某橡胶坝坝袋排水异常原因分析及处理
2024-02-04胡珂心胡卫星
胡珂心，胡卫星
(1．磐安县农业农村局，浙江 磐安 322300；2．武义县水务局，浙江 武义 321200)
1 工程概况
某水利枢纽工程由橡胶坝、冲沙闸、船闸及电站等组成，工程控制集雨面积为5 953 km2，是以水面开发为主要目的，兼顾发电、防洪、供水、航运等任务的综合水利工程。工程正常蓄水位34.62 m，相应库容723万m3，电站装机容量4×1 000 kW，50年一遇设计洪水位39.22 m。工程共布置了3跨充水式橡胶坝，每跨净宽100 m，固定堰顶高程30.62 m，堰高2.62 m，堰前河底高程28.0 m。橡胶坝设计坝高4 m，内外压比为1.4，单跨坝袋充水体积2 945 m3，3跨坝袋充水总体积8 835 m3。
橡胶坝充水、排水泵房位于橡胶坝左侧，泵房内安装2台300HW—12型混流式水泵、操作阀门、进出水管道以及橡胶坝坝内压力观测设施等，泵房地面高程为29.62 m。2台水泵可通过阀门切换，对橡胶坝坝袋进行充、排水。
2 坝袋排水异常情况
橡胶坝建成运行后，发现坝袋塌坝排水时，排水不彻底，致使坝袋发生拍打。坝袋拍打极易导致其磨损，甚至发生脱层、撕裂，严重的还会破坏整个坝体，影响工程的安全及效益的发挥。
3 分析处理
3.1 原因分析
为寻找坝袋排水不彻底的原因，从根本上解决坝袋排空的问题，对300HW—12型混流泵进行在本工程中的适用性计算分析。
3.1.1 300HW—12型混流泵性能参数
300HW—12型混流泵设计流量0.22 m3/s，扬程12.5 m，转速970 r/min，效率85%，配用电机功率37 kW，临界气蚀余量4.0 m，其工作性能曲线如图1所示。
图1 300HW—12型水泵工作性能曲线
3.1.2 坝袋充水、排水时的扬程
(1)坝袋充水时的扬程
假定充水初期的库区水位与橡胶坝固定堰顶高程相同，即30.62 m。根据坝袋设计运行规程，坝袋首次充水应先充高至2.0 m，待库水位上升至2.0 m，再将坝袋充高至4.0 m，即34.62 m。依据上述充水方式，则水泵的设计工况点净扬程为坝袋高度的1/2，即2.0 m；此时水泵应运行在高效率区，同时所选水泵的扬程也应满足坝袋内外压比为1.4时所需的最大扬程。
水泵设计扬程：H=H净+∑h损
式中，∑h损为充水管道系统的总水头损失。
考虑最不利情况，按泵房至最远一跨出水端进行计算，在水泵流量为0.22 m3/s时，充水管道总水头损失为5.47 m(其中沿程水头损失为3.97 m，局部水头损失为1.50 m)，水泵设计扬程为7.47 m，水泵最大扬程为11.07 m。
以上计算说明，300HW—12型水泵的扬程明显偏高。实际工作时，水泵流量在大于0.22 m3/s且扬程低于11.07 m、高于7.47 m的工况下运行，水泵运行效率低。
(2)坝袋排水时的扬程
当3跨坝袋过水50 cm时，坝袋开始塌坝排水，同时河床水位因洪水而抬高。因此，排水时水泵扬程取决于坝袋内水位降低与下游河床水位抬高之间的相互关系。当坝袋水位高于下游水位时，采用自排的方式，以节约能耗；当坝袋水位低于或与下游水位持平时，开始机排。假定坝袋完全排空前，河床水位为34.62 m(警戒水位)，则排水时，水泵的最大净扬程为34.62-30.62=4 m(实际上，坝袋内的水在库区水位升至34.62 m前排空，因此净扬程应小于4.0 m)。根据充水时管道水头损失计算，当水泵流量为0.22 m3/s时，排水管道水头损失5.47 m，水泵排水时最大扬程为9.47 m。
水泵运行设计工况点还应考虑净扬程实际达不到4.0 m。从实际塌坝情况看，坝袋内外水位高差多在2.0～2.5 m；从排水扬程看，与充水时接近。
3.1.3 水泵运行时实际气蚀余量
水泵的正常工作是建立在正常的吸水条件下，即水泵的实际气蚀余量必须大于临界气蚀余量，300HW—12型水泵的临界气蚀余量为4 m。在充水时，由于吸水管路短，水泵轴心低于吸水面0.5 m，所以吸水条件在充水时可以满足要求。
