浮筒式泵站在冯家山水库取水工程中的应用

张永锋,赵 瑞

(1.中陕高标准农田建设集团有限公司,陕西杨凌 712100;2.陕西地建土地勘测规划设计院有限责任公司, 陕西西安 710075)

建设高标准农田以提升粮食产能为首要目标,突出抓好耕地保护、地力提升和高效节水灌溉,是巩固和提高粮食生产能力、保障国家粮食安全的关键举措[1-3]。泵站是农田灌溉工程的重要部分,对解决灌区的干旱缺水有着不可替代的作用[4-6]。水库作为高标准农田建设取水工程重要的水源地,但其易受地形地质、枯水期施工、水位变幅等因素的影响[7-8]。研究表明,移动式取水泵站适合在江河湖泊及水库边取水,制造简单,施工周期短[9-11]。相较于传统的固定式取水泵站,移动式取水泵站安全可靠、不受水位变化等因素的影响[12],在农田灌溉工程中有着较好的应用与推广优势。笔者将浮筒式取水泵站应用于冯家山水库高标准农田灌溉工程中,通过与浮船式取水泵站进行优缺点对比分析,研究不同型式移动式取水泵站的适用性。

1 工程概况

凤翔区高标准农田建设项目涉及柳林镇北部北斗坊村,项目区南邻冯家山水库,是典型的“水边旱”耕地,项目实施后可建成高标准农田322.53 hm2。冯家山水库位于陕西省关中西部渭河左岸一级支流千河下游,距河口25.0 km,是以农业灌溉为主的大型水利工程。其控制流域面积为3 232 km2,占全流域面积的92.5%。该水库总库容4.13亿m3,有效库容2.86亿m3,防洪库容0.92亿m3,死库容0.91亿m3。水库正常水位712 m,近期正常蓄水位710 m,汛限水位707 m(汛期控制水位),死水位688.5 m。凤翔区高标准农田建设项目灌溉工程布局设计思路是利用项目区周边冯家山水库的地表水,通过新建泵站将水提至调节池后接低压管道自流灌溉,泵站位置选择根据灌区及水库的相对位置、地质条件和水库水位变化情况,论证库区取水的技术可靠性和经济合理性,选择在岸坡稳定、靠近灌区、取水方便,且不受或少受泥沙淤积、冰冻影响的地点。

2 取水建筑物型式的比选

农业灌溉在水库取水通常采用移动式取水泵站。该工程取水泵站设计流量为0.14 m3/s,常年水位变化浮动在1～2 m。结合水库取水处的水位变幅、地形地貌、地质条件、施工进度要求等对浮船式和浮筒式取水泵站方案进行比选。设计中采用的地形数据均为实测数据。

2.1 浮船式取水泵站浮船式取水泵站由浮船式泵房、浮船摇臂、输水钢管及出水管组成,泵站水泵机组设备、起吊设施安装在浮船上,浮船置于水库深水区,电气副厂房位于浮船巡检平台旁边。泵站厂区建筑物包括浮船式泵房、电气副厂房、进出水管路、阀井、稳定墩、进场道路等。主泵房布置在浮船甲板上,泵船尺寸为19.2 m×9.7 m×1.5 m;主泵房安装2台卧式离心泵机组,总装机功率为800 kW。单泵流量0.070 m3/s,设计扬程215 m,净扬程179.67～206.00 m。设计下水面高程652.00～678.33 m,设计上水面高程858.00 m,浮船摇臂65 m。浮船式取水泵站平面布置图及纵剖面图见图1～2。

