胶东调水打渔张泵站淤积问题及工程改造实践.pdf

2023.7贾振波1，王肖肖2，陈庆忠3（1.山东省调水工程运行维护中心滨州分中心，山东 滨州 256600；2.山东省调水工程运行维护中心博兴管理站，山东 博兴 256500；3.水发卓恒工程管理有限公司，山东 济南 250100）揖摘要铱 介绍了山东省胶东调水工程渠首打渔张泵站的运行情况，对打渔张泵站在调水运行中的泥沙淤积问题进行了分析，提出了具体的工程改造方案，并对工程改造方案实施前后的防泥沙淤积效果进行了测量及分析比较。揖关键词铱 打渔张引黄泵站；机组运行；泥沙淤积；前池改造揖中图分类号铱 TV675揖文献标志码铱 A揖文章编号铱 1009-6159渊2023冤-07-0008-03山东省胶东调水工程自1989 年 10 月建成通水，至今运行 30 余年，发挥了巨大的经济效益、社会效益和环境效益，也为我国长距离跨流域调水工程的建设和管理提供了宝贵经验。由于近年来黄河河床下切，造成小浪底以下河道引黄困难，因此普遍在引黄口规划建设了提水泵站。打渔张泵站位于山东省胶东调水工程渠首，主要包括：泵站进口闸、拦污栅、泵站主副厂房及泵站出口闸等。打渔张泵站设计流量 36.0 m3/s，校核流量 39.6 m3/s，站前设计水位 10.55 m，站后设计水位 13.57 m，沉沙池盖淤设计水位 16.97 m，泵站扬程为 3.026.42 m，共安装 5 台 1700ZLQ-6型轴流泵，其中 4 用 1 备，水泵按全调节设计，电动机功率 900 kW，泵站总装机容量 4 500 kW。5台机组作一字型排列，安装间布置在主厂房左（东）端，机组间距为 5.75 m。主泵出水管中心高程11.56 m，直径 2.6 m。水泵安装高程（叶轮中心线）为 7.55 m，水泵进水采用吸水室型式。1泵站运行存在的问题打渔张泵站建设完成后自 2020 年 4 月 10 日开始运行，至 2020 年 7 月 22 日累计运行 103 d，累计运行 4 916 台时，累计引水量 1.63 亿 m3。打渔张泵站第一个运行季结束后，对泵站工程进行全面检查，发现泵站前池及进水流道淤积严重。其中进水池淤积高程为 10.9 m，前池进口闸底板高程 8.05 m，流道底板设计高程 5.23 m，淤积最大处高度达 2.50 m，平均淤积高度为2.00 m。1#、5#进水流道淤积高程为 6.03 m，流道底板设计高程 5.23 m，淤积高度 0.80 m；2#进水流道淤积量较少，淤积高程为 6.13 m，淤积高度0.90 m；3#进水流道现淤积高程为 6.70 m，淤积高度 1.47 m；4#进水流道淤积高程为 8.71 m，淤积高度 3.48 m，进水流道全部淤满。经过第一个运行季，泵站前池及进水流道的泥沙淤积比较严重。淤积最严重的 4#机组进水流道，甚至将整个水泵喇叭口全部淹没，给机组运行带来困难，给泵站安全运行带来隐患。2泥沙淤积原因分析打渔张泵站自黄河取水，黄河是世界上含沙量最大的河流，年均含沙量达 35 kg/m3。胶东调水工程选取黄河水含沙量相对较低的季节引水，以减少引沙量。但在泵站进水闸后对黄河水取样，含沙量仍在 210 kg/m3之间。黄河水含沙量高是造成泵站前池及进水流道泥沙淤积的最根本原因。打渔张泵站 5 台机组，4 用 1 备。打渔张泵站自建成运行以来，长期小流量运行，通常是 3 台或 2 台机组运行，甚至是 1 台机组运行。由于引水流量较设计工况小，达不到设计运行工况，水收稿日期：2023-04-26作者简介：贾振波（1971），男，高级工程师山东水利8窑窑2023.7表 1 泵站进口闸现状过流能力复核渊改造前冤工况过闸流量Q/（m3 s-1）堰上水深H0/m综合流量系数 u0由堰顶算起的下游水深 hs/m上下游水头差h/mhs/H0设计36.402.50.992.4650.0350.986校核40.122.750.9912.7150.0350.987图 1 三条进水流道改造工程布置流在进水池扩散，导致水流流速降低。