一体化泵闸在水质提升中的应用

2021-06-04翁浩轩詹敏杰王坤雪周华民

天津科技 2021年5期

徐旦，翁浩轩，詹敏杰，王坤雪，周华民

(1. 浙江广川工程咨询有限公司浙江杭州310020； 2. 浙江省水利河口研究院浙江杭州310020)

浙江省某海水湖项目建成后，在湖区汇水面积范围内污染源得到有效控制的前提下(即工业污染源全部拦截，生活污水截污率大于95%)，水质目标确定为湖泊的富营养化水平控制在中度富营养状态以下，且不发生藻类水华爆发事故，水质透明度达到0.7m，通过生态措施改善人工湖水质，确保其他水质指标不低于源水水质等级。

1 设计概况

工程区现状换水格局基本形成，包括人工湖和沉沙池的围堤、三处水闸等，人工湖区占地197.24hm2，常水位在1.5m，平均水深3m时，湖区总库容为538.61万m3。沉沙池占地27.05hm2，沉沙池水位3.2m时，沉沙池可容纳总库容为123.95万m3。为满足海水循环交换已建纳潮闸、进水闸和排水闸：纳潮闸用于纳潮蓄水，纳潮闸闸门总净宽4.0m，底板高程-1.5m；进水闸总净宽4.0m，闸底高程0.0m；白沙湾排水闸总净宽4.0m，闸底高程-1.0m。

为满足人工湖常水位1.5m的要求，需加大人工湖的进水量，考虑加泵强排至沉沙池，使之获得较高的蓄水位，蓄水位取决于沉沙池围堤的安全，堤防安全的蓄水位取3.2m。加泵纳潮不受外江潮位限制，特别是在特殊时期，如果湖体发生富营养化，藻类大量爆发，需要快速置换水体时，强排可以不受外海潮位限制。

2 泵闸规模确定

2.1 弥补水量的加泵要求

人工湖面积为200×104m2，沉沙池面积为30×104m2，若人工湖常水位取1.5m，在开闸自流停止时取水，所需泵的流量情况见表1。由表可见，大、中、小潮期间，采用自流、泵抽相结合的方式，所需最大泵量为14.4m3/s。

表1 所需泵的流量(全月按中潮计，初始水位1.5 m，水深3.0 m，库容600万m3) Tab.1 Required pump flow(according to monthly medium tide，initial water level of 1.5 m，water depth of 3.0 m，storage capacity of 6 million square meters)

若降低湖区常水位，取0.5m，则需要拓宽闸至8m，可保证3.0m水深要求，但无法满足水体80%的月置换率要求。将闸拓宽至12m，效果并不明显。在现有4m闸宽条件下，要保证3.0m水深要求，仍需要加泵，根据估算，流量约为8.1m3/s。如果不加泵只拓宽闸，考虑到月置换水量的要求，则最多只能保证2.5m水深，且无法满足水体80%的月置换率要求。

鉴于以上分析，需在已建水闸基础上，增加泵站以满足湖区换水需求。

2.2 优化泵流量的湖区水交换能力计算分析

经过水交换能力计算分析，采用自流和泵结合，人工湖可按照1.5d的进水模式，即半天(纳潮)+半天(沉淀)+半天(进水)，人工湖进水频率由1个月15次增加到1个月20次，则1个月的换水量可以达到800万m3。但该模式对于泵量的要求很高，需要泵的流量达到14.4 m3/s。因此，考虑在进水过程中加入絮凝剂和助凝剂，人工湖可按照1 d的进水模式，即半天(纳潮和沉淀)+半天(进水)，人工湖进水频率由 1个月15次增加到1个月30次，则1个月的换水量可以达到800万m3，泵的流量也可大幅降低至4.4m3/s。由结果可知，30d后，湖区水体可达到80%置换率要求。

有风情况下，水体置换率降低。按照2016年7月实际风速计算，水体置换率为69%。加快换水周期至1.5d，可以达到湖区水体80%置换率的置换要求，满足浅水湖系统设计导则要求。但该方案对于泵的流量需求较大。可考虑在进水过程中加入絮凝剂和助凝剂，人工湖可按照周期为1d的进水模式，可以达到湖区水体80%置换率的置换要求，泵的流量也可大幅降低至4.4m3/s。由于工程区域已建纳潮闸，本项目从经济性、实用性角度考虑，结合实地地形，对纳潮闸进行改造，结合纳潮闸现状，采用一体化泵站方案。

3 一体化泵闸介绍

一体化泵闸将泵组直接布置在闸门上，闸门既是挡水结构又是水泵支承的基础，使得水闸和泵站合二为一，它占地小，安装方便，迅速高效，投资经济又能实现防洪排涝、改善水体环境等多项目标。

如图1所示，传统闸站通常将水闸和泵站分开布置，即在河道的截面处设置水闸，在水闸一侧或者两侧布置泵站，而一体化泵闸将水闸和泵站结合为一个整体装置系统，构成一扇装有潜水泵的水闸，无需设置单独的泵站。

