高扬程长距离灌溉泵站设计要点

沈焕珍

（山西省临汾市水利勘测设计院，041000，临汾）

自2010年起，山西引黄泵站工程、中部引黄县域小水网工程相继启动了规划设计工作，这两个工程的共同特点是：均位于山西省中南部的临汾市西山区，属黄土高原丘陵沟壑区，山高沟深，地形复杂，水资源匮乏，多数是从黄河或水库提水后，采用高扬程、长距离的多级泵站提水灌溉。因此，灌溉泵站设计的重点是如何针对这些特点，因地制宜，扬长避短，通过优化设计，提高泵站的出力和经济效益。

一、工程特点及存在问题

1.工程特点

（1）扬程高，变幅大

①灌溉泵站从黄河或水库取水，因来、用水量不均匀，取水位变幅大，灌溉垣面高差大又导致出水水位变幅大；②取水点与灌溉垣面地形高差大，加之长距离输水造成较大的水头损失，使水泵总扬程高。

（2）距离长

取水点与灌溉垣面距离远，蜿蜒曲折的道路、起伏不平的地面、纵横交错的沟壑三者叠加，更加大了输水管道长度。

（3）地形复杂

泵站取水点位于低洼的黄河或水库内，灌溉区则位于较远的垣地上，管道多数是沿沟道而行，道路坡度缓，弯道多。

（4）地质条件差

泵站地处黄土高原丘陵沟壑区，主要出露第四系中更新统离石组(Q2)及上更新统马兰组(Q3)黄土，分布于塬、梁、峁上中部，为黄土状堆积地层。在自重应力和建筑物压应力共同作用下，土层浸水后结构发生破坏，从而发生显著压缩变形，变形多是局部和突然发生。且具有不均匀性，对建筑物破坏大，危害严重。

2.建设的重点和难点

（1）级站确定

泵站扬程高，变幅大，输水距离又长，级站确定是控制投资的关键，也是今后运行管理的基础，级站划分与站址选择是设计工作的基础。

（2）机组配套及压力管道

机组配套、压力管道是泵站工程的主体和核心，不仅关系着工程投资，而且影响着工程效益与工程寿命，做好机组选型与配套、管路设计是设计工作的重点。

（3）预防水锤现象

在高扬程、长距离的压力管道中，当发生闸阀突然关闭、机组突然停车等情况时，管内水流速突然发生变化从而引起压力急剧升高和降低的交替变化，可引起管道破裂、管道瘪塌、损坏阀门和固定件等危害。

（4）地基湿陷性黄土

泵站的进出水池、厂房不可避免地会集水、渗漏水，其湿陷性黄土地基遇水时发生不均匀沉陷，若处理不当，会使建成的泵站建筑物轻者沉陷、裂缝，重者倾斜、倒塌。

二、泵站设计要点

1.站级确定

级站划分与站址选择应从七方面考虑：①满足灌溉规划要求；②结合地形条件力求做到自流输水、自流灌溉、高低水灌溉；③级站不宜过多，以投资省、施工方便、运行费用低、总功率最小为原则；④站址有利于控制提灌范围，输水系统布置较为经济；⑤站址宜选在地形开阔、岸坡适宜、利于工程布置的地点；⑥站址处岩土坚实，应避开湿陷性黄土、杂填土、坡积土、断裂构造带等不良地基；⑦从黄河取水时站址宜选在主流稳定、泥沙量少的凹岸，从水库取水时站址宜选在岸坡稳定、取水方便、少受淤积的地点。

2.机组配套

（1）一级泵站

①从水库取水时，一级泵站设计流量特别是配套功率不宜过大，配套机组数量宜为单数，以减小泵车或浮船振动以及防止抽水时倾斜角度过大；②从水库或坝后取水时，宜选择“效率曲线”平缓的水泵，配套电机功率宜略大于最大扬程时水泵轴功率，以保证机组在平均扬程时在高效区工作，在最大、最小扬程时能够工作。

（2）二级及以上泵站

①分垣面、按高程范围分组统计灌溉面积，进而确定设计流量，按组内设计流量及最大扬程配套水泵，可适当增加水泵数量，以适应扬程变化大的要求，达到节约电能、降低运行费用目的；②下一级站的抽水流量宜与上一级站的供水流量相近，以免出现弃水过大或“大马拉小车”的现象。

