黄水东调二期工程加压泵站特点分析

刘 菲， 张 哲， 张冠英， 徐瑞兰

(山东省水利勘测设计院有限公司，山东 济南 250014)

0 引 言

山东省黄水东调工程为长距离跨流域的大型调水工程，是山东省为解决胶东半岛地区严重缺水局面而兴建的应急供水工程。工程分为一期和二期：一期工程经四级泵站将黄河水通过渠道、沉沙池、调蓄水库和压力管道输至潍北第二平原水库；二期工程利用潍北第二平原水库调节黄河水，通过出库涵闸从水库引水，经二期泵站提水后通过压力管道将水送至引黄济青和胶东调水干渠。一期和二期输水管道为2根DN2400(DN2600)螺旋钢管和玻璃钢管，管道总长116.6 km。黄水东调工程承担年运行时间243天、年输水量3.15亿m3的应急供水任务，缓解了青岛、烟台、潍坊、威海四市水资源供需矛盾，优化了山东半岛地区水资源优化配置的省级水网骨干工程，对保障青岛、烟台、潍坊、威海四市经济社会可持续发展具有重要意义。二期加压泵站为黄水东调工程第五级泵站，采用坝后式布置。本文结合二期加压泵站资料，分析该泵站特点，总结了该类型泵站设计经验，为同类型泵站的设计等提供参考。

1 泵站基本情况

加压泵站通过出库闸将潍北第二平原水库库水引至坝后压力进水前池，再通过泵站提水加压送至出水管，出水管与下游供水管道相连，最终输水至引黄济青宋庄分水闸上游入引黄济青渠道，完成提送水任务。该工程建成后，与一期工程有机结合，黄水东调工程供水系统得以完善。

加压泵站布置于潍北第二平原水库东坝段桩号3+000、出库涵闸出口处，泵站由出库涵闸、压力前池、主副厂房及出水管等组成，通过出库涵闸引水至压力前池，水泵机组从压力前池取水并加压至出水管，出水管与输水总管道相连。泵站设计流量为15 m3/s，设计扬程为51 m，安装8台卧式离心泵，总装机容量为14 400 kW。进水管为DN1400钢管，出水总管为2根DN2400的钢管。

2 泵站特点分析

2.1 泵站进水条件特点

2.1.1 利用已建水库调节

二期加压泵站为长距离跨流域调水的梯级泵站，泵站采取坝后式布置，利用水库出库涵闸取水，加压泵站压力前池进口与出库涵闸出口连接，库水经出库闸、穿坝涵洞进入泵站前池。

依据地理优势，加压泵站利用已建的潍北第二平原水库进行调节，能够保证进口水流流态稳定，保证机组安全运行，并易与上级泵站流量匹配，充分满足下游沿线各分水口运行工况，保证下游输水线路运行调度灵活可靠；潍北第二平原水库年调节库容为1701万m3，当一期工程发生突发状况无法供水时，水库仍可按设计流量向二期工程持续供水9 d，为一期工程提供了抢修时间，较大程度减少了对下游供水的影响；加压泵站位于水库围坝后可充分利用水库水头，降低泵站扬程，减少工程投资，节约能源。

2.1.2 前池水力设计优化

考虑与周边景观协调，泵站进水前池采用压力前池。压力前池进口与潍北第二平原水库东坝出库涵闸出口连接，受泵站机组布置、场地尺寸限制，泵站前池垂直水流方向宽度为6.6～62.1 m，顺水流方向宽度为51 m，前池扩散角达到78.8°，超过《泵站设计规范》(GB 50265—2010)关于“压力前池扩散角应小于40°”的规范。前池扩散角过大将使前池内产生不良流态，影响水泵机组的安全稳定运行，甚至会导致泵机组强烈振动[1]。

