浮船泵站在宁夏南部山区水库取水中的应用

(彭阳县水务局，宁夏 彭阳 756500)

1 基本情况

宁夏固原市彭阳县孟塬高效节水灌溉工程由水源工程、泵站扬水工程、田间灌溉工程三部分组成。水源工程从彭阳县茹河河道已建成的吴川滚水坝通过管道自流引水至西庄水库；扬水工程以西庄水库为水源，在西庄水库左岸建浮船式取水泵站加压至北塬蓄水池，在北塬蓄水池处建第二级扬水泵站加压至灌区核心区蓄水池；田间灌溉工程分滴灌和喷灌两个区域，由两座加压泵站(7套加压系统和7套过滤系统)、输水干管、分干管、滴灌带、喷灌机组和配套建筑物组成，已发展节水灌溉面积1.97万亩。

浮船泵站净扬程230m，流量0.32m3/s。高扬程，复杂的岸坡地形条件，对浮船固定、管道压力等级，提出了更高的要求。

2 取水方式的确定

西庄水库库区沟道呈“U”形，底宽约30m，两岸高约100m，岸坡角约50°～60°，水库水位变幅大，现有的地形条件不适宜建固定取水建筑物，经设计方案比较见表1，决定采用浮船泵站取水。在坝址上游左岸约850m处有砂岩外露，水库水面相对较宽，地形、地质符合建浮船泵站条件；岸坡上有相对宽敞的台地，能满足施工需要，施工平台上也具备建浮船泵站条件。

表1 取水方案比较

3 浮船式取水泵站设计

3.1 泵船设计

泊船位置选在坝址上游约850m处，枯水期水深不低于1.5m，附近岸边有用作检修场地的平坦河岸，距离岸边约26m。

a.浮船采用无动力钢制焊接结构单甲板船，首尾用辅助悬臂锚固定，水泵电机设备布置在船上。浮船主体为梯形，底部首、尾斜直线起翘，中部为平行中体，甲板四角为圆角。船舱底设4道横舱壁、3道纵舱壁，全船自尾向首各舱为艉尖舱、泵舱、艏尖舱，各舱均开有舱口，配备了下舱直梯或斜梯(泵舱)，设有通风筒。主甲板布置为：首、尾部为走道，同时也是辅助悬臂固定区域。中部右侧布置水泵设备，起吊设施，真空泵组，左侧布置输水管及栈桥；右舷边为水泵吸水口，在吸水口处设有栅栏以保证吸水口处的清洁，左舷距中0.5m处设有栈桥支座，上设支架输水管，输水管上设有1套钢结构走道供工作人员上、下船之用。

主要尺寸为：总长26.2m，型长26.0m，水线长26.0m，总宽11.7m，型宽10m，型深1.6m，吃水0.95m，见图1、图2。

图1 浮船泵站平面布置(单位：mm)

图2 浮船泵站纵断面

b.输水管由2个球形万向转动接头连接，在泵船涨落摇摆时不会影响连续取水。泵船在最低水位即枯水季节取水时，泵进水口在水面下1.2m处，能正常工作。泵船处在设计高水位即与岸坡固定基础相平时，水泵仍然能继续工作，流量受阀门控制，对汲供水无影响。

c.船与岸坡连接。泵船首尾用钢结构旋臂梁来与岸边支座连接。岸边支座承担着浮船泵站旋臂的压重及抵抗风浪产生的扭矩，支座与岸边基础基岩上的钢筋混凝土固定墩相连，作用在岸边基岩上，承载能力满足要求。

3.2 水泵及电机技术要求

a.水泵。泵体材质为铸钢，叶轮、口环、轴套为不锈钢(ZG310-570)；联轴器为铸钢弹性柱销联轴器；水泵高压室放气(抽真空管路)管为DN25钢管，并加设不锈钢球阀(DN25)；水泵轴承测温装置为每个轴承埋设三线式PT100铂热电阻各2只，测温接线盒为固定可靠有外引线的接线盒，便于连接测温仪监测；水泵主轴密封为机械密封。

b.电机。电动机制造商应符合相关标准要求；电动机可经受倒转转速为1.3倍的额定转速达2min；电动机采用全压直接启动，启动时间不超过15s；异步电动机的旋转方向可任意选定，但不可往复旋转；电动机定子三相绕组，每组埋设2只三线式PT100铂热电阻，铂热电阻埋设在绕组层间中部，电动机两端承室埋承室设三线式PT100铂热电阻各2只，供温度监测使用，定子测温与轴承测温供用一个接线盒。

c.水泵选型。泵站设计流量0.32m3/s，水力计算结果泵站总扬程252.9～246.8m，水泵选用卧式多级离心泵，根据水泵样本和特性曲线选择水泵型号，水泵单级特性曲线见图3，水泵配置见表2。