本项目现已建纳潮闸，水闸净宽4m，水闸位于山脚处，与海堤连接，为满足湖区供水需求，需设置泵站。为减少工程投资，充分利用现状纳潮闸，经综合考虑采用一体化泵闸方案。

图1 传统闸站和一体化闸站对比 Fig.1 Comparison between traditional gate station and integrated gate station

4 泵闸结构形式确定

4.1 泵闸选型

本引水泵站位于沉沙池，为满足湖区补水要求，泵站取水高程为-0.5m。由于泵站设计位置位于已建纳潮闸内侧，受已建水闸流道限制，泵站的选型为本工程的要点和难点，结合现状情况对泵站进行比较分析，如表2所示。

表2 泵型比较 Tab.2 Comparison table of pump types

经综合比较，本次推荐采用潜水轴流泵。

考虑湖区补水周期以及远期运行调度，机组的台数不能太多，1台泵可基本满足运行要求，故本工程选定1台设计流量为4.5m3/s的潜水轴流泵，见表3。

4.2 闸门选型

确定泵型后，一体化泵站的闸门型式对结构的整体稳定及水流流态起着决定性作用，闸门型式比较如图2～4所示。

表3 泵站装机特性 Tab.3 Installed characteristics of pumping station

图2 直升门：潜水泵卧式 Fig.2 Helicopter door：horizontal submersible pump

图3 直升门：潜水泵立式 Fig.3 Helicopter door：vertical submersible pump

图4 上翻门：潜水泵卧式 Fig.4 Upturning door：horizontal submersible pump

本工程一体化泵闸主要用于湖区补水及水位控制，内湖侧常水位较高，且现状纳潮闸水流流道狭窄，直面外海，金属构件容易遭受海水侵蚀。经综合考虑，采用直升门+立式潜水泵方案，经FEA受力及CFD流态分析，能够满足本工程的运行需求。

5 施工安装要点

本工程泵闸底板底高程-4.2m，现状纳潮闸流道高程-1.5m，需开挖2.7m，待开挖施工完成后进行机械设备安装，安装过程中需时刻关注潮水的影响，因此施工过程中的质量控制对泵站今后运行具有至关重要的作用。

①做好施工准备，推进各专业衔接。由于面对外海，需时刻注意海风海浪对施工过程的影响。应提前做好施工准备工作，结合设计图纸和施工方案，从施工现场的实际情况出发进行组织设计，明确施工工艺，合理设置工序流程，设计人员和技术人员应深入现场进行技术交底，将设备预埋件的进场与土建施工顺序合理衔接，避免因衔接不顺影响预埋件安装。

②重视闸门轴线度和同心度。泵组同心度和轴线度是影响安装效果的重要因素，施工人员必须予以重视。本工程闸门总质量约50t，在施工工程中应采取有效的控制措施，结合设备安装的具体进度和各项指标，对设备的协调性和兼容性进行调整，保证设备能够相互匹配，在同心度和轴线度上具备统一性。施工人员还应从给排水泵轴孔出发，明确测量点，借助螺旋测量仪器对机电设备做出调整，保证泵组同心度和轴线度相互匹配。

③做好螺母与螺栓连接。本工程项目机组处在外海恶劣环境中，在运行中容易产生振动，螺母螺栓连接对设备的固定显得尤为关键。因此在施工过程中，必须保证设备连接和固定的牢固性和稳定性，施工人员必须做好螺母和螺栓的连接工作。在安装过程中应提前对材料的硬度等性能进行检测，保证材料质量，避免劣质螺母、螺栓留下隐患；还应对两者的连接状态进行严格控制，避免连接过紧，两者受力状态紧张，进而导致螺母螺栓使用寿命受到影响，又要避免连接过松，导致设备固定和连接不够牢固，从而出现剧烈振动和噪声问题。

6 日常运行维护

作为泵站中的基础设备，水泵能否安全稳定的运行与设备阀门、传动轴以及管道等存在紧密联系，其中任何一项出现故障问题都会直接影响到泵站的运行效果。而在当前水泵安全检修过程中，如果其找平与基础定位工作存在疏忽，极易导致水泵出现运行故障。与此同时，若机组的传动轴产生完全，或者机组轴系出现差错，极易导致水泵机组运行过程中出现较大的运行噪音，并产生明显的振动。此外，若电击联轴器与水泵联轴器找正存在一定的偏差和差错，也会导致水泵的运行受到严重的影响，并产生水泵振动、轴承发热等现象。

水泵在具体运行期间存在的故障问题，需要通过操作检修来有效解决，并降低水泵出现故障问题的几率。可以从以下几个方面入手：①在日常维护中，需要先对水泵进行全面检查，并正确掌握水泵操作的流程，检查内容包括水泵温度计、压力表的读数、水泵各个零部件的连接情况、水泵阀门和开关的实际状态等；②检查水泵操作工具是否齐全；③检查水泵的变压器运行状态；④定期检查轴承，一旦发现问题，第一时间更换轴承或更换润滑油；⑤清理杂质和污物，避免运行造成堵塞；⑥细致记录实际运行过程中出现的故障问题；⑦检查水泵的温度、水位、电流是否处于正常标准；⑧需定期进行水泵的清洁与清洗。