参照以往的工程经验及研究成果[2，3]，在控制尺寸不变的条件下，采用曲线型的侧壁边界与梅花形布置的立柱[4]相配合对前池流场进行整流，并进一步采用CFD数值模拟方法对压力前池进行水力设计优化[5]，得到了前池立柱阵列整流的优化方案。CFD数值模拟结果表明优化方案较好解决了加压泵站因压力前池扩散角过大而导致的水流脱壁及形成大范围回流区的问题，同时调整喇叭管进口型式消除喇叭管后部与前池后墙之间的紊乱流态。优化后的各运行工况喇叭管出口的流速分布均匀度平均值均不低于98%，水流角度平均值均不小于87°[5]，确保了泵站进水流态稳定和水泵安全运行。现场检测水泵机组运行情况，各项测试结果均符合相关规范要求和设备厂家规定的允许值，运行中也未发现水泵汽蚀现象，泵站现场机组运行安全稳定。泵站建成后的实际运行情况表明，本文提出的压力前池的水力优化设计取得预期效果。

压力前池进口及进水池末端两侧各设1个进人口，共4个，内设复合式排气阀，对应水平段两侧进人孔处设置集水井，方便清淤及检修。

2.2 超长混凝土结构设计特点

加压泵站主厂房及压力前池为超长混凝土结构，设计采用整体浇筑加设后浇带方案，以控制混凝土温度裂缝，同时避免了地下厂房永久分缝的质量隐患。设计中考虑了结构质量分布的合理性，主厂房垂直水流方向设2道后浇带，设后浇带后主厂房左、中、右三联分别宽25.0 m、24.0 m及29.9 m；压力前池在顺水流方向及垂直水流方向各设1道后浇带。后浇带宽均为1.0 m，其中底板后浇带为超前止水后浇带，即混凝土底板嵌入带止水构造的止水钢板以起到防渗漏、止水效果[6]。当建筑结构重量满足地下水上浮力平衡时，可提前拆除超前止水构造[7]，待主体建筑封顶沉降变形稳定后，浇筑后浇带混凝土。后浇带应待相邻两段主体完工且混凝土充分冷却收缩42 d后，再浇筑后浇带。后浇带采用补偿收缩混凝土，强度等级为C40、抗渗等级W6、抗冻等级F150，水中养护14 d后的限制膨胀率要求不小于0.015%，膨胀剂掺量不宜大于12%。

2.3 输水系统布置特点

泵站输水系统布置如图1所示，输水系统布置特点如下：

图1 泵站机组平面布置图

(1) 水泵进水管采用一泵一管形式，共设8条DN1400进水钢管；出水管采用四泵一管形式，即每4台机组出水管道(DN1400)以非对称Y形岔管连接方式汇入一条DN2400出水总管。非对称Y形岔管连接方式的水流条件好，流态分布比较均匀，水头损失小，安全性较高[8]。

(2) 加压泵站设置8台卧式单级双吸离心泵，其中备用2台。泵站出水系统划分为两组对称布置，每4台水泵机组(各包括1台备用泵)及其出水管为一组，与出水总管双排布置相协调，形成两个既独立又联通的供水管路系统，能够在不中断供水的条件下进行机组、管道及其阀件等部件的检修，提高供水保证率。

(3) 利用主厂房安装间下部空间，布置小流量自流旁通管和偏心半球阀, 自流旁通DN1800，穿过主厂房从前池一侧取水，并采用非对称Y形岔管连接方式汇入DN2400出水总管，充分发挥向输水管道初次预充水和向1#、2#分水口小流量供水的作用。利用水头差自流进行初次预冲水及向1#、2#分水口小流量的供水布置减少工程投资，节约能源，充分利用了主厂房空余空间。

(4) 每台水泵出口设置液控止回偏心半球阀，兼有闸阀和缓闭止回阀的功能。当泵站突然停电或事故停泵时，偏心半球阀永存的蓄能罐势能，能自动按预先调定好的快关和慢关程序，分两阶段关闭半球阀，防止水锤危害，保护水泵及管路安全。

