一体化泵闸技术在杭嘉湖圩区中的应用研究

2022-08-06戴林军郝晓伟

浙江水利科技 2022年4期

戴林军，郝晓伟，陈胜

（1.德清县水利工程管理所，浙江德清 313200；2.浙江省水利科技推广服务中心，浙江杭州 310012；3.浙江中水工程技术有限公司，浙江杭州 310020）

1 问题的提出

近年来，随着杭嘉湖地区水利工程纵深推进，进一步加快区域河网水体流动、重点防范流域突发性洪水侵袭将成为治水新要素。当地政府结合骨干河道建设，通过闸站建设、堤防等级提升、河道水系连通等方式，加速杭嘉湖圩区整治，完善灌排体系，努力提升杭嘉湖平原的区域防洪排涝能力、水资源配置能力和水环境容量，具有十分重要的意义。

一体化泵闸系统取消了传统泵房结构，将潜水轴（贯）流泵布置在闸门门叶上，闸门既是挡水建筑物又是水泵支承的基础，使水闸和泵站合二为一。与传统闸站相比，该系统在保有防洪排涝功能的同时，更具以下独特优势：①泵房不侵占天然河道，不束窄过流断面，圩区内外水体交换能力强；②闸站整体结构尺寸小，土建投资减小，施工工期缩短，整体成本降低；③设备高度集成化和智能化，操作简单，便于日常运行管理；④系统适用性强，不仅可用于新建工程，也适用于老闸改造。

目前，一体化泵闸系统主要应用于圩区整治、城市低洼地区的防洪排涝，以及黑臭河的水循环治理等工程。在国外，该系统在荷兰、德国、美国等欧美国家，以及日本、韩国、马来西亚等东南亚地区均得到广泛应用。在国内，一体化泵闸系统前期主要以技术引进的形式进入市场。近年来，随着技术开发和革新，国内已经涌现出一批较为成熟的自主研发产品，在广州、福州、天津等城市内河治理，以及杭嘉湖圩区整治等防洪排涝工程中得到应用[1-4]。

虽然一体化泵闸设备已在水利、市政等公共基础建设领域得到广泛应用，但仍无完整、系统的国家标准、行业规范或团体标准。为此，有必要对一体化泵闸系统进行专门的应用研究，提出主要设计参数和指标，为后续杭嘉湖圩区工程设计、施工提供参考和借鉴。本文以杭嘉湖圩区整治工程的闸站建设为切入点，基于当前及今后一段时间内的闸站建设模式（以新建和更新改造为主），提出引入一套泵闸一体化系统替代传统闸站。

2 方案设计

为便于一体化泵闸系统在已建工程中的应用成效分析，选取德清县东部圩区作为研究对象。德清县位于杭嘉湖平原中上游地区，西部为山区、东部为平原，现状多以小格局的自然圩区为主。东部圩区河道底高程-1.00～0.00 m，骨干河道底高程-3.00～-1.50 m，常水位0.80～1.30 m，圩内10 a一遇排涝高水位2.20～2.40 m。

根据德清县东部圩区格局大小、排涝水位以及常年工程运行经验等，以低水头、小流量一体化泵闸作为研究对象。因此，选取单孔设计流量0.6 m3/s、设计扬程2.00 m 的泵闸作为典型设计方案，分析各组件参数、工程造价等主要指标，建立一套完整的一体化泵闸系统设计模型。

2.1 主体设备水泵设计

泵闸一体化设备主要特点为水泵（组）集成化在闸门门叶上，因此水泵（组）具有重量轻、体积小、结构简单和操作方便等有利因素。

低扬程、小流量的适用泵型主要有潜水轴流泵和全贯流潜水泵，2 种泵型在设计和制造技术上均已非常成熟。潜水轴流泵泵体尺寸较长，最优点效率达80.0%以上；全贯流潜水泵泵体尺寸较短，最优点效率达75.0%以上，具体2 种泵型参数比较见表1。

