浅谈盐卡泵站水泵选型设计

张丙华 李昌红

(湖北省荆州市四湖工程管理局，湖北 荆州 434000)

1 工程概况

湖北省荆州市盐卡泵站位于荆州市城区，地处长江中游，为堤后式泵站，承担着城区排涝任务，将城市涝水抽排至长江沙市河湾下段。泵站排区主要为沙市区南北渠以西区域，涉及沙市城区、荆州开发区、沙市农场、岑河镇、锣场镇等，总面积190.2km2。

2 区域排涝现状及存在的问题

盐卡泵站服务范围内的排水系统最早修建于20世纪80年代，雨污不分离，造成排水系统严重不畅，主要表现如下：

a.沙市城区排水管网从1981年开始按雨污分流制建设，其中西干渠以南城区已基本建成雨污分流管网，主要排水通道为西干渠和豉湖渠，其中西干渠起点在雷家垱，在监利泥井口入四湖总干渠，总长90.51km。由于城区并没有完全实现雨污分流，且红光污水处理厂的处理能力不能满足需求，导致大量污水污染下游，故于1981年在岑河镇伍家岗处筑坝拦截城市污水，西干渠失去了原有的排水作用，沙市城区雨污均由豉湖渠排出。沙市城区现状泵站主要包括玉桥泵站、宿驾泵站、小天鹅泵站、军刘台泵站等，总排水流量达11.65m3/s。其中玉桥泵站位于西干渠以南，西干渠与豉湖渠交界处，设计排水流量4m3/s；宿驾泵站位于豉湖渠南岸与东方大道交叉处，1995年建成，设计排水流量4m3/s；小天鹅泵站位于小天鹅路与王家港交叉处，2005年建成，设计排水流量1m3/s；跃进王家港泵站位于王家港与横排渠交界处，2004年建成，设计排水流量1.2m3/s；连心六组泵站位于豉湖渠与横排三渠交叉处，2004年建成，设计排水流量0.5m3/s；连心四组泵站2005年建成，设计排水流量0.55m3/s；军刘台泵站设计排水流量0.3m3/s。

b.荆州开发区管理范围包括联合乡、岑河农场、沙市农场、江北农场、滩桥镇托管区、沙市部分区域。开发区西至王家港、东至杨场渠、南至西干渠区域基本已建成排水管网，雨水排入豉湖渠、西干渠。沙市农场现状主要有四清渠、化港渠等排水渠道，雨水就近汇入各排水渠道后排入西干渠。四清渠北接西干渠、南接化港河，现已实施综合整治，设计排水流量8m3/s。该片现状无任何泵站和控制性涵闸，完全依靠渠道自排。

c.岑河镇现状主要调蓄水体为白水滩及豉湖渠两侧调蓄区，雨水通过雨水管道或明渠收集，就近排入内河水系，经过调蓄或转输，自排或通过泵站抽排入豉湖渠或南北排渠。现状泵站包括总场泵站、东风三组泵站、东泵站、西湖泵站、西汊湖泵站，总排水流量为11.75m3/s，其中东泵站排水入豉湖渠，其余汇入南北排渠后由豉湖渠排出。

d.锣场镇雨水自排或通过泵站抽排入豉湖渠。现状泵站包括八支渠泵站、白水滩泵站、渔湖泵站、东港湖泵站、玉壶泵站、曹湖泵站，总排水流量为13.7m3/s。

盐卡泵站服务范围见图1。

图1 盐卡泵站服务范围示意图

2.1 区域排涝的现状

由图1可知，现状排水出路为豉湖渠、西干渠，其上游城区部分渠段均为箱涵，而下游人口较密集且沿岸土地已规划列为城市建设用地，因此难以通过工程措施来扩大其过流能力。豉湖渠、西干渠排涝需服从四湖中下区总体调度，四湖中下区总体排涝标准为10年一遇，豉湖渠、西干渠按设计排涝流量控制下泄。所以如果仅依靠豉湖渠、西干渠两个排水出路无法满足区域排涝需求。盐卡泵站服务范围内二级排涝泵站排水情况见表1。

表1 盐卡泵站服务范围内二级排涝泵站排水情况

2.2 存在的问题

从表1不难看出，该地区水系和排水系统结合近几年来暴雨引发的渍涝灾害情况来看，存在以下几个问题：

a.盐卡泵站服务范围整体排涝能力不足5年一遇，排涝工程规模根本不能满足其排水需要。近年来，连续遭受严重的洪涝灾害，城区大面积淹水，交通中断，企业被迫停产，居民家中进水，严重影响群众生产生活。

b.盐卡泵站服务范围现状排水出路仅为豉湖渠和西干渠，汛期豉湖渠、西干渠排水常受下游中干渠高水位顶托，排水能力受限，特别是荆州开发区南部化工工业园、机械工业园等工业园区涝水需经化港河、四清渠汇入西干渠后再由豉湖渠排出，流程20km以上，涝水无法及时顺畅排出，导致沙市城区、荆州开发区大面积受淹。

