离心泵站工程及辅助设备

一、泵房的倾斜与纠偏处理

        在洪涝灾害中，由于堤防溃口，水泵超高扬程，电动机超负荷以及外江水位超驼峰原因使得泵站不能正常排水，泵房较长时间浸泡在涝水或渍水中，地基产生湿陷；或由于泵房地基流土管涌遭受渗透变形等因素，都可能导致泵房的倾斜。泵房倾斜有三种基本形态，即单向(纵向或横向)倾斜，双向倾斜和扭曲三种，泵房倾斜引起的直接后果是主轴不垂直，泵站主机组无法运行，闸门等起吊设备也无法正常启闭，因此，需要采用纠偏的方法，或采用纠偏与结构补强结合的办法，对倾斜泵站进行处理。

    1.房屋建筑中已使用的纠偏处理方法

    泵房纠偏是一项技术难度高，风险大的非常规工程，纠偏能否成功，首先在于根据倾斜建筑物的具体情况、土质条件和倾斜原因等选择合适的方法。目前在房屋建筑中已经使用过的纠偏处理方法可概括为以下几类：

    (1)地基土促沉。对建筑物沉降较小一侧的地基土采用某种方法促使其沉降，使倾斜建筑物两侧的沉降差降低至允许的范围内，地基土促沉的方法有掏土(砂)法、沉井冲水排土法、加载法和地基应力解除法等。   (2)地基土限沉。对建筑物沉降较大一侧的地基土采用加固的方法，以限制其继续下沉。限沉纠偏的方法主要有锚杆静压桩法、静压桩法、树根桩法、旋喷桩法、石灰桩法、板桩围护法及灌桩法等。在使用此类方法时应注意不能因“加固”而对原来就较软弱的地基土产生新的扰动，否则将形成新的附加沉降，增大纠偏工作量，甚至造成纠偏困难。

    (3)结构物顶升。利用千斤顶将倾斜建筑物沉降较大侧顶升(或侧向顶推)复位，这种方法较适合于如柱子等局部纠偏，整体纠偏时所需费用较大。

    (4)基础减压和加强刚度法。通过改变基础结构，以减小和调整建筑物基底压力，zui终达到控制和调整地基土不均匀沉降的目的，如将单独基础或条形基础联成整体或将筏式基础改建成箱形基础等。

    (5)综合法。根据需要同时或先后采用一种或几种纠偏方法对倾斜建筑物进行纠偏，如加压卸载法(沉降较小侧加载，沉降较大侧卸载)、浸水加压法等。

    2.建筑物纠偏处理中广泛采用的地基应力解除法。

    (1)地基应力解除法纠偏的基本原理。采用地基应力解除法纠偏，是在倾斜建筑物原沉降较小的一侧布设密集的大直径钻孔排，有计划、有次序、分期分批地在适当的钻孔内适当的深度处掏出适量的软弱淤泥，并配合各种促沉措施，使地基应力在局部范围内得到解除，促使软土向该侧移动，从而增大该侧地基沉降量。与此同时，在原沉降较大一侧则严格保护基土不受扰动，避免纠偏施工中发生附加沉降，zui终达到纠偏的预期目标，并兼收限沉效果。

    (2)地基应力解除法的施工方法。地基应力解除法纠偏的施工大致可以分为定孔位、钻孔、下套管、掏土、孔内作必要的排水和zui终拔管回填等几个阶段。孔位(即孔距选定)按泵房的平面形式、倾斜方向和倾斜率大小、泵房结构特点以及土质埋藏条件而定。钻孔用特制机具钻进，孔径尺寸按有效解除应力的需要，一般采用Φ400mm。孔深及套管埋入深度(即管长)根据掏土部位而定。掏土使用大型麻花钻或大锅锥。掏土次数、数量及各次掏土间隔时间按实测沉降和倾斜资料，结合具体建筑物的施工方案灵活地掌握。孔内排水采用潜水泵，作为临时降低孔壁水压力以促进挤淤之用，但不宜长时间地抽水，以防止整个泵房的沉降增大。拔管应插花进行，并及时回填合适的土料。在纠偏处理全过程中，应尽量使地基土布孔范围内变形均匀，变形大小也应受到控制。另外，还需备用一系列促沉或隔离措施，以备需要时选用。

    一般情况下，每次掏土时泵房的纠偏位移十分灵敏，掏土量与纠偏量基本持平。施工中，应自始至终用频繁的沉降、倾斜观测进行监控，即采用所谓“情报化施工法”，及时地将观测成果反馈，供决策者调整施工计划时参考，以确保建筑物的安全。

