清河橡胶坝充排水管路设计及电气控制方式探析

林兰兰

(营口奕东水利勘测设计有限公司，辽宁 营口 115000)

1 流域概况

清河是辽河左岸的较大支流。清河上游有南北两支，南支为主流，发源于清原县英额门镇老虎顶山，流至开原县与发源于西丰县的碾盘河在耿王庄汇合，在老城镇接纳寇河，在业民镇大高力屯注入辽河。全长159 km，流域面积5 150 km2，比降1.58‰。清河水库是辽河流域的重要水利枢纽工程之一，位于清河干流上，控制面积2 376 km2，占清河流域总面积的49%，总库容9.71亿 m3，为大Ⅱ型水库，坝址距下游长大铁路桥和开原城区约13 km。工程主要位于清河水库下游，主要建设工程为护岸工程、橡胶坝工程和河心岛工程。

橡胶坝修建在清河河道内，根据河流水文特性和地形、地质条件，结合本工程建筑物布置特点，根据建设单位对工期的安排，橡胶坝工程施工导流方式采用土石围堰二期导流方式。施工期间应做好防洪抢险预案和组织工作，确定工程安全。本工程主体建筑物级别为3级，根据《水利水电工程施工组织设计规范》规定，导流建筑物级别为5级。围堰采用土石围堰，5级导流建筑物洪水重现期应为5～10 a，施工导流建筑物洪水重现期取其下限值，为5 a一遇。因本工程在非汛期施工，围堰类型为土石围堰。非汛期5 a一遇洪水，相应设计流量为22.4 m3/s。考虑清河水库在施工期输水洞最大放水量200 m3/s，因此，导流应满足200 m3/s。

2 橡胶坝水力机械

2.1 供水水源

为减少工程运行费用，利用上游水资源充足的条件，达到节约用水的目的[1]，在坝轴线上游建一座水源井作为供水水源，井的出水量在50.00 m3/h，故设置1台200QJ50-52/4型深井潜水泵，水泵的额定流量为50.00 m3/h，额定扬程为52.00 m，配套电动机额定功率为7.50 kW。水源井直径为500 mm，井深根据已有河道内水井确定为45.00 m。

2.2 充、排水管路设计

2.2.1 充水管路设计

坝高2.50 m橡胶坝充水时，用深井泵从管井取水，通过一根DN200的钢管，送至排水泵房DN400的供水总管，然后分别送至坝袋，将橡胶坝充起。橡胶坝的充水时间由水源井出水量和水泵的流量决定。

2.2.2 排水管路设计

坝高2.50 m橡胶坝在汛期或维修期间需要排出坝袋内的水，使坝袋塌平。坝袋排水采用自排与机排相结合的方法[2]，橡胶坝刚开始排水时，利用坝袋与下游河道的水位差，坝袋内的水汇入一根DN400的钢管，直接排入下游，实现自排。当自排停止或汛期有突发洪水出现时，各坝袋内的水通过水泵迅速排出，实现强排。橡胶坝排水时考虑泵站的运行灵活性及排水的时间要求，选用2台SLS350-235立式离心泵，水泵的额定流量为800.00 m3/h，额定扬程为12.50 m。配套电机额定功率为37.00 kW。排水总管管路直径按《橡胶坝工程技术规范》中公式：

(1)

式中：Q为管段内最大计算流量，m3/s；v为管道采用的计算流速，取2 m/s。

经计算得出，坝高2.50 m，D=0.37 m，经校核计算，坝高2.50 m，排水管能够保证坍坝排水在2 h内完成；

坝充排水管道布置在橡胶坝的底板内，在穿越沉降缝处设置橡胶伸缩接头，以使管道能适应底板的沉降[3-4]。

2.2.3 充排水设备布置

排水泵房内布置两台SLS350-235立式便拆式管道离心泵，功率均为37.00 kW，控制充排水均采用电动蝶阀，电动控制屏放在配电室，压力表安装于排水泵房水泵进水管侧，水尺安装于橡胶坝上游边墩附近，以便于观测。

3 电气设计

3.1 概况

工程位于铁岭市清河区，新建清河橡胶坝工程是以拦河蓄水形成水面，结合开发旅游、美化环境、改善自然景观及灌溉的水利工程。

在河心桩号X35+685处拟建清河区橡胶坝，坝轴线方向长259.50 m，底板顶高程87.70 m，坝顶高程90.20 m，坝体高度2.5 m，分三跨，每跨79 m，中墩1.5 m。2#橡胶坝左侧设置调节闸，调节闸采用气盾闸，闸底板高程87.70 m，顶高程90.20 m，闸室总净宽18 m。

泵房设置在河道左侧。主要构建筑物有共有3个橡胶坝坝袋、充水泵房、排水泵房，充水泵房为地下建筑，安装充水泵、电动阀门[5]；排水泵房为一层地下泵房，安装排水泵、电动阀门，排水泵房左侧为管理房，为地上一层建筑，有控制室、配电室、柴油发电机室和值班室等。

3.2 具体设计范围

橡胶坝、调节闸的电气设备的配电、自动控制、预埋接地及照明等设计。

3.3 主要负荷

充水泵房有一台充水泵，电机功率为7.5 kW/台；集水坑有两台排水泵，电机功率为0.75 kW/台；有两台强排排水泵，电机功率为37 kW/台。有七台电动阀门，电机功率为0.37 kW/台；有一台电动阀门，电机功率为0.75 kW/台；有一台轴流风机，电机功率为0.75 kw；室内照明及插座用电功率为5 kW。气盾坝有一台螺杆空压机电功率为7.5 kW。负荷计算采用需要系数法，计算结果最大值为90 kVA。表1。