(5) 泵站在出水总管道上各设1台多声道超声波流量计,用以测量供水水量、流量、流速及水温等参数，同时同步将测量数据上传泵站中控室，为调度运行提供依据。

2.4 泵站机组运行特点

泵站设计6用2备卧式单级双吸离心泵向输水管道，输水管道沿线共设7处分水口，除1#和2#分水口单独供水时可采用泵站旁通管自流供水外，其他分水口及单独给济青干渠、胶东干渠供水管道均采用泵站机组运行供水，运行工况达到11个，泵站运行流量范围为 5～15 m3/s，水泵扬程随流量不同变化范围为14.69～54.63 m，变幅最大达3.7倍 。针对泵站扬程变幅大且变化复杂、水泵运行工况复杂的特点，设计采用单管3台或4台、双管6台的并联运行与变频调速相结合的运行方式 。变频调速范围为60%～100%额定转速，即水泵在438～730 r/min运行 。水泵并联变频调速运行工况曲线如图2所示 。

图2 水泵并联变频调速运行工况曲线

采用对不同水泵台数匹配的变频调速运行及单、双管配合的运行方式，可以实现水泵在不同流量工况下的可靠运行。

(1) 在7个分水口及济青干渠、胶东干渠不同供水流量需求组合下，该机组运行方式均可以实现流量的调节，调度运行灵活，供水保证率高。

(2) 在各种运行工况下，经计算分析水泵效率均能大于 80%，水泵均在较优效率区内运行。

(3) 在各种运行工况下，水泵汽蚀余量均不大于相应运行设计工况下的汽蚀余量值，表明水泵运行时振动小，水泵机组处于安全运行状态。

(4) 该机组运行方式能够保证水泵及电动机在调速范围内的各种工况下调速运行安全、稳定运行。

2.5 泵站特点总结

(1) 黄水东调工程二期加压泵站采取坝后式布置利用现有水库进行调节，保证泵站流态稳定、机组安全运行；并易与上级泵站流量匹配，保证下游输水线路运行调度灵活可靠；利用现有水库调整库容，为一期工程突发事故时提供了抢修时间，较大程度减少了对下游供水的影响；加压泵站位于水库围坝后可充分利用水库水头，降低泵站扬程，减少工程投资，节约能源。

(2) 采用CFD方法，通过调整立柱配置、侧壁线型和喇叭管进口型式等多种措施对压力前池进行了优化设计研究，得到曲线型的侧壁边界与梅花形布置的立柱相配合优化方案，对前池流场进行整流，确保泵站进水流态稳定和水泵安全运行。

(3) 采用后浇带方式应用于主厂房和压力前池超长混凝土结构，以控制混凝土温度裂缝，同时避免了地下厂房永久分缝的质量隐患。

(4) 合理布置输水系统，减小水头损失，提高供水保证率；巧妙布置小流量自流旁通管，充分发挥向输水管道初次预充水和向1#、2#分水口小流量供水的作用；水泵出口合理设置液控止回偏心半球阀，兼有闸阀和缓闭止回阀的功能，防止水锤危害，保护水泵及管路安全。

(5) 加压泵站供水流量及扬程变幅大，通过选用性能优良的水泵机组及技术先进的变频调速技术，采用合理的输水系统布置及单、双管配合的灵活的调度运行方式，实现泵站在不同流量工况下的运行安全、稳定、高效。

3 结束语

由于能够有效的解决水资源时间、空间分布不均问题，梯级加压泵站在长距离流域内、流域间调水工程中得到广泛应用[9]。受场地、供水对象等条件限制，加压泵站具体设计时会遇到不同问题。山东省黄水东调工程为解决胶东半岛地区严重缺水局面而兴建的应急供水工程，对胶东四市安全可靠供水起着关键的作用，对缓解山东半岛水资源紧缺局面发挥了重要作用。目前黄水东调工程已竣工通水，工程整体运行良好。本文围绕二期加压泵站，总结提炼出泵站依据坝后布置地理优势充分利用已建水库调节、采用曲线型的侧壁边界与梅花形布置的立柱相结合布置方式调整前池流态、主厂房和压力前池超长混凝土结构采用后浇带施工工艺、出水管采用四泵一总管非对称Y形岔管连接方式、巧妙布置小流量自流旁通管、采用变频调速技术及单双管配合的灵活的调度运行方式等布置特点和主要供水特点，确保了工程运行安全、稳定、高效，为同类工程设计提供参考及技术支撑。