西福河橡胶坝充排水系统的选型设计.pdf

第 1 1 期 2 0 1 0年 l 1 月 广东水利水 电 CUAN GD0N( WA T ER RE S 0URC E S AND HYDR0P 0 WER No ． 1 1 N0 v ． 2 01 0 西福河橡胶坝充排水系统的选型设计 张 涛 ( 广 州市水 务规 划勘 测设 计研 究 院 ， 广 东 广 州 5 1 0 6 4 0 ) 摘 要 ： 以西福河橡胶坝 充排 水 系统的选型和布 置设 计为例 ， 分析 了橡胶坝设计 中 ， 充排 水 系统选择 上常 见的问题 ， 提 出了 初步 的解 决方案 ， 为橡胶 坝进 一步的推广应 用提供 参考。 关键词 ： 西福河 ； 橡胶 坝设计 ； 充排 水 系统 中图分类号 ： T V 6 4 4 文献标识码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 8— 0 1 1 2 ( 2 0 1 0) 1 1— 0 0 8 3— 0 3 增城市位于广州市东北部 ， 西福河发源于从化市与 增城市交界处 的鹧鸪山 ， 于增城市石滩镇汇人东江西福 河 ， 橡胶坝位于增城市西福河上 ， 增 城市西福河沙河坊 拦河坝重建工程主要任务是拆 除原有的西福河活 动陂 水闸， 新建西 福河橡胶坝 ， 其 主要功 能是 防洪 、 排涝 和 灌 溉 。 本文主要介绍西福河橡胶坝充 排水系统的选 择设 计过程 ， 提出了橡胶坝充排水系统在设计时一般需要考 虑 的问题 。 1 橡胶坝设计参数及坝袋充填介质的选择 根据气象水文降雨来水资料进行调节计算 ， 西福河 橡胶坝基本设计参数如表 1 所示。 表 1 橡胶 坝基本参数 橡胶坝袋断面面积约为 2 1 ． 1 m ； 橡胶坝分 3跨 ， 每 跨 长 为 2 3 ． 5 m； 单 跨 橡 胶 坝 袋 容 积 为 2 1 ． 12 3 ． 5 4 9 5． 9m。 。 按照坝袋 内填充介质的不 同， 橡胶坝分为充水 、 充 气和水气混合橡胶坝 3种。充水橡胶坝在坝顶有溢流 时 比较稳定 ， 一般较常使用 ； 充气橡胶坝溢气时没有充 水橡胶坝稳定 ， 要求锚 固线处的密封程 度高 ， 但气体相 对 比水更容易获得 ； 水气混合橡胶坝是部分充水部分充 气 ， 需要 2套充排动力设备。 考虑到充气橡胶坝不够稳定且易泄漏 ， 水气橡胶坝 充排动力设备 比较复杂 ， 充水橡胶坝的技术更为成熟 ， 西福河橡胶坝充坝介质选择充水 。增城市常年气温在 0 ~ C以上 ， 无需担 心采用 充水橡 胶坝 以后 会产 生凝 固 问题 。 充水橡胶 坝 的 水源 一 般有 地 表 水 ( 河水 或 湖水 等 ) 、 地下水 ( 井水 ) 和 自来水 3种 。 取用地下水需要增加设备 ， 且对当地 的地质环境会 产生一定的不 良影响 ， 可能破坏环境 。 自来水 比较 昂贵 ， 且 用量 大 ， 通常难 以满 足充坝 需 要 。 地表水 比较容易获得 ， 但近年来 ， 随着工业 的不断 发展 ， 地表水的水质有 所恶化 。西福河水用 以充坝时 ， 水量充足 、 水质一般 。 西福河橡胶坝充坝水源以方便 、 节约、 安全和环保 为原则 ， 选用西福河水作为充坝水 源时 ， 其水质有所不 足 ， 应对水质进行改善 ， 考虑在西福河取水 口设 置拦污 格 网、 沉沙池并在充水管道设置过滤器来改善水质 。 2 橡胶 坝 袋 充排水 方 式的选 择 橡胶坝袋的充排水方式有 自流式 、动力式 和混合 式 3种。 