表1 潜水轴流泵与全贯流潜水泵参数比较表

从表1 可知，潜水轴流泵泵体较长，但效率较高，适用于流量较大的一体化泵闸工程。目前国内已有比较成熟的一体化泵闸专用潜水轴流泵，并已在江苏省淮安市新泗河一体化泵闸工程（单泵3.00 m3/s，单机功率132 kW）和浙江省舟山市沈家门中弄海塘泵闸工程（单泵0.90 m3/s，单机功率65 kW）等多个工程中得到成功应用。

全贯流潜水泵效率相对较低，但是泵体较短，结构简单，适用于低扬程小流量泵闸工程。目前国内该泵型已实际应用于多个工程，如扩大杭嘉湖南排工程（德清部分）梅介圩卢介兜闸站工程（单泵流量0.55 m3/s，单机功率45 kW）。

经潜水轴流泵和全贯流潜水泵的结构尺寸、效率以及投资比较分析，全贯流潜水泵虽然效率略低，但是泵体长度短、重量小，使得闸门门叶设计更合理、布置更紧凑，更符合小型泵闸工程投资小、工期短的特点。因此，本次典型方案泵性设计采用全贯流泵潜水泵500QGB-100，潜水轴流泵留待较大流量泵闸一体化设备研究讨论。

2.2 核心参数流道宽度设计

闸门门叶作为水泵组的承力结构，是泵闸一体化设备的主要载体。由于门叶宽度为非控制参数，且同一孔口宽度的闸门门叶宽度因布置、零件选型不同而各有差异，因此用流道宽度（孔口宽度）作为研究参数。

根据《水工设计手册》，单台水泵组进水宽度为2.5D1（D1 为水泵进水管喇叭口直径，本文为480 mm）。500QGB-100 的水泵组进水池最小宽度为1 200 mm，再考虑水泵在闸门上的安装检修操作空间（泵体外框最大直径为1 000 mm，两边留400 mm），计算最小尺寸为1 800 mm。

最终设计新建泵闸一体化设备孔口流道宽度为：1 000 mm+400 mm×2=1 800 mm。

2.3 门叶高度设计

泵闸设备中水泵组的淹没深度、安装高度和闸门的挡水高度是一组关联参数。水泵的淹没深度取决于闸址处的大气压、环境温度和水泵的汽蚀性能等，根据杭嘉湖地理位置，本文淹没深度选取1 000 mm（国内较多一线水泵生产企业的500QGB-100 采用的淹没深度）。安装高度则由最小水泵淹没深度、水泵进水管直径和运行要求决定，选取水泵叶轮中心离闸底板600 mm；挡水高度则是安装高度与淹没深度、挡水超高（取500 mm）之和。

最终选取满足结构布置的最小门叶设计高度为2 100 mm（未考虑防洪挡水高度）。

2.4 闸门和启闭机型式设计

泵闸设备中闸门门叶的关键技术之一为如何减少因水泵震动对闸门止水效果的影响。常规情况下，闸门门叶面板单向设置，水压力方向由高水位侧指向低水位侧；而泵闸一体化设备水泵组对闸门门叶的推力与水压力方向相反，因此需要分析水压力与水泵组推力的大小，才能确定止水型式以及采用最合理的闸门型式和启闭机型式。

根据计算可知，500QGB-100 全贯流潜水泵的推力只有2.6 kN，而水压力达到52.0 kN（按最小门叶设计高度计算），水泵组推力只有水压力的5%，因此对闸门止水效果的影响可以忽略不计。所以本典型案例闸门结构根据常规圩区河道进行设计，闸门门叶采用露顶直升式闸门作为水泵组的受力结构（结构简单），启闭设备采用固定式卷扬启闭机[5-6]。

经复核计算，设计流量1.00 m3/s 及以下的泵闸设备水泵推力，对闸门结构布置和启闭机选择影响可以忽略不计，可采用常规配置方式。

2.5 典型案例参数选择

由于杭嘉湖圩区内河道大多闸门孔口较小、河道常水位较低，对小流量泵闸需求较多，因此着重研究流量为1.00 m3/s 及以下的泵闸。按照上述设计思路，分别计算出流量0.60，0.80 和1.00 m3/s的全贯流泵闸一体化设备选择方案，闸门型式统一采用露顶平面滑动钢门，启闭机型式统一采用固定卷扬启闭机，具体参数和型式选择见表2。