图1 浮船式取水泵站平面布置图Fig.1 Plane layout of floating ship pump station

图2 浮船式取水泵站纵剖面图Fig.2 Longitudinal section of the floating ship pump station

2.2 浮筒式取水泵站浮筒式取水泵站由浮筒泵、软管及浮桥组成。泵站厂区建筑物包括浮筒泵、箱式变压器、进出水管路、阀井、镇墩、进场道路等。浮筒泵站给每台浮筒潜水泵配置1个浮筒模块,并联放置在水库深水区,3个浮筒模块四周环绕浮筒平台,连接浮筒栈道至水库岸边,岸边水泥基础预埋钢筋锚点,浮筒平台四周均采用钢丝绳地锚固定。DN150钢丝龙骨橡胶软管通过法兰连接水泵,另一端连接岸上输水钢管。浮筒式泵站安装3台潜水泵机组,配套3台电机,单台电机功率180 kW,单泵流量0.047 m3/s,设计扬程220 m,净扬程179.67～206.00 m。设计下水面高程652.00～678.33 m,设计上水面高程858.00 m。浮筒式取水泵站平面布置图及纵剖面图见图3～4。

图3 浮筒式取水泵站平面布置图 Fig.3 Plane layout of pontoon pump station

图4 浮筒式取水泵站纵剖面图 Fig.4 Longitudinal section of pontoon pump station

2.3 经济性分析浮船式取水泵站和浮筒式取水泵站在岸边以上的工程设计相同,不同之处主要是水面取水工程。对2种型式取水泵站的水面工程进行经济性分析(表1～2),发现浮船式泵站船体构造复杂,定制工期长,且造价高,相反浮筒式取水泵站的水面工程结构简单,工期短,施工简单,且造价低。鉴于此该工程采用浮筒式取水泵站,既可以满足农业灌溉用水需求,又经济合理。

表1 浮船式泵站方案报价清单

表2 浮筒式泵站方案报价清单

2.4 方案比选综合考虑泵站的设计合理性、适用性、施工难度及周期、经济性、环境影响等因素,浮船式泵站与浮筒式泵站方案比选详见表3。

表3 2种型式取水泵站比选

该工程取水口布置在冯家山水库岸边,根据实测地形数据,泵站巡检平台地坪高程为680.00 m,取水口位置地质条件优越,基岩漏出,远离居民区,施工干扰小。从适用性来看,浮船式和浮筒式泵站均适用于该农业灌溉取水工程。从施工难度考虑,浮筒式泵站结构更为简单,工程周期更短,施工安装方便安全,且浮筒泵站更经济,因此经多方面比选后确定采用浮筒式取水泵站,既满足设计需求,又经济合理。

2.5 泵站位置选址比选从项目区实际地形地势角度出发,选择水库岸边3处空地作为泵站选址,分别为A点、B点、C点(图5)。

图5 泵站选址Fig.5 Location selection of pump station

A点。优点:水下地形陡峭、水位深,有利于放置水泵取水。缺点:位于迎风岸,风浪大,岸边地形陡峭,施工难度大。

B点。优点:位于背风岸,风浪小,岸边地形平缓,施工难度小。缺点:水下地形缓、水位浅,不利于放置水泵取水。

C点。优点:位于背风岸,风浪小,岸边地形平缓,施工难度小。缺点:水下地形缓、水位浅,不利于放置水泵取水。

为了确保泵站选址科学可行,根据项目区水下雷达实测地形数据,对A点、B点、C点进行对比发现:A点若满足水泵取水需求,放泵位置距离岸边60 m,高水位680 m,低水位650 m;B点若满足水泵取水需求,放泵位置距离岸边100 m,高水位680 m,低水位652 m;C点若满足水泵取水需求,放泵位置距离岸边50 m,高水位680 m,低水位648 m。

水泵放置位置距离岸边越近,摇臂或者浮桥栈道的距离越短,施工成本越低。在满足设计需求的条件下,C点为泵站最佳选址。

3 结语

结合冯家山水库取水工程中泵站型式的比选结果,提出以下结论和建议:

(1)使用移动式取水泵站可以保证取水泵随水库水位的涨落而自动上下移动,满足取水需求。

(2)浮筒式泵站工程用材较少,永久占地少,投资相对较少;没有复杂的水下工程,施工简单;不管是从施工难易程度还是从经济性等方面考虑,浮筒式泵站均优于浮船式泵站,更适用于农业灌溉取水工程。

(3)该设计最终泵站选址在C点,建设浮筒式取水泵站,可为高标准农田建设项目灌溉取水。