为6.95 m。

3.4水泵选型

(1)水泵型式选择。

雨水泵特点是大流量、低扬程，根据水泵特性，通常按比转速ns对水泵进行分类，比转速ns≤300采用离心泵，比转速300

比转速ns计算公式如下

式中：n为水泵转速,rmin；Q为水泵流量,m3s；H为水泵扬程,m。

经计算本工程雨水泵的比转速ns>500，属于高比转速水泵，则选用轴流泵，轴流泵工作原理是依靠旋转叶轮的叶片对液体产生的作用力使液体沿泵轴方向输送的水泵，根据轴系布置又分为立轴、卧轴(即贯流泵)、斜轴(又称斜式轴流泵或斜式贯流泵)3种形式[4]。

图2 水泵性能曲线Fig.2 Characteristic curve of pump

考虑到本工程雨水泵站设计流量大，扬程低，为降低噪音对工作环境的影响，故选用潜水轴流泵，采用潜水轴流泵有利于减少泵站辅助设备数量，也有利于泵站运行，同时潜水泵具有三重组合密封防泄漏、超温、过电流等多种自动保护装置，已成为一种技术成熟的泵型。

(2)水泵台数选择。

根据泵站设计流量和适应不同标准降雨情况的出现，可按降雨量选择性启动水泵台数，最大限度保证泵站运行调度的灵活性和备件的互换性，避免配置大流量水泵运行代价过高。

工程采用5台雨水潜水轴流泵，型号为900ZDB-70×(-2°)，单台水泵流量为2.635 m3s，扬程为6.95 m，电机功率250 kW。900ZDB-70×(-2°)潜水轴流泵性能曲线见图2，性能参数见表3。

表3 水泵性能参数表Tab.3 Characteristic parameters of pump

3.5泵站布置形式

根据水泵工作特点及进出水管标高要求，泵站采用地下式矩形结构，泵站主要由进水管、进水池、格栅井、集水池、潜水轴流泵、出水池和出水管等组成。

泵站布局为：进水管→进水井→进水池及闸门井→格栅井→集水池→潜水轴流泵→出水池→出水管→受纳水体。

泵站平面布置见图3，泵站工艺流程见图4。

图3 泵站平面布置图 图4 泵站工艺流程图 Fig.3 Plane layout of pumping station Fig.4 Process flowchart of pumping station

泵站主体分进水池、集水池和出水池三部分组成，泵房雨水由2根φ2 000进水总管进入进水池内，进水管管底标高为-1.40 m，池内设φ1 800闸门三座，采用螺杆启闭机，具有电动和手动功能。泵站主体平面尺寸为28.4 m×18.0 m(长×宽)，采用沉井结构刃脚底面标高-5.5 m，顶标高为6.05 m。雨水通过进水池后进入泵房集水池，集水池容积满足水泵30 s排水流量，然后通过钢格栅，流速小于1.2 ms，格栅安装角为70°，人工清污，雨水经过格栅后进入流道，五台泵均为敞开式喇叭口进水，雨水经水泵提升后通过浮箱式止回阀进入出水池，出水池顶标高为8.6 m，满足防洪要求，池内设闸门3座，其中2座连接出水管，规格为φ2 000，双向受压，一座为水泵试车用规格为φ1 600，单向受压。

为保证进水水流平稳，进水总管在进水池前设雨水放大井，以渐扩管形式进入进水池，水流在进水池内得到消能，并使进水正向进入集水池中。

出水池和进水池之间设置回流管道，设置回流管道的作用：(1)用于水泵试车，此时关闭出水管闸门，水泵出水经回流管回流至进水池，供水泵试车用水；(2)泵站检修清淤时作为超越管，此时关闭进水池闸门，水泵浮箱拍门自动关闭，当港区水位高于出水管水位时，可直接通过回流管道直接外排。

最后，雨水经提升后通过2根Φ2 000穿堤钢管排入受纳水体(长江)，并在出口处设置消力池，以保证出口流速控制在0.5 ms内，以避免对船舶航行产生影响[2]。

3.6泵站运行控制

泵站控制系统采用PLC控制方式，具有自动控制和手动控制功能。在自动控制模式下，泵站控制根据液位和水泵运行参数自动启动水泵及台数，在故障和事故时报警。在手动控制模式下，水泵开启、关闭可通过泵站控制柜的操作面板手动控制完成。

为适应不同标准降雨，水泵开启原则：(1)当水位达到-0.2 m时，开启1台水泵；(2)水位上升至0.00 m时，开启2台水泵；(3)水位上升至0.2 m时，开启3台泵；(4)水位上升至0.4 m时，开启4台水泵；(5)水位上升至0.6 m时，开启5台水泵。

水泵的运行主要以水位的高低选择开启水泵及台数，水泵开车为闭闸启动，要逐台开启，逐台关闭，当发生超高或超底水位时，PLC则需发出报警信号，并调整进水闸门的开启和关闭水泵。

目前，本工程雨水泵站水泵实际运行是采用人工启停，不能完全依靠水位自动启停，初步分析有两方面原因：(1)泵站进水水流不稳，虽然泵站进水池前设置雨水放大井，但遇到强降雨时不能完全起到消能作用；(2)水泵抽吸时将会引起水位波动，此时水泵自动启动水位间隔仅有20 cm，易造成水泵频繁误启动。

4 结语

综上所述，雨水泵站选址应结合港区地面高程、受纳水体、雨水管网布置等因素综合考虑，以保证雨水及时、快速和安全排放及减少管网埋深为原则进行选址；水泵扬程应按管网进水水位和受纳水体潮位差及管路水头损失合理确定；雨水泵流量及台数选取应依据雨水设计流量和降雨强度合理配置，以使雨水泵提升流量和开启台数与降雨过程相适应；水泵依靠水位自动启动时，应设有进水水流平稳的消能措施，自动启动的水位间隔差应避免水泵抽吸产生的影响。

[1]魏红彤，陈维升，苏逢春.港区雨水重力淹没出流排水安全性分析[J].水运工程，2012(7)：98-101. WEI H T，CHEN W S, SU F C. Safety analysis of harbor rainfall drown out gravity flow drainage[J].Port and Waterway Engineering, 2012(7)：98-101.

[2]中交水运规划设计院有限公司.上海港外高桥港区六期工程初步设计报告[R].北京：中交水运规划设计院有限公司，2006.

[3]GB50265-2010,泵站设计规范[S].

[4]GB50014-2006,室外排水设计规范[S].

[5]DBJ08-22-91,上海市标准雨水泵站设计规程[S].

Analysis and discussion on design points of harbor rainwater pumping station

WEIHong-tong,TANGWei

(CCCCWaterTransportationConsultantsCo.,Ltd.,Beijing100007,China)

The construction of the rainwater pumping station is a lifeline project for the port area where gravity drainage is not allowed. The rainwater pumping station has played a vital role in the protection of orderly production and the prevention of storing goods from being flooded. Taking a certain rainwater pumping station as an example, the design points were analyzed and discussed by focusing on the site of the pumping station, the drainage capacity, the mode of rainwater pump and the system operation control.

harbor area; rainwater pumping station; design

TU 991.35

：A

：1005-8443(2017)04-0416-05

2017-01-05；

：2017-02-16

魏红彤(1978-)，男，黑龙江省兰西县人，高级工程师，主要从事港口工程给排水、消防、环保、安全、油品装卸工艺设计研究。

Biography： WEI Hong-tong(1978-), male, senior engineer.