自流式适用 于上游有高 于坝袋 内压 的水 源 ， 收稿 日期 ： 2 0 1 0— 0 9— 2 1 ； 修 回 日期 ： 2 0 1 0—1 0— 6 6 作 者简介 ： 张涛 ( 1 9 8 3 一) ， 男 ， 本科 ， 助理工程师 ， 从 事水力机械 、 动力相关设计工 作。 8 3 2 0 1 0年 1 1 月 第 1 1期 张涛 ： 西福河橡胶坝充排水 系统的选型设计 充坝时直接 引水( 或 引入蓄水池后引水 ) ，通过管道 充入坝内；动力式是充坝时采用水泵抽水直接充入坝 袋 ，排水时采用水泵将坝袋内的水排空 ；混合式是 自 流式和动力式 2种充排方式的结合使用 ，其优点是灵 活 、可靠。 西福河橡胶坝上 游水位并 非长期高于坝袋 内压 ， 不适合采用 自流式充 坝；混合式充 坝系统操作复杂 ， 而且相对于动力式充坝所需时间较长 ，对于西福河橡 胶坝意义不大 ；故西福河橡胶坝选择采用动力式充坝。 橡胶坝建在西福河道上 ， 下游水位对坍坝有影响， 不能依靠 自流完全坍坝 ， 部分 自流坍坝需要增加设 备， 既占地及增加土建 工程量， 而且 布置、 维护困难 ( 管道 出口高程低于橡胶坝底 ) 、 坍坝时间较长 ， 同时考虑到 西福河橡胶坝有防洪 、 排涝 的要求 ， 故坍坝不宜采用混 合式坍坝， 应采 动力式坍坝 ， 采用水泵将坝袋 中的水 抽入 西福 河 中。 因此橡胶坝袋充排水系统必须设置动力设备即水 泵来完成充坝、 坍坝。 3 橡胶坝充排水泵台数、 型式的确定及管道的布置 如果橡胶坝充水 、 排水分别设置充水泵和排水泵 ， 水泵台数将比较多 ， 设备 、 土建造价高且不利于布置和 控制， 因此采取橡胶坝充水和排水共用水泵 西福河橡胶坝有防洪 、 排涝 的要求， 应当设置备用 泵 ， 水泵台数至少要 2台( 1用 1 备) 。水泵台数也不应 当太多， 工作泵的数量不宜大于西福河橡胶坝 的跨数 ( 3跨 ) ， 即充排水泵的数量不宜大于 4台( 3用 1备) ， 否则将增加水泵管理的难度和泵房 的尺寸。当水泵采 用 2台( 1 用 1备) 或 3台( 2用 1 备 ) 时， 每台工作泵可 能要 同时对 2个或 3个橡胶坝坝袋进行充水或排水 ， 这 样做不利于对单个橡胶坝坝袋进行调控 ， 同时当有橡胶 坝袋需要检修时， 水泵 同时充水或排水的坝袋减少后 ， 水泵流量也会相应 的减少 ，不利 于水泵在最有利工况 下运行 。当采用 4台 ( 3用 1备)水泵进行充坝和坍 坝时 ，可以为每个坝袋配备 1台水泵 ，每个坝袋单独 充坝和坍坝 ，互不干扰 ，再设置 1台共用 的备用充排 水水泵。西福河橡胶坝采用 4台 ( 3用 1备 )水泵进 行充坝和坍坝。 西福河橡胶坝泵房拟设在河的上游左侧 ， 从泵房埋 设 3根 ~ b 3 5 5 mm的钢丝网骨架塑料复合管到每个坝袋， 管道长度约从 4 0 m到 8 0 m不等 ， 水泵应采用混流泵或 离心泵。为了便于管理 ， 在满 足所需流量扬 程的情 况 下 ， 水泵型号尽量统一。水泵一般可选择立式安装或卧 式安装 ， 选择立式机组可以减少泵房的平面尺寸， 但增 8 4 加水泵的安装检修难度， 同时也使泵房的结构复杂化。 考虑到充排水泵不是很大 ， 采用卧式机组后泵房的平面 尺寸也未增加太多 ， 而且卧式机组 的安装检修相对立式 机组要方便 ， 泵房结构也 比较简单， 所以水泵采用 卧式 安装 的机组 。 橡胶坝充排水管道连接布置系统罔见图 1 。 图 l 橡胶坝充排水 系统示意 4 橡 胶 坝充排水 泵选 型 坝袋的充胀与排放所需 时间必须与工程的运用要 求相适应 J 。根据 国内已建橡胶坝 工程的统计 ， 其充 坝时间为 2～ 3 h ， 坍坝时间为 1～ 2 h 。