试论排涝泵站布置在隧洞进口的优势

梁一榄，何震洲

（1.中原大学，台湾 中坜 32023；2.浙江省钱塘江管理局，浙江 杭州 310016）

1 问题的提出

浙江省平原地区经济要素集聚，很多区域排涝能力明显与经济发展不匹配，需新建排涝泵站。与泵站配套的输水河道因城市用地紧张而难以实施，近期出现了长距离压力隧洞穿越山体直排承泄区的线路方案。

典型的排涝泵站输水河道系统，排水区内明渠汇集涝水，排涝泵站建在承泄区侧的堤岸上[1]；典型的供水泵站管路系统，供水泵站建在取水点，即布置在压力输水管道进水口侧，通过压力管道向供水区供水[2]。在泵站与隧洞工程组合中，站址是选在隧洞进口（排水区侧）还是隧洞出口（承泄区侧）成为一个新的课题，值得进一步探讨。

本文用水力学方法，推求2站址方案的泵站扬程、水泵安装高程，并分析站址对泵站、隧洞工程的影响；剖释隧洞进口建站具有优势，分析隧洞长度、泵站年运行时间，这2个独立变量对优势强度的影响；最后以工程实例量化分析隧洞进口建站的优势，使结论更加明晰。

2 站址对泵站、隧洞工程的影响

此处隧洞为长距离有压隧洞。为便于论述，设计工况下流量、水位过程均设为定值。

2.1 站址布置方案

隧洞进口建站:泵站建在隧洞进口，隧洞出口设防洪闸（见图1）。隧洞出口建站:泵站建在隧洞出口，隧洞进口设防洪闸（见图2）。

在隧洞进口前设断面1 - 1（该断面的参数设下标1，下同），隧洞出口后设断面2 - 2。断面1 - 1上的水位为Z1，断面2 - 2上的水位为Z2，有Z1＜Z2。图中Q为设计排涝流量，m3/s；l为隧洞长度，m；测管水头为，m；基准面0 - 0取在水位Z1处。

图1 隧洞进口建站布置概化图

图2 隧洞出口建站布置概化图

2.2 泵站输出扬程推求

在断面1 - 1和断面2 - 2间建立有能量输入的能量方程，2方案均可写成如下方程:

式中:h净为隧洞进出口水位差，m，该值在设计工况下为定值。泵站输出扬程为隧洞进出口水位差与隧洞水头损失之和。

2.3 站址对水泵安装高程的影响

把泵站概化为具有水泵安装高程，带前池、出水池的装置。隧洞进口建站泵站前池水位Z进1= Z1，在泵站出水池与断面2 - 2间建立能量方程，求得出水池水位Z出1= Z2+hW1-2；隧洞出口建站泵站出水池水位Z出2= Z2，在断面1 - 1与泵站前池间建立能量方程，求得前池水位Z进2= Z1- hW1-2。2方案以水位Z1为基准面（见图3）。

图3 水泵安装高程比较图

图3 中hs1、hs2分别为隧洞进口建站和出口建站的水泵安装高程，m。由于泵站的设计流量和扬程相同，2方案水泵淹没水深取同一值h淹。隧洞进口建站水泵安装高程hs1=Z进1- h淹= Z1- h淹，隧洞出口建站水泵安装高程hs2= Z进2-h淹= Z1- hW1-2- h淹。

2.4 站址对泵站、隧洞工程影响的结论

2方案在隧洞规模相同情况下，有如下结论。

2.4.1 对泵站的影响

（1）2方案泵站输出扬程相同，均为Hm= h净+ hW1-2。

（2）隧洞进口建站水泵安装高程不受hW1-2影响，出口建站水泵安装高程需降低一个hW1-2，即隧洞进口建站泵站建基面高程（不包括泵站出水池部分，下同）不受hW1-2影响，出口建站泵站建基面高程需降低hW1-2；隧洞出口建站出水池建基面高程受Z2控制，进口建站出水池建基面高程可以比出口建站抬高一个hW1-2。