表2 水泵配置

图3 D600-65型水泵单级特性曲线

3.3 扬水管道布设

扬水管道总长1.45km，经水力计算，选用钢管、球墨铸铁管两种形式管材，其中钢管长500m，均为无缝钢管，球墨管长950m，管线从浮船泵站接出，管线沿西庄水库左岸岸坡布置，船体部分管道长26m，库岸采用钢筋混凝土墩固定，在管道容易形成负压之处的凸点均设置排气补气阀井，每座井内安装排气补气阀一块，排气补气阀配同管径同压力等级缓冲阀和检修闸阀，管道沿线共布置排气补气井3座。

3.4 事故停泵水锤计算

水锤计算采用特征线法，其计算过程为：将有压管道非恒定流运动方程组成水锤基本方程，通过特征线转化为常微分方程，再用有限差分法变为代数方程进行求解。该方法精度高，可用于求解各种复杂的边界条件下的水锤计算问题。计算结果显示：

a.事故停泵出口阀门拒动作工况下，机组的最大倒转转速为额定转速的1.21倍，略高于规范规定小于1.2倍的要求，应采取两阶段关阀的方法进行防护。

b.事故停泵阀门按预定的程序关闭，事故停泵机组最大倒转转速为额定转速的1.1～1.3倍，事故停泵不会对机组造成大的危害。

c.事故停泵阀门按预定的程序关闭，水泵倒泄流量明显减小,两阶段关闭蝶阀对防止机组倒转、倒流效果明显。

d.在不同开机台数和不同水位下运行，事故停泵阀出口水锤压力变化值在254～282.98m，事故停泵阀后的水锤压力为水泵额定扬程(260m)的1.1倍以下。

e.事故停泵时，沿管线多处出现负压，在距离泵房1000m处出现水柱断裂现象，最大空气体积为4.1m3。通过对不同机组运行台数、水库水位变化情况的分析计算得知，事故停泵在距离泵房1000m处，最大水锤压力变化在293.315～371.567m之间，此处相对水锤压力在77.735～156.167m之间。

f.事故停泵阀门最优操作程序为快关65°，慢关25°，快关时间3s，慢关时间15s；管线局部高点和负压较大的断面应设排气补气阀，排气补气阀的直径可取主管直径的1/4～1/8。

3.5 水锤防护措施

水泵出口处依次安装液控止回阀、电动蝶阀可有效地防止事故停泵水锤对水泵的破坏，考虑浮船稳定性差，为防止事故停泵水锤对浮船造成破坏，在岸坡万向接头出口处加装水锤吸纳器，阀后采用钢筋混凝土镇墩固定，以保证水锤发生后管道稳定、浮船安全。在距泵房1000m处建双向调节塔来消除水柱断裂时的汽蚀破坏。水锤压力过程线见图4。

图4 Hmax、Hmin水锤压力过程线(低水位阀调节)

3.6 船体防冻

通过搅动水面，交换上下水体，使水体保持一定流速来达到防冻目的。在船体四周均匀布置潜水泵，潜水泵通过吊架和导轨放置水下1.0～1.5m的深度，水泵位置可根据需要进行调节。船体两侧各布置2台潜水泵，船首尾各布置1台潜水泵，安装水泵时各水泵水流方向一致，确保船体四周水体循环流动。

4 结 语

4.1 有效改善取水条件

宁夏南部山区水库地形条件复杂，岸坡受水流冲刷塌陷段面较多，水库淤积严重，水位受降雨影响变幅大，不便建固定泵站，水库水资源利用率不高，采用浮船泵站能极大地改善取水条件，提高水资源利用率。

4.2 施工相对简单，节约投资

相对于固定泵站而言，浮船泵站施工中不需要清淤，建施工围堰等临时建筑物，对施工环境要求低，船体在水面上即可拼装焊接完成，不仅灵活适用，而且投资相对较少。

4.3 泵站运行状况良好，适宜同类地区推广应用

本浮船泵站建成后经两个灌溉期和一个冬季运行，泵站设备运行状况良好，各项指标正常，两个夏季水位变化(高低水位差6.5m)未对浮船稳定造成影响，冬季浮船周围2m范围内水面无冰层，压力管道无漏水。综上所述，浮船泵站可在宁夏南部山区水库取水工程建设中推广应用。