二、泵站建筑物地基的渗透破坏与修复

    对于堤身式泵站，由于泵房直接抵挡外江水位，在内外水位差的作用下，将在泵房地基及两端大堤土体内产生渗流。渗流对泵站建筑物产生两方面的影响，其一是对泵房底板产生向上的渗透压力，减轻了泵房的有效重量，影响其抗滑稳定；另一方面，当渗透坡降或渗透流速超过某一限度时，会引起土体的渗透变形。因此，在洪涝灾害中部分泵站水工建筑物，如进水池和前池的坍陷破坏就是由于这种渗透变形不能终止而继续发展的结果。

    在对遭受渗透破坏的泵站建筑物进行修复前，首先应检查防洪抢险过程中造成坍陷的管涌和流土的进水口，结合大堤的地质情况进行堤防加固，然后根据特大洪水过程中的水位资料，重新拟定泵房的抗渗长度及地下轮廓线，必要时，采用合适的防渗措施。

    (一)泵房防渗长度校核及地下轮廓线设计

    所谓泵房的地下轮廓线，是指进水池、泵房、出水池等不透水结构的垂直横断面与地基的接触线。在泵房进出水池水位差ΔH的作用下，泵房地基内产生渗流，并从进水池中的排水孔逸出，泵房的地下轮廓线即为渗流的*根流线，其长度称为泵房防渗长度。

    泵房的防渗长度L取决于进出水池的水位差ΔH，即

L≥CΔH

　　式中C：渗径系数，参照《水闸设计规范》SD133-84选用，如表3－3。

表3－3　渗径系数C值表

     所谓地下轮廓布置，是根据设计要求和地基特性，并参照已建工程的实践经验，确定泵站基础防渗的轮廓形状和尺寸。对于水毁工程的修复，由于泵房基础不能改变，这里的地下轮廓布置只能根据现有泵站工程的实际情况，结合进出水池的修复与重建进行，布置的总原则是防渗与导渗相结合，即在泵站出水侧布置防渗设备，用来延长渗径，减小底板渗透压力，降低泵房基础内平均渗透坡降；在泵站进水侧布置排水和反滤层，使进入地基的渗流尽快地安全排出，以减小渗透压力和防止发生渗透变形。

    不同土壤特性的地基对地下水轮廓布置的影响：

    (1)粘性土地基：渗透系数小，粘着力强，不易产生管涌；但摩擦系数小，不利于泵房抗滑稳定，因此，防渗布置主要考虑降低渗透压力，增加泵房的抗滑稳定性。为此，可将排水设备延伸到泵房底板下，同时，为防止打桩造成粘土的天然结构遭受破坏，粘土地基一般只设水平铺盖而不用板桩。

    (2)砂性土地基：其摩擦系数较大，渗透性较强，因此对泵房抗滑稳定有利，但同时也易产生管涌。防渗布置主要考虑防止产生渗透变形。当砂层较厚时，可采用铺盖与板桩结合的布置形式，排水设备布重在泵站进水池内，必要时，还可在铺盖始端增设短板桩以加长渗径，如砂层较薄(4～5m以内)，下面有相对不透水层时，可用板桩将砂层切断。

    对于粉砂地基，为了防止地基液化，通常采用封闭式布置，即用板桩将泵房四周围护起来，板桩长度应超过粉砂地基的液化深度。

    (3)特殊地基：在弱透水的地基下有透水层，特别是当该层含有承压水时，应设置穿过弱透水层的铅直排水法，以便将承压水引出，防止进水侧土层被承压水顶起甚至发生流土。当地基为不同性质的冲积层，而水平向的渗透性大于铅直向的渗透性时，也应布置铅直排水以降低层间渗透压力。

(二)泵站防渗排水设施设计

　　1.铺盖

    铺盖一般布置在出水池后排水渠首段，主要用来延长渗径，减小渗透坡降和渗透流速。铺盖要求在长期使用下不透水，并能适应泵房地形的变形，其长度可取为泵站zui大水头的1～2倍，混凝土铺盖长度不宜超过20m。

    (1)粘土及粘壤土铺盖。一般用于砂性土地基，下游端zui小厚度一般为0.6～0.8m，然后向泵房侧逐渐加厚。在与出水池连接处，一般不宜小于1.5m。

    铺盖与出水池连接处应加强处理，否则易沿其接触面产生渗漏，一般在连接处将铺盖加厚做成大梯形断面形式，并将底板前端做成倾斜面，使粘土能借自重及其上荷重与底板紧贴，铺盖与底板间需铺设油毛毡等柔性止水设备。另外，为了保护粘土铺盖不受水流冲刷，表面应加设砌石或混凝土保护层。当保护层为干砌块石时，还应在保护层与铺盖之间铺设反滤层,以防止粘土颗粒从干砌块石缝隙中流失。