对建在行洪河道 或溢洪道上的橡胶坝 ， 由于有突发洪水 的情况出现 ， 如 因排水时间过长 ， 不能及 时坍坝 ， 可能造成洪水漫滩或 漫坝， 由此带来严重后果。本工程橡胶坝坍坝时间初定 为 4 5 mi n ； 充水工况和排水工况共用水泵 ， 充坝时 间同 样约 4 5 rai n 。 水泵的流量按下式计算 ： Q = V ／ n t 式 中0为水泵所需 流量 ， m ／ h ； V为坝袋充水容积 ， m ； n为水泵台数 ； t 为充坝或坍坝所要求 的时间， h 。 每跨坝袋装设 1 台充排水泵。 充排流量 Q = 4 9 5 ． 9( 1 4 5 ／ 6 0 )= 6 6 1 ． 2 m ／ h 橡胶坝 同泵房 的连接管道共 有 3条 ( 每跨 坝袋 1 条) ， 作为充排坝袋水管( 充水时为出水管后段， 排水时为 进水管前段) ， 布置于橡胶坝底板 、 上游护坦和上游防冲 槽下， 管径为 ~ b 3 5 5 m m， 管 内流速约为 2 ． 1 O m ／ s 。进水主 管( 两福河进水 口连接泵房) 、 排水主管( 泵房连接西福 河出水口) 管径取 ~ k 6 O O m m， 管内流速约1 ． 9 5 m ／ s 。 充排水泵充水最小净扬程为 0； 橡胶坝坝袋充满时 高为 3 ． 5 0 m， 橡胶坝 内压 比取 1 ． 3 ， 故充水最大净扬程 为 3 ． 5 0 x 1 ． 3= 4 ． 5 5 m。初步计算充水时沿程损失和拦 污格 网、 沉沙池 、 阀门、 过滤器 、 管道 、 水帽等局部水力损 失合计约为 8 ． 6 0 m。因此充排水泵充水最小总扬程约 为 8 ． 6 0 m， 最大总扬程约为 4 ． 5 5 m+ 8 ． 6 0 m=1 3 ． 1 5 m。 考虑到堤防安全及排水 主管 出水管段穿堤时的埋 2 0 1 0年 1 1月第 l l 期 广 东水 利水电 深 ， 排水主管出 口处中心线高程取 5 ． O O m。橡胶坝顶高 程为 5 ． O O m， 橡胶 坝坝袋 底板高程为 1 ． 5 0 m， 排水最小 净扬程为 5 ． 0 0— 5 ． O 0=O m， 排水 最大净扬程为 5 ． 0 0— 1 ． 5 0= 3 ． 5 m( 洪水位不作为选型依据 ， 仅作校核 ) 。初 步计算排水时沿程损失和水帽、 管道 、 阀门等局部水力 损失合计约为 5 ． 8 7 m。因此充排水泵排水最小总扬程 为 5 ． 8 7 m， 排水最大总扬程为 5 ． 8 7 m+ 3 ． 5 m=9 ． 3 7 m。 根据上述计算的水力参数 ， 本阶段选择单级双吸中 开离心泵 K Q S N 3 0 0一M 2 7 ／ 2 2 3 ， 卧式安装 ， 流量 为 4 2 2 ～ 8 4 4 m ／ h ， 扬程为 7～1 4 m， 功率为 3 0 k W， 汽蚀余量为 4． 3m。 可通过流量控制 阀调节水泵流量 ， 在满足充坝和坍 坝的时问要求下 ， 应尽量使水泵在高效区运行 。 泵站 4台主水泵总装机功率为 1 2 0 k W( 含备用 ) 。 5橡胶坝充排水 系统工作原理 1 ～3 水泵为工作泵 、 4 泵为备用泵 。 1 )充坝 ： 以 1 水泵机组为例 ， 关 闭 3 、 6 、 7 和 2 2 蝶阀 ， 打开 1 、 2 、 4 和 5 蝶阀 ， 水泵开启后 ， 西福河中的 水 由进水主管进入 ， 经过 1 蝶 阀、 2 蝶 li _ji 『 、 4 蝶 阀、 1 水 泵 、 2 6 流量控制阀、 3 0 滤水器和 5 蝶阀后 ， 进入橡胶坝 坝 袋 。 