（3）2方案的泵站设计流量与扬程一致，可以认为主泵房平面尺寸一致，与主泵房相衔接的前池、出水池进出水面宽一致。

（4）前池:泵站前池对进水流态有严格要求。隧洞出口建站，前池岸墙顶高程由承泄区高水位确定，隧洞出口有压流须在前池内转化为明流，需更长流程扩散整流，所以出口建站比进口建站前池更长，岸墙更高。

（5）出水池:隧洞进口建站出水池蜕变为高位井，泵站出水流道排水入高位井，再压入隧洞进水口，运行期高位井内水位为(Z2+ hW1-2) 。出口建站方案出水池为主泵房与承泄区河道间的过渡段，长度由泵站总体布置确定，极端情况主泵房的出水流道直排承泄区河道。

（6）运行期，在隧洞进口建站方案中，如高位井与主泵房合建，2方案泵站挡内外水位差相同，均为(Z2- Z1) +hW1-2，如高位井与主泵房分建，则高位井成为一个独立的挡水建筑物，而主泵房不再挡承泄区侧高水位，因高位井建基面较高，水位差减小。

2.4.2 对隧洞的影响

（1）运行期，隧洞进口建站隧洞处在(Z2+ hW1-2) ～ Z2压力，出口建站方案隧洞处在Z1～ (Z1- hW1-2)压力区。两者测压管水位差为(Z2- Z1+ hW1-2)，进口建站方案隧洞更有可能向排水区渗水，对山体或洞壁防渗要求更高。

（2）为满足隧洞处于有压流状态，出口建站方案隧洞埋深需降低(Z2- Z1+ hW1-2)，不利于清淤维护。

3 隧洞进口建站的优势分析

3.1 隧洞规模与隧洞水头损失的关系

决定隧洞规模的参数主要为隧洞长度和洞径，隧洞水头损失为[3]:

式中:hf1-2为沿程水头损失，m；Σhj为局部水头损失，m；λ为沿程阻力系数；l为隧洞长度，m；d为圆形隧洞内径，m；ζ为局部损失系数；C为谢才系数，m0.5/s；n为糙率；R为水力半径，m；y为巴甫洛夫公式中的指数（在大直径隧洞中应用此式）。

3.2 泵站装机、年运行时间与用电量的关系

泵站装机功率、年运行时间与年用电量关系为:

式中:N为装机功率，kW；ρ为水的密度，kg/m3；Q为泵站设计流量，m3/s；Hm为泵站输出扬程，m；E为年用电量，kW · h；T为年运行时间，h；η装为装置效率。

N与Hm呈线性关系，E与N、T均呈线性关系。

3.3 影响隧洞进口建站优势的主要因素

根据上述结论，隧洞进口建站泵站建基面高程不受hW1-2影响，出口建站需降低一个hW1-2。影响隧洞进口建站优势的主要因素有:

（1）站址位置。①隧洞进口建站具有天然的位置优势:隧洞进口建站比隧洞出口建站泵站建基面高一个hW1-2，只要hW1-2不趋近于零，泵站土建工程更省。②隧洞进口建站更有优化潜力:当泵站与隧洞作为一个体系优化时，随着隧洞洞径缩小，hW1-2值增大，该值传导至泵站，导致泵站对输出扬程的需求增大。隧洞进口建站，泵站仅需增加水泵扬程，水泵部分只涉及叶轮翼型、转速，电工部分涉及配套功率及电工一次容量增加，年运行费用以用电量增加为主。隧洞出口建站尚导致泵站建基面降低和隧洞埋深增加，增加泵站土建工程量，进而制约体系优化。由于隧洞进口建站泵站建基面高程不受hW1-2影响，使泵站扬程与隧洞洞径间优化更有潜力。