当水流流速低于泥沙不淤积流速时，造成泥沙在前池淤积。通过泥沙沉降试验，发现泥沙的起动现象是具有随机性的动态过程，起动初期底板产生小附底涡卷起泥沙，随着流速增加，水流开始间歇性冲刷并带走泥沙；当流速较大时，底部产生回流，将泥沙朝反方向冲起，此时水流开始变浑浊，泥沙几乎全被裹挟冲走。不同工况和开机组合的泥沙起动试验表明，打渔张泵站泥沙起动的水流平均流速约为 15 cm/s。泵站前池的水流流速高于15 cm/s 时，基本上不会产生泥沙淤积。通过对 2020 年的运行观察，发现最关键的问题是打渔张泵站前池没有分隔进水流道。作为引黄泵站，泵站前池不分隔流道，缺陷较大。当泵站机组不能全部运行或小流量运行时，不能关闭不运行的机组进水流道，导致不运行的进水流道淤积加剧。此时泥沙淤积最高可达 4 m，水泵喇叭口整个或部分被泥沙淹没，机组启动困难或无法启动，此情况对泵站安全运行非常不利。引黄灌溉或城市供水，在泵站前设置沉沙池是沉积水中泥沙的常规做法，是解决泥沙淤积问题的最经济有效的方式。但打渔张泵站距离上游引黄闸只有不到 1 000 m，达不到沉沙的条件，不具备设置沉沙池的可能性。3防泥沙工程改造方案打渔张泵站前池泥沙淤积问题，影响泵站的高效、安全运行，制约了工程效益的发挥，成为泵站安全运行的一大隐患，人为调控措施是治理泵站前池泥沙淤积最直接的手段。在不具备建设沉沙池条件的情况下，对打渔张泵站前池进行改造，通过增大前池水流流速的方式，是改善泵站前池泥沙淤积的有效途径。打渔张泵站有 5 台机组，将泵站前池分隔为 5 个流道，是最为彻底的解决方式，对机组运行来说最为安全可靠。但在打渔张泵站原工程设计建设中，泵站进口闸由 3 孔闸门组成，进口闸后设 3台拦污栅。如果将泵站前池分为 5 个流道，需要对泵站进口闸、闸门启闭机及拦污栅全部拆除重建，工程投资大，施工周期长，施工工期超出调水运行的停水允许期限。因受原工程设计建设及改造施工工期的限制，将泵站前池分隔为 3 个流道，是目前最为实际可行的方案。在泵站前池新增 2 道隔墩，将泵站前池分为 3 条进水流道，边侧机组 2 台泵共用一条进水流道，中间机组 1 台泵单独用一条进水流道。进水道型式采用 U 型槽，U 型槽顶部设联系梁，隔墩首端与泵站进口闸中墩衔接，末端与泵站工作桥中墩衔接，见图 1。4工程改造前后过流能力复核现状打渔张泵站进水池设计水位 10.35 m，校核水位 10.60 m。根据 水闸设计规范（SL265-2016）附录 A，对平底闸而言，当堰流处于高淹没度（hs/H0逸0.9）时，过闸流量按相应公式进行复核计算。在接近设计及校核流量的工况下，泵站进口闸设计指标（改造前）当设计流量 36.0 m3/s，校核流量 39.6 m3/s，当设计流量为 10.55 m3/s，校核流量 10.80 m3/s，闸底板顶高程 8.05 m，闸室孔数 3孔，每孔净宽 6 m。泵站进口闸现状过流能力复核见表 1。对前池改造前泵站进口闸现状过流能力复核，设计及校核工况上下游水头差均为0.035 m。泵站进口闸在前池分隔为 3 条进水道进行工程改造后，对进口闸边孔过流能力进行计算，其结果：1）边孔两台机组运行时，设计流量为贾振波，王肖肖，陈庆忠：胶东调水打渔张泵站淤积问题及工程改造实践9窑窑2023.718.00 m3/s，校核流量为 19.80 m3/s，上下游水头差均为 0.082 m，大于改造前的水头损失。2）边孔单台机组运行时，设计流量为 9.00 m3/s，校核流量为 9.90 m3/s，上下游水头差均为 0.019 m，小于改造前的水头损失，详见表 2。泵站进口闸在前池分隔为 3 条进水道工程改造后，中孔计算结果：中孔过流要求为单台泵的流量，设计流量为 9.00 m3/s，校核流量为 9.90 m3/s，通过过流能力计算，上下游水头差均为 0.019 m，小于改造前的水头损失，详见表 2。