在排水时，原充水管道改作吸水管道使用，吸水管道距离长，其管道的水头损失是影响吸水条件的主要因素。为保证300HW—12型水泵的正常工作，要求：
Hsv=ha-hva-∑hs+Hss≥4 m
式中，Hsv为水泵实际气蚀余量，Hsv值越大，水泵的吸水性能和抗气蚀性能越好；ha为吸水表面的大气压力，取海拔36 m，ha≈10.25；hva为该水温下的气化压力，20 ℃时，hva=0.24；∑hs为吸水管路总水头损失；Hss为水泵安装高度。
根据管道特性曲线和水泵特性曲线，求解水泵工况点。
管道特性曲线：H需=H净+KQ2
水泵特性曲线：H=H0-S0Q2
式中，K为管道特性系数，对已知管路系统为一常数；H0为流量为零时的水泵扬程；S0为泵内能量损失系数。
H0和S0值可在水泵性能曲线上任取两点(H1，Q1)和(H2，Q2)，分别将其坐标值代入上式中，即可求解出：
H0=H1+S0Q12=H2+S0Q22
因在工作点处有H=H需，即有：
H净+KQ2=H0+S0Q2
由此可得：
管道特性系数K值由坝袋充水时的扬程计算：
7.47=2+K×(0.22)2，K=113.02。
泵内能量损失系数S0值可在水泵特性曲线上任取两点坐标(0.165，13.7)和(0.25，11)，则：
H0=H1+S0Q12=13.7+76.54×0.1652=15.783
当水泵在塌坝时，取最大净扬程4.0 m，同时假定水泵工作仍符合其性能曲线，则：
H=H净+KQ2=4+113.02×0.2492=11.01
∑hs=KQ2=112.6×0.2492=7.01
上述计算表明：当水泵排水最大静扬程4.0 m时，水泵的流量为0.249 m3/s，扬程11.01 m，吸水管道水头损失达7.01 m；相应的气蚀余量为<4 m，水泵将产生气蚀，导致水泵不能正常工作，无法排空坝袋内积水。
3.2 处理
通过以上计算可知：原所选水泵扬程偏高，水泵运行时偏离高效率区；坝袋排水时，水泵吸水管长、流量大，吸水管道水头损失大，不能满足水泵的气蚀余量，导致水泵产生气蚀，不能正常工作，使坝袋塌坝时排水不彻底。由于现状充水、排水管道不可改变，管道特性已确定，只有用其他型号的水泵来替代，以与现状的管道相匹配。
经计算，选择300HW—8型混流式水泵替代原水泵。300HW—8型混流泵设计流量0.22 m3/s，扬程8 m，转速970 r/min，效率84%，配用电机功率22 kW，临界气蚀余量4.0 m，其工作性能曲线如图2所示，计算如下：
图2 300HW—8型水泵工作性能曲线
(1)管道特性曲线不变
K=113.02
H=H净+113.2Q2
(2)计算水泵特性曲线
任取两点坐标：(0.20，8.5)和(0.25，6.5)。
H0=H1+S0Q12=8.5+88.89×0.22=12.41
(3)计算排水时气蚀余量
①当库水位34.62 m，坝袋内水位30.62 m时，H净=4 m。
H=12.41-88.89Q2=12.41-88.89×0.202=8.85
∑hs=∑SQ2=113.02×0.22=4.5
此时：
Hsv=10.25-0.24-4.5+0.5=6.0 m>4.0 m(临界气蚀余量)
②同上方法计算，当库水位33.62 m，坝袋内水位30.62 m时，H净=3.0 m，Hsv=5.24 m>4.0 m；当库水位33.62 m，坝袋内水位32.62 m时，H净=1 m，Hsv=6.11 m>4.0 m。
300HW—8型混流式水泵在本工程坝袋排水时，水泵实际气蚀余量大于临界气蚀余量，且在高效率区运行，适合本工程使用。更换水泵后，坝袋充水、排水情况一直正常。
4 结 语
为橡胶坝充水、排水的水泵，在水泵选型时，不仅要计算充水、排水两种工况的流量、扬程，而且由于排水时吸水管道长，要复核实际气蚀余量是否满足水泵的要求，以避免因水泵发生气蚀，使水泵不能正常工作。如果一种水泵不能同时满足橡胶坝充水、排水的要求，则充水泵、排水泵应分别设置。