c.盐卡泵站服务范围大部分为沙市城区和荆州开发区，建成区范围较大、工业园区规模大，人口较多、经济较为发达，设计排涝标准为20年一遇24h暴雨24h排除。

根据上述问题泵站现状的排涝能力远低于设计排涝标准，因此泵站的建设势在必行。

3 水泵选型的原则

3.1 基于地区的选型

合理进行水泵选型是该工程能否解决当地排涝问题的关键。需根据当地地形的实际情况选择合适的水泵。

a.在山区和井水灌溉的地区应选择离心泵，离心泵主要特点是利用叶轮转动产生的离心力进行抽水，扬程比较高，出水量不是很大。

b.在平原地区一般选用轴流泵，轴流泵主要特点是利用叶轮转动产生的推力进行输水作业，出水量大但是扬程很低。

c.在平原和丘陵地区可以使用混流泵，混流泵外形和离心泵很像，但是叶轮与离心泵不同，叶轮介于离心泵和轴流泵之间，抽水是推力和离心力共同作用，其扬程和水量也介于上述两种泵之间，可以说混流泵是离心泵和轴流泵的混合体。

3.2 水泵选型的注意事项

a.水泵的选型首先注意的是其扬程和出水量，扬程是指实际扬程，包括吸水和出水扬程。水源到安装水泵的高度叫作吸水扬程；水泵到出水口的高度叫作出水扬程。

b.根据实际需要确定扬程。总扬程是实际扬程和损失扬程之和。损失扬程一般要根据管路的长短、底阀等部件的情况，在实际扬程15%左右内进行计算。因此只要测出了实际扬程就能估算出损失扬程。

c.当确定了扬程和出水量后，就可以选出适合工程的水泵。

4 水泵选型的难点及水泵的设计计算

4.1 水泵选型的难点

a.泵站的设计流量。盐卡泵站采用平均排除法(中心城区采用重现期为1年的城市暴雨强度进行复核)和EPASWMM水文水动力模型两种方法分析盐卡泵站设计流量。通过平均排除法可以计算出盐卡泵站服务范围内满足的设计流量。考虑到项目排涝属于城市排涝，排水涉及管道和排水渠，根据涝区分片情况，每一片涝区都不是单一的保护对象，整个涝区采取概化综合径流系数的方法具有较大的不确定性，因此采用结合排水管网情况的分布式水文水动力模型EPASWMM进行排涝计算。

EPASWMM是一个动态的降水-径流模拟模型，主要用于模拟城市某一单一降水事件或长期的水量和水质模拟。模型分为以下几个核心模块：径流模块、输送模块、扩充输送模块和蓄存/处理模块。根据模型计算，该地区的排涝标准为沙市区、宝莲区、沙市农场区达到20年一遇24h暴雨24h排除；岑河区达到10年一遇24h暴雨24h排至田面无积水；锣场区达到10年一遇一日暴雨三日排至作物耐淹深度；外江侧防洪标准同荆江大堤堤防的防洪标准。因此对于水泵的排水量有一定的要求和影响。

b.泵站的特征水位：进水池的最高水位为29.50m，最高运行水位为28.20m，设计运行水位为27.50m，最低运行水位为26.70m；出水池最高水位为42.21m(外江防洪水位)，最高运行的水位为41.85m，设计运行水位为41.36m，最低运行水位为33.80m。其水位变幅大，对水泵的扬程有一定的要求和影响。

4.2 水泵的设计计算

4.2.1 水泵流量的计算

水泵流量首先是由相关的规范要求推出，再者要充分考虑到该泵站的实际用途能否满足其设计标准，可由式(1)得出。

(1)

式中Q——水泵流量，m3/s；

V——容积，m3；

n——所需水泵的台数；

t——泵站所需的最短时间，s。

要根据已经选定的水泵型号、排水管道的工况等计算水泵流量是否能够满足水泵充分排水时的要求，并且要复核初选水泵是否满足正常运行的范围。

4.2.2 水泵的扬程计算

泵站的设计流量和相应水位是水泵选型的关键参数，通过式(2)计算水泵的总扬程。

(2)

式中H——水泵总扬程,m；

H1——水泵净扬程,m；

h——管路损失扬程,m；

v2/2g——泵出水口处的动能损失水头(通过水位计算得出),m。

通过式(2)得到水泵的设计扬程为13.86m，最高净扬程为15.51m，从而选择适合该泵站的水泵型号。

从上述内容可以看出，水泵选型要根据流量和不同的扬程，通过计算来确定水泵实际工况下的各项参数，核算水泵是否符合该工程的要求；如果不能满足要求可以根据管路布置以及安装位置高程的变化等因素进行调整。