    (2)混凝土、钢筋混凝土及沥青混凝土铺盖。在粘性土地基透水性较小及铺盖需兼作阻滑板时，可采用混凝土或钢筋混凝土铺盖，其厚度一般为0.4～0.6m，与出水池连接处加厚至0.8～1.0m，并用沉陷缝与出水池底板分开，缝内设止水。厚房长度较大时，顺水流方向也应设置沉降缝和止水，分缝应与泵房分段相一致，以防止铺盖开裂。

    沥青混凝土铺盖通常选用6号石油沥青作胶结剂，用沥青、砂、砾石和矿物粉按一定的配合比加热拌合，然后分层压实而成。其厚度一般为5～10cm，与进水池底板连接处适当加厚。

    2.板桩

　　板桩通常设在出水侧，主要用来延长渗径，其材料有木材、钢筋混凝土及钢材等，现多用贯入式预制钢筋混凝土板桩，厚约10～15cm，宽50～60cm，该桩zui适于河漫滩沉积地基。　板桩长度应根据防渗效果好和工程造价低的原则，并结合施工方法来确定。当不透水层埋深较浅时，可用板桩将透水层截断，并插入不透水层至少1.0m；若不透水层埋深很深，板桩长度可取为泵站zui大水头的0.7～1.2倍。

    3．定喷板墙

　　用高压定向喷射灌浆法构筑防渗板墙，是将特制水、气、浆三管喷射装置插入预先钻好的孔中，固定好喷射方向，然后边喷灌边提升，依靠高速水气射流切割土层形成沟槽，利用压缩空气的掺搅升扬作用把大部分上层颗粒带出地面，并通过浆液的充填、渗透、挤压和固结作用而形成具有一定宽度和厚度的防渗板。定喷板墙的厚度一般为5～13cm，单向喷射的有效宽度为1.5～2.5m，双向喷射为单向喷射的两倍。

    4.齿墙及截水槽

　　进出水池及泵房的上下游端均设有齿墙，以延长渗径，同时增加泵房的抗滑稳定。其深度一般为1.0～2.0m，当透水层较薄时，可用粘土或混凝土截水槽将透水层截断，截水槽嵌入不透水层的深度应不小于1.0m。

    5.排水及反滤层

　　排水设施一般是用直径1～2cm的卵石，砾石或碎石等铺在渗流溢出处，层厚20～30cm。为防止地基发生渗透变形，在排水与地基接触处应设反滤层。反滤层和排水结合在一起，常由三层不同粒径的砂、砾石及碎石组成，粒径自下而上逐渐加大，每层厚度约20～30cm，反滤层长度一般为5～10m，反滤层上部设置铺盖，铺盖上设Φ5cm的排水孔，呈梅花形布置。　近年来，土工织物用作反滤材料十分广泛，其透水性和反滤性能好，其设计标准为：

    防止管涌要求Oe≤d85

    渗流畅通要求Oe≥d15及Kf＞(1～10)K

    不均匀性要求Oe＜2.3d30(无纺)或1.4d50(有纺)

    对于粘土 　Oe＜0.08mm

式中，Oe为等效孔径对于无纺的取Oe=O90；有纺的取Oe=O95；d15、d50、d85为被保护土料的特征粒径(mm)；Kf为土工织物的渗透系数；K为被保护土层的渗透系数。

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三.、进出水建筑物及泵房的裂缝处理

        导致泵站建筑物钢筋混凝土裂缝的主要原因是两类荷载，一是外荷载产生的应力，包括外荷载的直接应力及由于外荷载作用产生的结构次应力，二是由于变形变化而引起的荷载，如结构由于温度变化导致的收缩与膨胀、地基不均匀沉陷等因素。在洪涝灾害中，泵站进出水池、进出水流道和泵房裂缝主要是由于地基的渗透变形所引起的，这种裂缝通常属于贯穿性的，其走向与沉陷走向一致。裂缝修理方法的选择及裂缝的表面处理和内部处理的方法等详见本书第五章第二节。

