南水北调东线一期三座泵站工程技术特点浅析

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230601）

1 工程概况

南水北调工程是解决我国北方地区水资源严重短缺问题的重大战略举措，是关系到我国经济社会可持续发展的特大型基础设施。从20世纪50年代初提出“南水北调”的设想，历经近半个世纪的前期工作，对东、中、西三条调水线路进行了广泛深入的研究论证，形成了“四横三纵多点”的国家水资源优化配置总体格局。东线一期工程是我国南水北调总体布局中的重要组成部分，规划从江苏省扬州附近的长江干流引水，利用京杭大运河以及与其平行的河道输水，连通洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖作为调蓄水库，经泵站逐级提水进入东平湖后，分水两路，一路向北穿黄河后自流到山东德州；另一路向东自流经新辟的山东半岛输水干线接引黄济青渠道，向山东半岛供水。

南水北调东线工程从长江至东平湖段共设13 个梯级泵站，实现水往高处流，新建扩建泵站共21 座，总扬程40m。台儿庄、蔺家坝和八里湾泵站工程是分别是东线工程的第七级、第九级和第十三级泵站，三座泵站的设计工作由中水淮河规划设计研究有限公司承担。三座泵站主要建设内容包括：进水引渠、清污机桥、前池、进水池、泵房、出水池、公路桥、出水渠、副厂房、安装间和变电站、防洪堤和站区平台等，总投资7.47 亿元。

2 南水北调东线一期三座泵站工程

2.1 台儿庄泵站

台儿庄泵站工程是南水北调东线工程的第七级泵站，位于山东省枣庄市台儿庄区境内。泵站设计调水流量125m3/s，设计扬程4.53m，平均扬程3.73m，站内安装ZL31-5（叶轮直径2950mm）型立式轴流泵5 台套，总装机容量12000kW，泵站为Ⅰ等工程。泵站由进水渠、清污机闸、前池、进水池、主泵房、出水池、出水渠、副厂房、安装间和变电站、赔建交通桥及排涝涵洞等几部分组成。泵站采用堤身式布置，主泵房下部为块基型结构，采用肘型流道进水，微弯型流道出水。进水流道前设防洪检修门，出口设两道互为备用的快速平面钢闸门断流。副厂房布置在主泵房北侧，安装间布置在主泵房南侧，变电站布置在出水池北侧，紧靠韩庄运河大堤。泵站前池和进水池总长48.75m，进水池与进水渠之间采用斜坡段联结，斜坡段长28.75m。泵站出水池总长40.8m。泵站进水渠布置在废弃的台儿庄老船闸下游引航道上，与韩庄运河主槽连通，全长1051.54m。泵站出水渠布置在老船闸上游引航道上，接入韩庄运河主槽，全长688.47m。清污机闸布置在进水渠内，清污机闸为钢筋混凝土整底板、墩墙式结构，共9 孔，清污机布置在进水侧，采用钢丝绳牵引式格栅清污机。防洪闸门布置在出水侧，采用平面钢闸门挡水，配卷扬式启闭机。排涝涵洞布置在交通桥以东，与韩庄运河大堤正交，采用钢筋混凝土箱涵，共3 孔，每孔3.50m×3.50m（宽×高），洞身总长50.20m。台儿庄闸交通桥按公路-Ⅱ级折减设计，采用预应力混凝土空心板桥。管理区选在泵站以东2.5km 的弃土区，通过韩庄运河北堤堤顶道路与主站区连接。

台儿庄泵站工程设计的主要特点为：（1）采用科学合理的选址及总体布置方案，充分利用河道内废弃建筑物（原船闸及引航道），并采用新型的清污机闸将清污、挡洪和排涝结合为一体，成功解决了行洪河道内合理布置调水结合防洪、排涝等多功能泵站枢纽的设计难题，节省了占用土地和工程投资；（2）采用全长透水型深井结合固结灌浆方法，成功解决了复杂工程地质及水文地质条件下的岩溶裂隙承压水的降水问题；（3）通过对站身混凝土结构施工期的非稳定温度场和应力场的三维仿真计算，采用后浇带、在墩墙中心部位预砌浆砌石芯核、三级配常态混凝土、埋设冷却水管等措施，成功解决了岩基上超大尺寸整体块基型基础及复杂流道结构的施工期温控防裂难题；（4）采用灌注桩结合预应力土锚杆支护方案，成功解决了土质高边坡整体稳定及深基坑开挖施工难题，保障了工程施工及周边建筑物安全，减少了大量移民占地；（5）采用回填水泥土措施，成功解决了土基和岩基上相邻大高差高挡土墙沉降控制难题；（6）采用计算流体动力学（CFD）理论与技术，进行了微弯型平直管出水流道优化设计及模型试验研究，成功突破了常规平直管出水流道损失大、效率低的难题，为长时间调水运行节约了成本。