3.管路设计

（1）管路布设

在平面布置上，管路基本沿现有道路而行，局部地段裁弯取直。最大优点是：现有的道路可为材料运输与设备进出场提供有利条件，便于机械化施工，减轻施工协调任务并降低费用，为今后运行管理打下基础。在立面布置上，管路基本平行于地面布设，要求管道埋入当地最大冻土深以下。其优点在于：一是有效防止了管道冻胀破坏；二是减小了因水锤产生的管道振动；三是便于管路附件设置，防止自然和人为破坏。

（2）管径及管材

①管径根据经济流速确定，不宜大于2 m/s，以减少水头损失从而降低运行费用；②管材按管道工作压力并结合管径确定。根据以往经验，压力大于2.0 MPa时一般选用钢管，压力为0.6～2.0 MPa时可选用球磨铸铁管或预应力混凝土管，压力小于0.6 MPa时可选用聚乙烯塑料管或玻璃钢管。在满足工作压力的情况下，直径大于1.2 m的管道可选用预应力混凝土管，直径为0.6～1.2 m的管道可选用球磨铸铁管，直径小于0.6 m的管道可选用聚乙烯塑料管、聚氯乙烯塑料管或玻璃钢管。

（3）管路附件

为保证管道正常运行，方便工程维护与管理，在输水管道上设管路附件。在管道隆起的部位设自动排气阀；结合工程情况，在管路低处设泄水闸，闸后设泄水管道，泄水闸处设闸阀井；在管路经过的灌溉垣面或附近适当位置设分水闸并配套闸阀井，井内设分水闸、节制闸、消能阀、流量表等；结合弯道布置，间隔150～200m设活接头一个；结合弯道及活接头布置设置检修井。

4.水锤现象预防

（1）延长开关时间

在压力管道出水侧安装微阻缓闭止回阀或手动闸阀，通过延长开闸和关闸时间，来预防水锤的发生。

（2）设自动排气阀

在长距离输水管道的隆起部位设自动排气阀以排除管道内的空气，使管道内充满水后再开启水泵。

（3）设“薄弱段”

在进水池附近主压力管道上设“薄弱段”，其管径同主管道，工作压力为设计工作压力的1.2～1.4倍，当“薄弱段”管内压力超过其允许的工作压力时即发生崩裂，水从此处流出。该处设有引水设施，将水引入泵站进水池，进水池的侧墙上设溢流堰，堰后依次设溢流渠、消能设施，将水排走。

5.地基处理

当泵站建筑物进出水池、厂房无法回避坐落于湿陷性黄土地基上时，需从如下三方面着手处理。

（1）预浸水处理

预浸水处理共分三步：①按建筑物的基础轮廓适当外延确定浸水范围后，开挖土坑至建基面以下1.5～2.0 m，并在附近设标准点以观测地表及土坑沉陷变形情况；②往土坑内注水，初期水位不宜过高，待周围地表出现环形裂缝后再提高水位；③土坑内设观测点定期观测，并绘制沉陷量—时间关系曲线，当沉陷基本稳定时即可停止注水。

（2）素土垫层处理

由于建筑物对地基承载力要求不高，故采用就地取材、施工简便、费用少的素土夯实法，其单层夯填高度不小于30 cm，压实度不小于0.96,填土前应将土坑晾晒至最优含水量以下，以免夯实出现弹簧土。

（3）地基防渗处理

建筑物侧墙与底板采用防渗效果好的混凝土整体结构，伸缩缝、沉陷缝处要做好止水处理，同时做好周边一定范围内硬化与排水，以防雨水侵入。

三、结 语

对于高扬程、长距离灌溉泵站的设计，“级站确定”应着重从灌溉规划、地形条件、地质条件、水文及水力条件、工程投资、运行费用等方面考虑；“管路设计”应从管路的平面及立面布置、管径及管材方面进行优化，并根据实际情况设置管路附件；“水锤现象预防”宜采用延长开关时间、设自动排气阀、主压力管道上设“薄弱段”的综合方法；“地基处理”则应依次采用预浸水处理、素土垫层处理、地基防渗处理的综合处理方法。采取以上优化设计有利于提高泵站的经济效益。