（2）隧洞长度（l）。l越长，hf1-2越大，hW1-2相应增大，隧洞进口建站与隧洞出口建站泵站建基面高程差加大，所以对长距离隧洞，隧洞进口建站更有优势。

（3）泵站年运行时间（T）。T越短，装机功率N增大对年用电量增加越不敏感，N可以取用较大值，使泵站以较高输出扬程与较小隧洞洞径相适配。由于隧洞进口建站泵站建基面高程不受hW1-2影响，在泵站扬程与隧洞洞径间优化时，更能适应以增加泵站扬程换取隧洞洞径缩小。

综上所述，隧洞进口建站具有天然的位置优势，泵站土建工程更省，泵站扬程与隧洞洞径间优化更有潜力。隧洞越长、泵站年运行时间越短，这种优势越大。

4 工程实例量化分析隧洞进口建站优势

上述定性分析了隧洞进口建站的优势，由于边界条件众多，难以给出定量结论。下面以实际出现的某案例与文中拟定的优化方案比较，进一步说明站址对工程及费用的影响程度。

4.1 某案例概况与优化方案

4.1.1 某案例

泵站布置在隧洞出口，年运行时间200 h，泵站设计流量200 m3/s。压力隧洞内径11.00 m，全长11 km，进口局部损失系数ζ1= 0.20，出口局部损失系数ζ2= 0.20（洞径渐扩回收部分动能），洞壁用混凝土衬砌，粗糙系数n=0.012 5。隧洞工程费用为20亿元。

4.1.2 优化方案

考虑到某案例具有隧洞距离长、泵站年运行时间短的特性，把泵站布置在隧洞进口后，通过增加泵站输出扬程减小隧洞洞径，有减少工程费用的潜力，拟定如下方案。

优化方案:泵站布置在隧洞进口，隧洞内径7.78 m（断面面积为某案例的1/2），其余条件与某案例相同。

4.2 某案例与优化方案的工程差异

由公式（3）计算某案例与优化方案的隧洞水头损失，成果见表1。优化方案比某案例隧洞水头损失增加11.21 m，其中hf1-2由2.11 m增加到13.05 m。

（1）隧洞洞径。某案例隧洞洞径为11.00 m；优化方案隧洞洞径为7.78 m。

（2）泵站。①主泵房:某案例与优化方案主泵房平面尺寸均为80.00 m×49.00 m（进水面宽×顺水向长度，下同）。某案例建基面高程-15.70 m，厂房地坪高程10.00 m。优化方案建基面高程-13.50 m，厂房地坪高程6.50 m。②前池:某案例须在前池内由有压流转化为明流，前池更长，前池平面尺寸为80.00 m×100.00 m，底板顶高程-12.70 m，岸墙须抵挡承泄区高水位，顶高程为9.30 m；优化方案前池平面尺寸为80.00 m×70.00 m，底板顶高程-10.50 m，岸墙受场地地坪高程控制，顶高程为6.00 m。③出水池:某案例出水池平面尺寸为80.00 m×20.00 m，出水池底板顶高程-2.00 m，岸墙、导墙顶高程为9.30 m；优化方案的出水池蜕变为高位井，与主泵房分建，运行期独立承担挡(Z2+ hW1-2)高水位任务，可免除主泵房挡高水位，高位井平面尺寸为80.00 m×30.00 m，优化方案隧洞水头损失hW1-2= 13.41 m，高位井底板高程可以比某案例抬高一个hW1-2，受场地地坪高程限制，底板顶高程取6.00 m，高位井顶高程须比某案例抬高一个hW1-2，取23.00 m。

（3）优化方案泵站配套功率与年用电量增量。由公式（4）计算优化方案比某案例泵站配套功率增量（N增）和年用电量增量（E增）。参数取值如下:

式中:η电机为电机效率，取值0.93；η水泵为水泵效率，取值0.88；η流道为流道效率，因流速不变，故取值1.00。经计算，成果如下:

4.3 某案例与优化方案的费用比较

4.3.1 某案例与优化方案泵站工程费用比较

（1）主泵房:某案例与优化方案主泵房面积均为3 920 m2，某案例建基面至厂房地坪高度25.70 m，优化方案高度20.00 m，优化方案土建费用省。

（2）前池:某案例前池面积8 000 m2，岸墙高度22.00 m。优化方案前池面积5 600 m2，岸墙高度16.50 m。优化方案比某案例前池面积小，池更浅，土建费用省。