　　关于流道的断裂加固和修复，目前实用的措施有：

    1.地基加固

    (1)当流道所穿越的大堤堤身不高，断裂发生在管口附近时，可直接开控堤身或岸坡进行地基处理。

    (2)当断裂发生在流道中部，全部开挖处理比较困难，且洞径较大时，可在洞内钻孔进行灌浆处理。灌浆前要将断裂处用混凝土、钢筋混凝土或钢环封闭好。

    (3)在进行基础加固的同时，管身应设置沉陷缝。沉陷缝的止水结构一般用止水片和多层油毡组成。

    2.流道结构补强

　　对于产生大范围的纵向裂缝、严重的横向断裂、以及局部冲蚀破坏的流道，凡是影响结构强度的均应采取加固补强措施，这些措施包括：

    (1)加套管或内衬 适用于人工能在洞内操作的情况，套管可采用铸铁管或钢管，内衬可采用钢板。

    (2)外包加固 适用于埋藏不深、且直径较小的管道。可外包混凝土或浆砌块石、钢筋混凝土衬圈。

    (3)顶管处理 当管道严重破坏，且修复十分困难时，需另建新管，建新管可考虑采用顶管法,这是目前更换损坏管道的一种较好的方法。

四、大型泵站超驼峰运行

    20世纪60年代兴建的大型排水泵站，大多数采用虹吸式出口水流道破坏真空的断流方式。在泵站设计时，按外江设计低水位淹没出口的要求确定驼峰顶部的高程，而当外江洪水出现超驼峰水位时，则必须关闭流道出口的防洪闸，以防止江水倒灌。此时若排水区发生渍涝，即使水泵机组的扬程和功率能够满足运行要求，也无法开机排水。1998年长江洪水期，仅湖北省就有36座泵站因此而被迫停泵。

    解决大型泵站超驼峰运行的难题，归结起来就是解决以下两个问题:①在外江洪水位超驼峰的超常条件下，如何平衡安全地启动轴流泵机组；②安全可靠地断流以防止事故停泵时大量江水倒流及机组倒转出现危害性的飞逸转速。在认真总结工程经验和多年科学研究的基础上，武汉水利电力大学泵及泵站教研室有针对性提出了压缩空气阻水断流的新技术。较好地，切实有效地解决了大型虹吸式出流的轴流泵站在超驼峰条件下正常运行的难题。不仅安全可靠，而且经济实用。所谓压缩空气阻水断流即：通过适当的工程措施向虹吸管顶部注入压缩空气，把虹吸管出水侧管内水位压低到驼峰下缘高程。由于压缩空气保持稳定的压力，虹吸管内的水位不会上升，所以，既便开启防洪闸，江水也不会倒流导致水泵倒转，在闸门开启的情况下起动机组，随着水泵转速和流量的增大，管内的空气相应由排气管排出。由于本方案设计了稳压排气管，从而限制了因起动过程中管内空气被上升的水体压缩造成过高的压力，致使水泵进入不稳定区而诱发的水泵机组的强烈振动。

    这种技术1998年已分别在湖南和湖北两省的一些泵站应用，获得了满意的结果，例如湖北汉川县民院闸溃堤堵口后，汉江约有120m3/s流量流进内湖，起动汉川二站和汾水泵站的大型水泵机组向汉江排水，而汉川一站由于汉江水经超驼峰底zui大达2.7m，6台水泵不仅不能开机排水，由于流道出口防洪闸关不严，江水倒灌，倒灌流量约为30m3/s，相当一台单机功率为2800kW机组的排水量，单就耗电费一项计算每天约13000元，采用压缩空气断流，无需增加任何设备，原有的水环真空泵改作压缩机运行，用于改接管道的工时材料，估计不足1000元，而向驼峰注入压缩空气后，由于平衡了闸门正面的水压力，减小了闸门槽的摩擦力，在自重作用下，降落到位,只有少量漏水，避免江水大量倒灌。很好地配合抗洪斗争，取得了重要的经济效益和社会效益。

    现以湖北省嘉鱼余码头泵站为例说明大型泵站超驼峰断流措施:

    1.压缩空气系统设计

    根据建站以来超驼峰运行记录，出现过zui高的超驼峰水头为3.52米，因此要求注入管内的压缩空气达到3.52米的压力，江水不会通过虹吸管倒流，由于要求压缩的压力很低，不宜直接选用现有的空气压缩机，而是根据现场的条件和要求，专门设计了一种新型的射流压缩机。这种压缩机的特点是结构简单，价格低廉，运行可靠，管理方便。压缩空气联接系统，该系统由1台IB150-125-250型离心泵(配17.5kw电机动)向射流压缩机供给压力水，压缩机吸入的空气与压力水混合，通过干管和闸阀向准备起动的机组虹吸管顶部注入水气混合流，水气在虹吸管内自动分离，气体聚集在虹吸管顶部，气压逐渐升高，直到水面气压达到相当于超驼峰水深的压力即可将防洪闸提起，水面气压由模拟外江水位的水池和排气管来控制，实际上是由排气管的淹没深度来控制水面的气压，水泵起动后气压升高，排气管即自动排气，排气流量随水泵流量的增大相对应。

