水库应急补水浮船取水技术研究

杨学江，李 萌

(四川港航建设工程有限公司，四川成都 610000)

随社会经济的快速发展，工业和民生用水的工程也随之增多，而如何根据实际情况选择最适宜的取水方式就显得尤为重要。30多年来，我国补水工程有了很大发展，在取水工程结构设计和施工方面，也有较多革新。如水位变化幅度大的深基泵房底板，采用锚杆嵌固技术处理，对于泵房稳定和减薄底板厚度起了重要作用，有的中小型取水泵房，采用薄壁瓶式竖井泵房，将基础嵌入岩石一定深度，可克服泵房筒体的浮力，减少薄井筒壁厚和底板厚度。以上结构形式，均具有技术较先进、节省投资、材料消耗低、施工周期短和使用安全等优点。

1 工程概况与取水技术原理

1.1 工程概况

营山县幸福水库应急补水工程线路起于绿水镇浮山村，止于幸福水库，设计起点桩号为K0+000，设计终点桩号为K6+600.354，全长约6.6 km。管线大部分采用明挖法施工，跨河部分采用桥管，局部埋深较深处采用顶管，局部采用支墩架管。管道一般埋深约1～3 m，拟采用直径1000 mm钢管。另有三处泵船支墩及一处变配电房，泵船支墩基础埋深约1.5 m，变配电房基础埋深约3.5 m。取水头部采用浮船取水，补水规模6×104m3/d。

1.2 取水技术原理

水库边及江河湖泊建设大型取水工程主要采用泵船，传统的施工做法是，在山区水库边江或河湖泊建造固定汲水泵站，先围堰筑坝，然后全部抽干围堰区域内的水，建造泵房，再安装管路、阀门、控制、水泵等。固定式泵站的特点是：(1)施工周期长，围堰工作量大，费用高；(2)泵房造价高，水位落差越大，泵房造价越高；(3)传统汲水泵站因取水口固定在低水位以下，取出的水永远是底层的原水，泥砂含量较高；(4)进水管一直沉在水底，如遇污物堵塞，无法发现和清理；(5)泵站建设时对环境影响大，安全系数低。

鉴于以上论述，为了克服传统汲水泵站建造使用时存在的缺点，满足不同工况下的特殊取水要求，结合传统的取水方式并进行改进和创新，营山县幸福水库应急补水工程采用浮动泵站取水，这种方式水下工程量少，施工简便，投资较少，不但可作为临时补水，同时可以作为永久性取水结构，可显示其机动灵活的优越性。浮动泵站主要采包括起吊设施(检修时使用)、出水管、泵站浮体、水泵、进水管、真空系统、输水管、配电系统、阀门、消防系统、自动控制系统、锚固系统、发电机组、栈桥等组成部分(根据用户要求及实际工况选择配置)；泵船在水位变化时，能连续供水，无须更换接头。浮动泵站可采用PLC全自动控制及手动控制，水泵启停操作简单，运行安全可靠。智能化模块拼装取水泵站是个系统工程，涉及到船舶、电气、给排水、高低压控制系统、自控系统、防腐学、材料学、力学等多门专业。图1为水库应急补水浮船取水工艺剖面示意图，水库应急补水浮船取水安装施工示意图如图2所示。

2 水库应急补水浮船取水设计施工方案

2.1 确定取水方案

根据前期调研，仪陇河在安固乡设有溢流坝，浮山村取水点处河岸较陡(α=25°～30°)、停泊条件较好。针对山区小河流的特点、场地交通运输条件以及本工程应急时效性要求，同时结合岸边固定式取水泵房存在选址论证、水下地质勘察等前期耗时工作，且混凝土施工、养护周期长，为了节省工期，推荐采用浮船取水。

2.2 确定浮船设备及其附属设施

浮船设备由专业厂家配套提供，并负责整体安装。栈桥即是为了联系取水泵头部的人行栈道和取水管道的承托栈道，也是水厂人员察看取水泵运行情况和维护维修取水泵的通道。浮船是安装水泵的平台、也是维修维护水泵的平台。移动式取水浮桥、浮船主体为钢质、全电焊、横骨架式结构，取水泵安装在浮船中。浮桥上的输水钢管也为分节式、每节之间以软接头相连接。浮桥与岸边的联接采用轴轮和轴套筒，以适应浮桥随水位上下而变化、左右之摆动。为了实现供配电，在岸边平坦处设一座变配电间，出入道路与现状村道顺接。

图1 水库应急补水浮船取水工艺剖面示意

图2 水库应急补水浮船取水安装施工示意

2.3 浮船取水平台的确定

综合考虑幸福水库所处的势及地区域位置，仪陇河的水源为最优选择。根据提供的资料，仪陇河在2011年、2012年出现断流现象，2013～2015年最小流量平均为7.3×104m3/d。因水文监测站建站时间短，缺乏仪陇河流量持续时间、洪水位、枯水位等水文资料。根据2016年8月16日的地形测量单位实测河道断面及流速推算，仪陇河取水口处流量为99.7×0.075=7.48m3/s，流量折合为64.6×104m3/d。从营山县城目前实际供水情况来看，城北净水厂供水规模4×104m3/d，老水厂供水规模2×104m3/d，合计6×104m3/d，因此浮船取水平台按照6×104m3/d设计。

