中部引黄工程斜井排水系统设备选型计算

秦 放

（山西省中部引黄工程建设管理局，山西 太原 030001）

中部引黄工程斜井排水系统设备选型计算

秦 放

（山西省中部引黄工程建设管理局，山西 太原 030001）

当斜井开挖过程中遇涌水，施工设备淹没、泥灰岩遇水软化、地基土如遇水浸泡将导致支持基础减弱、工作面岩体崩溃等隐患，不仅对施工进度、安全、质量等造成直接影响，更会对整个工程的运行造成损失。合理的设备选型，不仅需要满足排水系统需要的排水量、扬程，还需要符合工程所需，并力求高效节能。本文就斜井排水系统设备进行选型计算，以为类似隧道施工工程提供参考。

斜井；涌水；损失；排水系统；选型计算；合理选型

1 概述

1.1 工程概况

山西中部引黄工程施工23标处于西干线输水隧洞桩号西15+081.8～西26+018.7 m段，总长10 936.9 m，纵坡1/3 000，本标段除主洞工程外还包含6号～9号施工支洞。

7号支洞位于中阳县任家山南，设计总长1279.08m，城门洞型，净宽3.65 m，净高3.2 m，直墙高2.0 m，顶拱中心角133°，半径1.99 m，进口底高程1 328.01 m，交叉段底高程948.023 m，坡比32.43%。

1.2 涌水情况概述

施工过程中，在里程K1+135 m处掘进遇涌水，涌水量达30～45 m3/h。实际涌水量是设计涌水量的80余倍，导致原排水系统排水能力不足，致使掌子面淹没，无法进行开挖作业，被迫停工进行洞内排水。

涌水水头喷射距离约2 cm～10 cm，主要来自地下水及雨水。地下水以潜水为主，局部存在承压水；雨水通过周边地层裂缝形成潜流补给。水流颜色为无色，含沙率极低，相对排水设备可忽略不计。

2 排水系统设计原则

一是结合现场实际情况，7号支洞正常涌水量按照35 m3/h设计，最大涌水量按照50 m3/h设计。二是根据《煤矿井下排水泵站及排水管路设计规范》的要求：排水泵的能力，应能在20 h内排出矿井24 h的正常涌水量，备用水泵能力不应小于工作水泵能力的70%。工作和备用水泵的总能力，应能在20 h内排出矿井24 h的最大涌水量。检修水泵的能力不应小于工作水泵能力的25%。三是对开挖面附近的移动水泵进行适当加强，所配移动泵的排水能力按该断面最大涌水量的2倍配备。四是经相关手册计算，支洞掌子面开挖最大施工废水为3.1m3/h、一次支护最大施工废水为4.2m3/h。根据施工工艺安排，施工废水排放按20 m3/d设计。

3 选泵要点

目前定型生产的各类叶片式泵的使用范围是相当广泛的，而其中离心泵、轴流泵、混流泵和往复泵等排水泵的使用范围各具有不同的性能。往复泵的使用范围侧重于高扬程、小流量。轴流泵和混流泵的使用范围侧重于低扬程、大流量。而离心泵的使用范围则介乎两者之间，工作区间最广，本工程适用于叶片式离心泵。

根据管网排水量合理选择不同性能的泵，做到大小兼顾，在运行中可灵活调节，以求得最经济的效果。由于本工程管网内实际流量变化不大，故采用通过开启水泵台数的方式对管网内排水量进行调节。为方便泵站运行管理及维护检修，本工程工作水泵及备用水泵选择同型号水泵。离心泵的经济工作范围（即高效段），一般在0.85 Qp～1.15 Qp之间（Qp为泵铭牌上的额定流量值）。选泵时应充分利用各泵的高效段。应尽量选用效率较高的泵，即尽量选用大泵。

4 排水系统总体布置

4.1 排水泵

每个泵站采用3台ISW 80-315B型离心泵单级单吸卧式离心泵，1台为工作水泵、1台为备用水泵、1台为检修水泵。工作水泵及备用水泵采用并联的方式进行连接至排水管路上，由于泵站空间小，检修水泵暂不安装在管路上，水泵间间距至少为50 cm，以便于水泵安装与拆卸，水泵设置在水仓上方，采用横向架设16 a工字钢、腹板向上，根据离心泵螺孔位在工字钢腹部造孔，2榀工字钢安装一台离心泵。

4.2 水仓

支洞掘进中，宜分段设置水仓。结合本工程支洞长度及高差，水仓每间距210 m设置一个，里程K1+258 m处水仓的设置需考虑到支洞封堵问题，以减少封堵工程量。

据矿山工程强制性条文规定，隧洞区间水仓有效容量应能容纳4 h正常涌水量，隧洞底部水仓有效容量应能容纳8 h正常涌水量。

由于支洞断面小，水仓设置宜不占用施工空间，安装在人行道一侧，并设置格栅，便于管理及杂质清理。水仓设置时，由于挖机无法进入洞室施工，还应考虑机械出渣问题。

4.3 管路

工作管路及备用管路管材宜选用无缝钢管或焊接钢管，管径及管壁厚度需进行计算及校核后选型，受施工空间断面影响，钢管连接宜选用法兰连接。设置在人行道一侧，便于管理及检修。排水管上需装设缓闭止回阀和全开闸阀。