进口闸边孔过流要求为 2 台泵运行时，现状水头损失不满足过流要求，比改造前增加 0.047 m损失才能满足过流要求。经水机专业复核，进水池水位降低 0.047 m，不会对泵站运行产生不利影响。进口闸边孔过流要求为 1 台泵运行及中孔运行时，水头损失均为 0.019 m，均低于改造前过闸水头损失，不会对泵站运行产生影响。5工程改造后淤积测量及效果分析打渔张泵站前池分隔流道改造完成后，2021年 11 月 30 日至 2022 年 6 月 30 日第一次运行。在运行期间及运行结束后，检查测量泵站的泥沙淤积情况，详见表 3。从统计资料可看出，泵站前池分隔流道后，当双机组运行时，东流道、西流道基本没有泥沙淤积。东流道、西流道单机组运行时，会有少量泥沙淤积，这是因为双机组流道在单泵运行时，通过泵站引水闸控制进水水位基本不变的情况下，出水量减少 50%，相应水流流速也降低了 50%，流速降低引起泥沙淤积。同时，进水流道边角区域存在水流死区，也造成泥沙迅速沉积。中流道属单机组运行，只有少量淤积。通过测算，泵站前池分隔流道后，前池各流道淤积量减少 60%70%，防泥沙淤积的效果非常明显。引黄泵站的泥沙淤积问题是不可避免的，可以通过人为调控措施尽量减少泥沙淤积。除了将泵站前池进行流道分隔外，还可以通过引黄进水闸、泵站进口闸控制进水流道水位，使机组工作在最佳性能区，提高机组的工作性能；泵站长期在小流量运行工况下，还可以通过机组工况比较，调整机组的叶片角度，降低机组的振动、摆度等参数，选出最佳的机组工况组合，减轻泵站的泥沙淤积。泵站后期运行，结合其它的工程管理措施、技术措施，防泥沙淤积效果更好。6结 语打渔张泵站是胶东调水工程的源头，作为引黄泵站，其运行与工程沿线其它清水泵站具有本质区别。实际运行中，由于泥沙淤积对机组的影响，要根据实际情况及时对工程进行改造，及时对机组运行工况组合进行调整，采取综合措施尽量减少泥沙在流道内的淤积，减轻泥沙对泵站机组运行的影响，保证机组高效、安全运行，使泵站发挥出最大的工程效益。参考文献1江崇安，崔积家，邵英超.引黄济青渠道输水能力影响因素分析J.山东水利，2012（4）：1-2.2 水闸设计 撰写委员会.水闸设计M.北京：中国水利水电出版社，2013.3高汉山，金帮琳.引黄济青调水工程改扩建分析J.东北水利水电，2012（10）：15-16.4金帮琳，曹永梅.山东省引黄济青改建工程泵站效率及稳定性测试研究J.东北水利水电，2013（1）：3-5，9.5宗理华，张林，崔庆福.一种输水渠道淤积量的快速测量方法J.山东水利，2016（3）：50-51.（责任编辑 赵其芬）表 2 泵站进口闸边孔过流能力计算成果渊改造后 2 台机组运行冤机组运行工况过闸流量 Q/（m3 s-1）堰上水深H0/m综合流量系数u0由堰顶算起的下游水深hs/m上下游水头差h/mhs/H0边孔 2台机组设计18.002.50.9782.4180.0820.967校核19.802.750.982.6680.0820.973边孔单台机组设计9.002.50.9942.4810.0190.992校核9.902.750.9952.7310.0190.993中孔单台机组设计9.002.50.9942.4810.0190.992校核9.902.750.9952.7310.0190.993表 3 不同运行工况下的泵站各流道淤积测量结果名称双机组运行时间/h双机组运行淤积高度/m单机组运行时间/h单机组运行淤积高度/m0.070.07/1452.632.63中流道 3#/4610.536215900.670.67120/2.292.29263263东流道 1#东流道 2#西流道 4#西流道5#贾振波，王肖肖，陈庆忠：胶东调水打渔张泵站淤积问题及工程改造实践10窑窑