该研究成果在台儿庄泵站的应用填补了直管式出水流道在国内大型低扬程立式轴流泵站工程应用的空白，并获得2006年水利部淮河水利委员会科学技术奖一等奖和2007年安徽省科学技术奖三等奖。该研究成果具有广泛的推广应用价值，取得了良好的经济效益和社会效益。

2.2 蔺家坝泵站

蔺家坝泵站工程是南水北调东线工程的第九级泵站，位于江苏省铜山县境内。泵站设计调水流量75m3/s，设计净扬程2.4m，平均净扬程2.08m，站内安装2850ZGQ25-2.4 型灯泡贯流机组4 台套，总装机容量5000kW，泵站为Ⅰ等工程。泵站由进水渠、清污机桥、进水池、主泵房、出水池、出水渠、副厂房、安装间和管理区等组成。进水渠利用现有的顺堤河河道，主泵房下部为块基型结构，进、出水流道均为平直管型，进水流道前部设检修门，出口设两道快速闸门。副厂房布置在主泵房南侧，安装间布置在主泵房北侧。泵站进水引渠标准设计断面为河底高程27.00m、底宽40.0m、两侧边坡1 ∶3。清污机桥共12 孔，总长76.62m。前池和进水池布置于清污机桥与主泵房之间，两侧采用钢筋混凝土扶壁式挡土墙连接。主泵房后接出水池，出水池长69.06m，两侧采用钢筋混凝土扶壁式和空箱式挡土墙连接。防洪闸位于出水池后，用于泵站挡洪，共4 孔，单孔净宽8.0m，闸门采用平面钢闸门，配QPQ-2×250kN 固定卷扬式启闭机。防洪闸出口设长95.6m 的扩散段，后接出水渠，出水渠主要是利用现有的湖西航道。

蔺家坝泵站工程设计的主要特点为：（1）大型齿联灯泡贯流泵的研制与应用，填补了国内空白，主要表现为：灯泡体外形尺寸较小，大大改善了出水流道灯泡体处的水流流态；首次采用机械式叶片调节机构对叶片进行角度调节，具有没有调节死区和调节范围大的特点，自润滑的无油润滑轴承避免了润滑油泄漏污染水质的可能；首次采用1 套双向球面滚子推力轴承、2 套径向导轴承的支撑形式，改善了水泵轴系的受力条件，提高了机组运行的可靠性和寿命；首次采用迷宫与空气围带相结合的主轴密封装置，解决了传统密封装置可靠性低、寿命短的难题；首次采用CFD 技术计算出流道不同部位的水力损失值，分析出流道优化工作的重点和关键点，使流道的水力损失降至最小值，优化了整体流道的型线；在结构和整体流道优化的基础上，最大可能地减少过流部件的水力损失，机组装置效率得以充分提高；（2）通过科学合理的工程选址和总体布置，成功解决了泵站垂直进、出水和泵站出口垂直水流影响湖西航道航运的难题；（3）通过采用泵站空间有限元静动力分析与研究，优化泵室结构，成功解决了贯流泵机组泵房“扁担型”结构易造成底板和墩墙断裂的结构设计难题；（4）采用非稳定温度场和应力场的三维仿真技术，成功解决了泵房、防洪闸等超长底板及薄壁墩墙结构施工期温控防裂问题，达到未发现一条施工期裂缝的预期效果。