（3）出水池:某案例出水池面积1 600 m2，岸墙高度11.30 m。优化方案高位井面积2 400 m2，岸墙高度17.00 m。优化方案的高位井为钢筋混泥土结构，工程量和单价都比某案例高，某案例土建费用省。

从某案例与优化方案泵站结构体积及结构围护体积来看，某案例远大于优化方案，某案例泵站建基面低，相比优化方案来说，以挖建为主，单价更高。优化方案在运行期高位井挡承泄区侧高水位，非运行期防洪闸挡承泄区高水位，跟某案例整个泵站挡承泄区高水位相比，前者工程体量更小，防御承泄区河道水流冲刷、风浪的工程费用也更省。总体认为，优化方案比某案例泵站土建费用省。

在此，忽略某案例与优化方案泵站土建和防洪闸费用差异。

4.3.2 优化方案减少隧洞工程费用估算

隧洞洞径由11.00 m缩小到7.78 m，减少隧洞挖方52.3 万m3及相应衬砌工程量，现以最保守的洞径减少比例29.3%折减，某案例中隧洞工程费用为20.00亿元，则减少工程费用5.86亿元。

4.3.3 优化方案增加电气设备费用和电费估算

优化方案比某案例配套功率增加2.69万kW，年用电量增加537万kW · h。工程正常运行期按100 a计，机电设备经济寿命按25 a计，在运行期更新4次，社会折现率为8%。

（1）优化方案增加电气设备费用估算。功率7 500 kW的TL7500 — 48同步电动机价格为780万元/台[4]，以此推算，2.69万kW电动机费用为2 798万元，电气一次部分费用按电动机费用50%计，运杂、安装费按20%计，合计5 036万元。在运行期更新4次，电气设备及安装部分费用折算成现值，增加5 750万元。

（2）优化方案增加的电费估算。年用电量增加537万kW · h，电价 0.664 4 元 /（kW · h）[5]，则每年增加电费357万元。按100 a运行期折算成现值，电费增加4 461万元。

优化方案增加电气设备费用和电费合计1.02亿元，减少隧洞工程费用5.86亿元，效益显著。

4.4 优化方案比某案例费效比低的讨论

优化方案比某案例体现了更低的费效比，主要原因是优化方案隧洞进口建站，使泵站扬程与隧洞洞径间优化更有效率。其次，某案例中隧洞特别长，排涝泵站年运行时间短，使隧洞进口建站的优势得到了强化。

如按某案例，把泵站布置在隧洞出口，隧洞洞径缩小到7.78 m后，泵站建基面高程和隧洞埋深需下降11.21m，将极大增加泵站土建工程量，同时恶化泵站运行和隧洞维护工作条件，洞径缩小方案就不再成立。

某案例与优化方案隧洞水头损失计算成果见表1。

表1 某案例与优化方案隧洞水头损失计算表

5 结 语

（1）近期出现的排涝泵站与长距离压力隧洞工程组合，属“典型供水泵站管路系统”类型。不能习惯性地把排涝泵站站址选在隧洞出口，而应把站址选在隧洞进口。

（2）无论站址选在隧洞进口还是出口，泵站扬程相同，但出口站址泵站建基面高程需降低一个隧洞水头损失值，增加泵站土建费用，所以隧洞进口建站具有天然的优势。

（3）站址选在隧洞进口，把泵站与隧洞作为一个体系，可以按供水泵站经济管径思路，做泵站扬程与隧洞洞径优化。隧洞越长，排涝泵站年运行时间越短，越有优化潜力。

（4）优化后的泵站，由于以扬程增加换取隧洞洞径缩减，泵站特性由大流量、低扬程向大流量、中扬程发展，对水泵叶轮翼型和大功率同步电机制造提出了更大挑战。