4.4 供配电

工作水泵及备用水泵供电线路不得小于两回路，且应引自变压所得不同母线段。当任一回路因故障停止供电时，其余回路应能满足最大涌水量时的全部负荷，设备的控制回路和辅助设备的电源，必须设置与主要设备同等可靠的备用电源。

排水泵高压电动机的高压控制设备应具有短路、过负荷、接地和低电压释放保护功能。低压电动机控制设备应具有短路、过负荷、单相断线、低电压、漏电闭锁保护装置及远程控制装置。

5 排水系统选型计算

5.1 排水泵必须的排水能力

水泵排水能力按公式（1）计算。

式中：Q——排水泵应具备的总排水能力，m3/h；

Qb——涌水量，m3/h。

经计算，正常涌水量为35 m3/h，施工废水排水量为20 m3/d时，水泵必须有的排水能力为42.96 m3/h；最大涌水量为50 m3/h，施工废水排水量为20 m3/d时，水泵必须有的排水能力为61.00 m3/h。

5.2 管路内径选择

管路应能配合工作水泵及备用水泵在20 h内排出矿井24 h的最大涌水量，则管路按照最大涌水量进行设计，即：

5.2.1 排水管内径选择

排水管路内径根据公式（2）计算：

式中：dp——排水管内径，m；

Q——工作水泵具备的总排水能力，m3/h；

vp——排水管经济流速，m/s；一般取1.5～2.2 m/s。

经计算，排水管管路采用内径为100 mm的焊接钢管。

5.2.2 吸水管内径选择

经计算，吸水管管路采用内径为Φ125 mm的焊接钢管。

5.2.3 管路长度

根据排水系统总体布置，每段排水管主管长度约计210 m，排水管支管每段约计为0.5 m，吸水管长度约计为2 m。

5.3 管路阻力系数计算

5.3.1 沿程阻力系数

沿程阻力系数采用舍维列夫公式计算，即：

式中：λx——吸水管沿程阻力系数；

λp——排水管沿程阻力系数。

经计算，吸水管沿程阻力系数为0.039 2；排水管沿程阻力系数为0.041 9。

5.3.2 局部阻力系数

管路上附件的局部阻力系数从《给水排水设计手册》查得，管路阻力系数R按公式（3）计算：

式中：R——管路阻力系数，s2/m5；

g——重力加速度，m/s2；

lx（lp）——吸（排）水管的长度，m；

dx（dp）——吸（排）水管的内径，m；

λx（λp）——吸（排）水管的沿程阻力系数；

∑ζx（∑ζp）——吸（排）水管附件局部阻力系数之和。

经计算，管路阻力系数为8.13×10-3h2/m5。

5.4 管路特性

根据上述计算，排水管路特性H为：

式中：K——考虑水管内径由于污泥淤积后减小而引起阻力损失增大的系数，K取1.7；

Hsy——侧地高度，即吸水井最低水位至排水管出口间的高度差，m。

根据公式，取8个流量值并求得管路扬程，详见表1。

表1 流量取值及管路扬程参数

5.5 排水泵选择

根据管路特性选择ISW 80-315B型单级单吸卧式离心泵，该水泵性能参数见表2。利用曲线相交法或者数解法（最小二乘原理）求得水泵在管路中的工况点为：QM=48.8 m3/h，HM=99.2 m。

表2 ISW 80-315B型单级单吸卧式离心泵性能参数表

5.6 检验校核

5.6.1 排水时间校核

经计算，正常涌水时，1台工作水泵工作时每天的排水小时数Tz为17.63 h，小于20 h，满足规范要求；最大涌水时，1台工作水泵与1台备用水泵同时工作时每天的排水小时数Tmax为12.5 h，小于20 h，满足规范要求。

5.6.2 经济性校核

经计算，排水泵在工况点运行下的效率ηM为0.42。

5.6.3 管中流速校核

经计算，管中流速为1.73 m/s,管中经济流速一般为1.5～2.2 m/s，排水管流速在经济流速范围内。

5.6.4 排水泵吸水高度校核

叶片式泵的吸水高度，是建立在泵吸入口能够形成必要的真空值的基础上，泵真空值太小，水抽不上来，真空值太大，则产生气蚀现象。实际使用中应以泵样本中给定的允许吸上真空高度或者给定的必须的汽蚀余量作为限度值进行排水泵吸水高度校核。根据给定的必须的汽蚀余量对吸水高度进行校核，计算得Hs为5.822 m，吸水高度满足要求。

5.6.5 排水管壁厚校核

排水管拟采用壁厚为4 mm的焊接钢管，经计算，管壁承压强度为0.279 cm，小于0.4 cm，满足要求。

考虑到小端面斜井的管路机械强度和隧洞管路长的问题，且不设置备用管路，则需适当加大管路管壁厚度。

5.7 电耗计算

按正常涌水量对全年排水电耗W估算约为2.41×105kW·h。

6 结论

排水系统设备选型计算，是根据拟建泵站的高差、管长、环境等因素，从理论的角度对其进行管路特性及水泵特性的计算，从而合理的进行排水系统的设备选型，使泵站运行达到高效性。水泵是泵站的主要设备，为排水系统设计中的重要一环，其合理的选型，直接影响泵站的运行和投资。按照上述计算进行配置的排水系统，经现场实际抽排，效果理想，可为类似工程提供参考。

TU823

C

1004-7042（2017）11-0023-03

秦放（1989-），男，2012年毕业于华北水利水电学院农业水利工程专业，助理工程师。

2017-09-17；

2017-10-24