2.4 取水泵的选型

为了在雨季“抢水蓄水”，本工程考虑丰水期(夏、秋两季)取水6个月，3台水泵全开，取水规模=9×104m3/d，枯水期(冬、春两季)取水6个月，只开1台水泵，取水规模=3×104m3/d。则全年平均可补水6×104m3/d，可以满足营山县城目前的供水需求。自然地形高差逾54 m，为保证选型扬程及水泵效率，因此取水泵采用14SH-28 350S16双吸单级离心泵。

2.5 浮桥、泵船防腐施工

为了确保浮船水下部分终身免维护，且使用年限15 a以上，全浮船、连接件钢材及栈桥除了选用像螺、防水藻等水生物的高级防腐防污材料，还应增加其厚度。

2.6 取水泵的选型

浮桥上取水管采用DN300钢管，水泵采用恒流量变压力变频调速控制，以适应水库水位的变化所引起的取水扬程和取水量的变化，从而节能省电。

2.7 浮船取水的附属构筑物设计

2.7.1 阀门及阀门井

阀门采用：DN≤300mm的阀门均采用手动软密封闸阀；DN>400 mm的阀门采用手动法兰式偏心卧式蝶阀。阀门的公称压力P=1.0MPa。

阀门井采用：蝶阀井采用混凝土矩形卧式蝶阀井，闸阀井采用混凝土立式闸阀井。

2.7.2 排气阀及井

在管道上容易积聚空气的高点或一定长度的管道上设置弥合水锤预防阀，除桥管上的弥合水锤预防阀无需设置排气阀井外，埋地管道均设排气阀井，采用钢筋混凝土排气阀井。

3.7.3 排泥阀井

在管线的低凹处均设置排泥井。

排泥井：采用钢筋混凝土排泥闸阀井，井内设弹性座封闸阀，通过砖砌φ800 mm排泥湿井间接泄水，排泥湿井兼作消力池。

2.7.4 水囊式空气压力罐

在桩号0+025处设置水囊式空气压力罐，靠近水泵出水口，起防止停泵水锤或弥合水锤的作用。

在管网和空气压力罐之间安装一个检修阀，便于将空气压力罐和管网分离开；在检修阀和空气压力罐中间安装一个旁通管，旁通管上安装一个排水阀，具体详见图3。

图3 水囊式空气压力罐原理

本次设计选型压力罐容积V=6m3，就地设置混凝土基础，气压罐采用吊环移动空气压力罐，便于起吊。

2.7.5 水锤泄放阀及井

在压力罐之后设置水锤泄放阀，设置桩号0+030。

水锤泄放阀DN300，设于水锤泄放阀井内，钢筋混凝土井尺寸A×B×H=1300mm×1300mm×1800mm。阀后排水管DN300，将排水引至边沟或河边。

2.7.6 管道支墩

浮船取水设计在岸边设置2个主支墩，用于固定输水管栈桥、人行栈桥，同时在两旁分设2个钢缆副支墩。

2.8 水锤分析

根据水锤分析计算结果，本设计采取如下措施。

按照验算数据，泵后液控止回偏心半球阀的关阀规律为10 s关闭20 %，3 s关闭80 %，全程关闭时间为13 s。水囊式空气压力罐是很好的解决此类复杂地形的装置，本工程选择6 m3的水囊式空气压力罐，有效容积不小于4 m3(正常运行时的含水量)，与主管连接的管径应不小于DN200，尽量靠近主管。

2.9 电气设计

电气设计以本工程引入的10 kV电源线进入总变配电间10 kV进线柜进线电缆终端头为界；电缆终端头及整个10 kV电源进线线路则由当地供电部门负责完成。本次设计具体内容有：站内高、低压供配电系统设计、电气控制及布置设计、照明配电及布置设计、导线敷设设计、防雷及接地保护设计。通过综合技术经济比较，本工程设计采用一台所用变压器，变压器容量为75 kVA。

3 浮船取水施工安全防护措施

3.1 安全配置

消防救生设备：按有关规范，浮桥两边和浮船三周边安装钢制扩栏、浮船配备了救生圈、移动式手动吊葫芦等。

3.2 平衡措施

为保证取水泵船的正常使用和操作人员的安全，浮桥和泵船上的设备布置保证船体的平衡和稳定，力争泵船在不增加载荷(平衡水管、压载物等)的情况下达到自平衡，在工作状态下也保持平衡稳定。

3.3 稳定性措施

本船稳定性满足取水泵船的要求，泵船之干舷尺寸、吃水深度、船体能防风、浪及其它冲击的影响。

3.4 不沉性措施

浮桥、泵船为首尾对称的方箱形结构，并合理地选用船体钢板的厚度。当泵船发生事故时，亦能确保船体的不沉性。

4 结论

本文结合国内外相关学者已有的研究并结合营山县幸福水库应急补水工程实际情况，对汲水泵站进行改进和创新，采用浮船取水技术有效地解决了营山县幸福水库的补给水施工难题。浮动泵站随着水位涨落可实现自动升降，泵站整体稳定性较高，与传统的固定式泵房相比较，不需要进行围堰施工，工期明显缩短，节约了成本；同时解决了固定式泵房进水管容易被堵塞且难以清理的难题，配合悬臂户外吊车，保养检修简便。分析论证了采用浮船取水的可行性，具有良好的经济效益和市场推广价值，为类似工程实践提供了借鉴依据。