5 盐卡泵站设计中的水泵选型及泵房设计

5.1 主泵机型的选择

在设计中考虑到盐卡泵站位于城区，又需穿越荆江大堤，建成后将成为荆州市主要排涝泵站之一，为确保工程在技术经济上均可行，对于机组型式及台数进行初选，具体如下。

a. 3台混流泵方案。考虑到工程位于城区，为减少工程占地及节约土建投资，进行了3台混流泵方案设计，该方案进水流道底板高程为19.40m，建基面最低高程为16.50m，按平均地面高程32.50m计算，开挖深度大，根据地质钻孔揭示，粉细砂层顶部高程为14.70m，开挖至建基面后覆盖土层最薄处仅为1.8m，需采取稳妥的降水措施，防止基坑突涌，施工存在一定的难度及风险。虽然该方案可行，机组为常规机组，泵站枢纽土建、机电设备及金结投资也较节约，但考虑到泵站位于国家一级堤防堤内，该方案挖深较大，为确保荆江大堤安全及减少施工难度，未采用此方案。

b. 10台潜水泵方案。考虑到泵站位于城区，潜水泵具有噪声小、节省工程投资、水工结构简单、机组能够快速安装检修等优势，基于近年来我国已能生产1.4m和1.6m的大口径潜水泵，本次设计中初步研究了10台机潜水泵方案，该方案在工程布置等方面不存在问题，但是盐卡泵站运行扬程变幅较大，如采用10台潜水泵方案，机组需定制，且目前国内还没有已建成的同类泵站，考虑到本工程位于国家一级堤防，保证工程安全运行十分重要，且国内尚无成功案例，在本工程中未采用此方案。

c. 5台及6台混流泵方案。为确保工程安全，拟采用土建投资及占地略大的多台机组方案，抬高建基面高程，减少施工难度，在设计中又进行了5台及6台混流泵的比选。按照推荐的6台混流泵方案，并将进水流道优化为采用簸箕形流道后，流道底高程抬高至21.65m，建基面最低高程抬高至19.00m，使得开挖后覆盖土层最薄处厚度可达4.3m，对于施工期基坑安全更有利。

由于盐卡泵站的运行扬程变幅较大，最大净扬程为15.15m，相对较高，在主泵型式选择时，优先选用混流泵。并对机组台数进行了详细的机组比选，最终采用了6台机的方案。水泵布置见图2。

图2 盐卡泵站水泵布置 (单位：m)

5.2 泵房的设计

由于最终确定了水泵为6台1700HLQ9.17-15.36型混流泵混流泵，因此主泵房采用块基式泵房。水泵机组呈“一”字形布置。主泵房平面尺寸为43.42m×20.67m(长×宽)，泵房顺水流方向宽度根据泵房的稳定性要求、各机电设备尺寸和安装通道要求而定，包括进口启闭台宽7.0m、主泵房宽13.67m；泵房沿机组轴线方向长度由机组间距和边墩宽度组成，机组间距为6.90m，边墩宽度为1m；3台机为一联，中间设沉降缝，缝宽2cm。

按顺水流方向分为进水口和主机间两部分：进水口顺水流方向长7.0m，进口设6孔拦污栅，单孔5.1m×4.0m(宽×高)，6孔检修闸门，单孔5.1m×3.5m(宽×高)，采用2扇平面钢闸门，可供2台机组检修；主机间顺水流方向长13.67m，内设6台机组，水泵间距6.9m，中墩厚2.4m，边墩厚1.0m，每台机组流道宽5.1m。主泵房地面以下由上至下分别设置电机层、联轴层、水泵层及底板层。电机层高程34.00m，电机两侧距厂房边墙的通道宽度大于1.5m，便于电机安装检修；联轴层高程29.00m；水泵层高程23.75m；进水流道底板顶高程21.65m，设排水沟、集水井，在检修期间，将流道内水排至集水井，通过水泵层排水泵抽排积水。泵房进水流道根据泵型采用簸箕形流道。

6 结 语

目前盐卡泵站已经建设完成，并投入使用，整个水泵机组的运行表现良好。其建成后效益显著，主要体现在以下几个方面:

a.排涝效益。按地区分为两部分，一部分为以机械电子、化工、纺织服装、生物医药和农产品加工为主导产业的城区工业体系，另一部分为粮棉油与蔬菜生产基地。根据相关资料的分析，总排涝效益可达到3361.68万元。

b.间接效益。主要包括排涝区各种公用民用房屋淹没、损毁，各种生产生活基础设施，如农田水利工信，以及通讯、电力、交通等设施的损毁、中断运用等带来的社会经济损失，以及乡镇企业停产所造成的损失，排区内抢险救灾所耗费的人力、物力和财力等。工程间接效益可以按照直接排涝效益的10%估算，即336.17万元。根据我国社会水平发展速度，工程带来的排涝效益和间接效益可以按每年3.0%递增计算。

c.社会效益。盐卡泵站的顺利完工运行将促进荆州地区经济社会发展，保障城市建设，推动城市持续稳定发展。同时促进区内机械电子、化工、纺织服装、生物医药和农产品加工等工业及商业、服务业的发展。还可有效保障农业生产安全，促进农业产业化结构调整，提高农村居民生活水平，促进周边乡村的振兴。

由此可见，盐卡泵站在水泵选型时，充分考虑到了当地实际的排涝需要，并经过合理的设计计算分析确定水泵型号，满足了当地的实际需要，促进了当地社会经济发展。