2 )坍坝 ： 以 1 水泵机组为例 ， 关闭 2 、 3 、 5 和 7 蝶 阀， 打开 4 、 6 和 2 2 蝶 阀， 水泵开启后 ， 橡胶坝坝 袋 中 的水经过 6 蝶阀、 4 蝶 阀、 1 水泵 、 2 6 流量控制阀和 2 2 蝶阀后排人西福河中。 蔷 { ≤ ( 上接 第 6 4页) 4结语 潜水电泵以其节省土建 、 结构简单 、 操作方便 、 拆装 维修方便、 改善操作环境等多方面的明显优 势， 已逐渐 在很多使用环境 中取代传统水泵 。 带行星齿轮减速潜水 电泵 以其体积小 、 重量轻 、 效 率高、 功率因数高等多项优点成为潜水 电泵大型化 的一 个 主要 方 向。 广和泵站作为第一个在泵站实践 中采用带行星齿 轮减速大型潜水 电泵 的泵站 ， 在潜水电泵的发展史上将 具 有重要 的意义 。 3 )备用泵充坝 ： 以 1 水泵故障为例 ， 关 闭 1 水泵 机组的 5 和 6 蝶阀 ， 打开 1 水泵机组 的7 蝶阀， 关闭 4 水泵机组的 2 1 和 2 5 蝶 阀 ， 打开 4 水泵 机组 的 2 0 蝶 阀， 西福河中的水 由进水主管进 入， 经过 2 0 蝶 阀、 4 水 泵 、 2 9 流量控 制 阀 、 3 3 滤水 器 和 7 蝶 阀后 ， 进入 1 水泵 机组的橡胶坝坝袋。 4 )备用泵坍坝 ： 以 1 水泵故 障为例 ， 关 闭 1 水泵 机组 的2 、 5 、 7 和 2 2 蝶阀 ， 打开 1 水泵机组 的 3 和 6 蝶阀， 关闭 4 水泵机组的 2 0 蝶I i _! i 『 ， 打开 4 水泵机组的 2 1 和 2 5 蝶阀 ， l 水泵机组橡胶坝坝袋中的水经过 6 蝶 阀 、 3 蝶阀、 2 1 蝶阀 、 4 水泵 、 2 9 流量控制 阀和 2 5 蝶 阀 后排 人西 福 河 中。 6 结语 西福河橡胶坝充排水系统的每 台水泵都可 以通过 门组的开关切换来实现充坝或坍坝 ， 且充排水系统 占 地面积小 ， 工程量较小 。4 水泵通过阀门组 的开关可 以 为 1 ～ 3 水泵中的任意 1台水泵提供备用 ， 增加了橡胶 坝充排水系统运行时的安全可靠性 。 本文 以西福河橡胶坝充排水系统设计为例 ， 分析 了 常规需要考虑 的问题及其思路。该橡胶坝 的设计过程 作为橡胶坝设计的一个范例 ， 为橡胶坝的设计和推广应 用提供参考。 参考文献 ： [ 1 ] S L 2 2 7— 9 8 橡 胶坝技术规范 [ s ] ． ( 本文责任编辑马克俊 ) 葛 ； ； ； { { ； 参考文献 ： [ 1 ] 巾华人 民共 和 国水 利部 ．G B ／ T 5 0 2 6 5—9 7泵 站设 计规 范 [ S ] ．北京 ： 中国计划出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 2 ] 广州市水利 水 电勘测设 计研 究 院．广 州市 北部 水 系建 设 西航道引水首期工程 广和泵站 初步设 计报 告 [ R] ．广州 ： 广州市水利水 电勘测设计 研究院 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 储训， 刘复新．中小型泵站设计 与技术改造技术 [ M] ．南 京 ： 河海 大学出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 4 ] 仇 宝云．大中型水泵装 置理论 与关键 技术 [ M] ．北京 ： 中 国水利水 电出版社 ， 2 0 0 5 ． ( 本文责任编辑马克俊 ) 8 5