蔺家坝泵站工程大型齿联灯泡贯流泵的研制与应用成果获得2010年水利部淮河水利委员会科技进步二等奖。

2.3 八里湾泵站

八里湾泵站工程是是南水北调东线工程的第十三级泵站，位于山东省东平县境内的东平湖滞洪区，也是南水北调东线工程最后一级泵站。工程设计调水流量100m3/s，设计净扬程4.78m，平均净扬程4.15m，站内安装3150ZLQ33.4-4.78 型立式全调节轴流泵4 台套，总装机容量11200kW，泵站为Ⅰ等工程。泵站布置在东平湖新湖区的柳长河以东，紧邻东平湖老湖区南堤，泵站中心线方位为正北偏西4°，距原柳长河入东平湖口384m。泵站由进水引渠、清污机桥、前池、进水池、泵房、出水池、公路桥、出水渠、副厂房、安装间和变电站、防洪堤和站区平台等组成。泵站站下进水引渠接新拓挖的柳长河，站上出水渠穿过南堤入东平湖老湖区。泵站采用堤身式布置，主泵房下部为块基型结构，采用肘型流道进水，低驼峰平直管流道出水，进水流道前部设防洪检修门，出口设两道互为备用的快速平面钢闸门断流。副厂房布置在主泵房东侧，长32.20m，宽21.20m。安装间布置在主泵房西侧，长15.50m，宽12.70m。泵站进水引渠标准设计断面为河底高程31.30m、底宽43.0m、两侧边坡1 ∶3.5。清污机桥采用两侧斜坡式钢筋混凝土箱涵式结构，平底板基础，共16 孔，总长103.0m。前池采用约1 ∶5 向下的纵坡与进水池连接，前池、进水池两侧翼墙均为钢筋混凝土空箱减压板结构。主泵房后接出水池，出水池长20.0m，两侧采用钢筋混凝土空箱减压板结构。出水池后接出水渠，全长为182.0m，两侧边坡均为1 ∶3.5。公路桥位于东平湖老湖区南堤，横跨泵站出水渠，全长100.0m，桥面汽车荷载等级采用公路Ⅱ级，公路桥采用排架式钢筋混凝土预应力空心板简支结构，钢筋混凝土钻孔灌注桩基础。站区平台顶高程为46.10m，平台南北道路中心线距离140.5m，东西向275.0m，平台边坡为1∶3，平台分东、西两个区，东区主要布置办公管理用房和辅助生产用房，西区为生活区。

八里湾泵站工程设计的主要特点为：（1）湖相区堤身式泵站工程选址及总体布置方案，成功解决了滞洪区内泄洪闸、船闸及现有灌排体系影响下调水结合排涝综合性泵站枢纽的布置难题；（2）采用三面围封地连墙结合减压井和排水孔技术，成功解决平原地区深厚砂土地基上复杂的多元渗流场渗透稳定控制问题；（3）采用上层水泥土搅拌桩截渗墙结合下层高压定喷墙分层截渗止水帷幕技术解决临湖（河）深基坑降水问题；（4）采用空箱减压板结合墙后回填水泥土技术解决软土地基上高挡土墙稳定问题；（5）采用自溢式出流方式解决泵站初始启动出水流道出流技术难题，提高了机组安全稳定运行可靠性；（6）利用振型分解反应谱法分析研究泵站在地震设防烈度下自振特性、结构动位移、动应力和动内力；（7）采用土基上超大尺寸混凝土块基型结构，避免了结构分缝，提高了站身结构的整体安全性，节省了工程投资；（8）采用灌注桩后注浆技术，解决了厚层回填土上灌注桩承载力不足难题；（9）通过采用计算流体动力学（CFD）理论与技术，将平直管出水流道改进为低驼峰型出水流道，成功解决了在泵房布置允许前提下进出水流道内水流水力条件最优和装置效率最高的难题。

八里湾泵站工程通过对深基坑工程降水及止水帷幕关键技术研究，采用上层水泥土搅拌桩截渗墙结合下层高压定喷墙分层截渗止水帷幕技术解决临湖（河）深基坑降水问题，该项研究成果获得2013年黄河水利委员会科学技术进步奖二等奖；平原地区深厚砂土地基复杂多元渗流场渗流稳定控制研究成果获得2013年山东黄河科学技术进步奖二等奖。

3 结语

台儿庄、蔺家坝和八里湾泵站均具有低扬程、大流量、年运行时间长的特点，但工程选址、总体布置、水流流态、机组选型、工程地质、泵室结构、施工及运行条件又各自不同，中水淮河规划设计研究有限公司本着科学严谨、求实创新的精神，通过多方案的技术经济比选，成功地解决了三座泵站的技术难题。三座泵站先后荣获2015年度全国优秀水利水电工程设计金奖、银奖和2017年度全国优秀水利水电工程设计银奖，同时八里湾泵站荣获了2017—2018年度中国水利工程优质（大禹）奖。三座泵站投入运行以来，工程已经历多年调水的考验，运行正常，操作方便，满足工程使用要求■