表1 负荷统计表

3.4 电源

工程为景观工程，主体橡胶坝为充水式，有防洪要求，根据《供配电系统设计规范》确定该项工程为二级负荷，正常工作电源由附近渠首站配电柜供给。设一台柴油发电机作为备用电源。变压器为原有，额定容量315 kVA，距离橡胶坝约500 m。

3.5 电气主接线

利用一路电力系统电源，电压等级为0.38 kV，采用直埋电缆引接，为正常供电电源。在管理房的柴油机室设一台柴油发电机组，作为外部电力系统电源故障时的备用电源。为了防止正常电源、备用电源之间非同期并列，在低压盘上的柴油发电机出线和系统电源进线间采用双投隔离开关进行闭锁。因母线故障的机率较低，所以400 V母线采用单母线。强排水泵采用软启动器启动，其它小功率电机采用直接启动。

3.6 无功补偿

因本工程用电取自渠首站配电柜，况且用电负荷为短期运行，所以本配电柜母线就不采用无功补偿了。

3.7 主要电气设备的选择

为了景点美观和维护方便，为了节约资金，低压进线断路器采用塑壳断路器，分断能力为35 kA。其它塑壳断路器，分断能力为15 kA。

为了减小启动电流，功率较大的强排排水泵(两台有可能同时运行，37 kW/台)采用软启动器启动。

因柴油发电机组应用的几率很小，为了节约资金，所以柴油发电机组选用国产PF系列，型号为：PF100GF，输出功率为100 kW。

因泵房地下层比较潮湿，况且在泵房地下层操作的机会也不多，所以在泵房地下层不设现地按钮箱。

3.8 主要电气设备的布置

在管理房设3面低压配电盘和1面仪表屏，柜前操作距离不小于1 500 mm，盘侧维护通道宽度不小于800 mm，盘后维护通道宽度不小于600 mm。

柴油发电机设在管理房柴油发电机机室内。柴油机端距墙距离不小于1 000 mm，发电机端距门的距离不小于1 500 mm。柴油发电机正面距墙的距离不小于1 800 mm，柴油发电机背面距墙的距离不小于1 700 mm。

坝袋压力传感器安装在与相应坝袋相连的管道上，在排水泵房上层楼板下的电缆采用电缆架敷设，泵房内的电缆采用底板内穿镀锌钢管方式敷设。

1个PZ-30照明配电箱设在管理房值班室内。

在控制室布置监控台，监控台上放置LCD、打印机和电话机，台下放置工控机和不间断电源，监控台前工作距离不小于2 000 mm，监控台后距墙不小于200 mm。

3.9 控制方式

按照技术先进、经济合理及运行灵活的原则，控制采用微机监控方式。

控制设现地控制与远方集中控制二级。为了保证在调试、检修和计算机监控系统因故障退出运行时，仍能进行正常的操作和运行，设置简易现地控制作为后备。其中以微机监控为主，现地手动控制作为备用。集中操作站布置在控制室，主要由电源设备、监控工作站等组成，主要是用于顺序控制操作、电气量数据处理并预留与下一级网络通讯接口，PLC站主要是用于各水泵、阀门、空压机的数据采集和传输、电气量数据处理、控制操作。在配电盘上可手动控制，在配电盘上分单元布置有强电设备，配电盘门上有电动机启、停的控制按钮、电动机状态指示灯。现地控制优先于远方控制。集水坑排水泵利用浮球液位计控制启停。

3.10 视频监视系统

为了方便工程管理，设一套视频监视系统。在管理房顶设一摄像头，查看管理房附近的情况，在橡胶坝左岸上游设一台摄像机，查看橡胶坝上游情况，在橡胶坝左岸下游设一台摄像机，查看橡胶坝下游情况，在控制室内设一套视频监视主机，供值班人员查看。视频监视主机具有历史查询功能。

3.11 防雷、接地

为防止直击雷侵害，将排水泵房顶钢筋网与接地网可靠连接，接地网干线均采用-40×4镀锌扁钢。接地系统尽量利用自然接地体，利用建筑物基础主筋，水泵房底板钢筋网、金属水管作为自然接地体。总接地电阻不能大于1 Ω，如不能满足要求，需再加敷人工接地体直到满足接地要求，由自然接地体和人工接地体组成总接地网。所有电气设备的不带电金属外壳、穿线钢管、直埋电缆金属铠装带、照明器具金属外壳、金属构架等都应与接地网可靠连接。为了限制过电压对电气设备的危害，在各配电箱内安装SPD，各信息信号线均装设信号SPD。

4 结语

橡胶坝充排水管路设计及电气设计实施后具有明显的社会效益和生态效益。工程建设能提高城市防洪抗灾能力，提高河道自身形象，增强城市整体环境景观，保障人民生命和财产安全，改善人民群众生产、生活条件、人居环境和投资环境，提升土地的使用价值，快速拉动经济发展，为建设和谐社会，促进社会经济发展提供有利保障，用生态的、科学的、多样性的绿化配置，进一步提高流域生态环境质量，调解局地气候、改善区域生态环境的作用，促进流域的可持续发展。