    2.射流压缩机

    射流压缩机的性能，根据计算，当压缩空气的压力达到0.36kPa，压缩空气流量Q=420m3/h，压缩空气流量也随压缩空气压力的变化而变化，估计管内空体积为200m3，起动一台水泵所需的压缩空气约60m3，考虑系统漏气损失，估计起动一台机组所需压气时间不超过10分钟。

    3.机组起动操作程序

    (1)检查虹吸管出口段是否充水至驼峰下缘。一般情况下由于闸门止水不严防洪闸处于关闭状态下，出口段也会充水至驼峰下缘。

    (2)起动泵房供水泵向蓄水池充水，充到60m3的水量。

    (3)根据出水池水位与驼峰下缘离程之差Δh，向水池充水，使排气管淹没深度h=Δh+0.05m(0.05为考虑水面波动的安全值)。

　　(4)打开准备起动机组的闸阀。

　　(5)起动离心泵，射流压缩机开始吸气，并将水气混合液通过干管和闸阀注入虹吸管，当虹吸管内气压达到Δh即可开启防洪闸。

　　(6)起动轴流泵，当电动机达到牵入同步的转速时立即切断离心泵的电源，这样可以保持恒定的气压，防止突然降压，虹吸管出口段的水翻越驼峰向内侧倒冲，增大水阻力矩，延迟机组牵入同步的时间。待虹吸管内空气*排除后，机组即转入稳定运行，起动过程即告结束。

    4.机组突然失电防止倒流倒转飞逸状态的措施

    在正常情况下停机，一般是先将防洪闸部分关闭，在机组出现振动或电机出现超载的临界状态下迅速切断主电机的电源，防洪闸在重力作用下关闭，预计可在水泵开始倒流之前关至终点。但是，如果发生事故跳闸或电网突然断电，则闸门只能从断电开始下落，关闭活塞行程2.5米，按失电后8秒内关闭的要求，通过现场试验确定增加的配重，这种方案比增加蓄能罐的方案简单可靠。

　　五、污物及清污

　　污物是指浮在水体表面和水体中的杂物，如水草、白色污染物、水块及其它杂物。近年来由于水体污染的加剧，水体富营养化程度提高，一些水生植物如水葫芦和一些藻类植物在引水渠道、前池等内部生长、繁殖异常迅速，严重影响过水构筑物的过水能力。另外，废弃塑料袋、瓶、盒等白色污染物也危害猖獗，增加拦污栅水头损失，降低进水池的效率，增加泵站能耗，严重时泵站不能正常运行。 从长期治理的角度来看，应堵住源头，会同有关环保部门，严格控制有关污染物的排放量改善水质。近期应着眼于改善泵站拦污栅的布置并对污物进行清理。

　(一)改善拦污栅的布置

　　拦污栅的型式和尺寸不仅影响工程投资和泵站能耗，而且对污物的清理有很大影响。如我国大型轴流泵站的拦污栅大部分是垂直设置在进水流道的进口处，由于利用了进水流道的隔墩作为支承，因而可以节约工程投资。但此类布置拦污栅处的流速较大，清污工作的危险性大，工作条件差，污物清理困难，并且污物的堵塞会直接影响水泵的进水流态，使水泵在偏离设计工况点工作，引起机组的振动和噪声。一般来说，拦污栅应布置在平均流速为0.5～0.8m/s的断面上，以设置在引渠末端为宜，它比设在进水流道或进水池前安全。而且，由于引渠末端断面窄，工程投资省，同时也便于布置清污机械。

    对拦污栅还要正确设计，其强度和栅距要适中。

　(二)清污方法及设备

　　目前，对污物的处理尚没有较好的化学和生物方法，一般是采用人工和机械的方法进行清理。人工清污主要用于水草和杂物不多的小型泵站。对大型泵站，应加大投入，设置专门的清污机械和相应的转运设备来处理污物。目前自动清污机主要有：自动耙式清污机、大型自动清污机、旋转滤网式清污机、牵引耙式清污机及牵引车式清污机等等。它们的特点及适用范围各不同，应结合实际情况来选用。

　　六、淤积及清淤

    淤积主要指沉积在外江、内湖、渠道及进、出水构筑物等底部的泥沙、卵石和砖块等沉积物。在洪灾多发之地，由于水土流失的加剧和洪水的泛滥，许多江河和湖泊淤积严重，部分河段的平均淤积深度达每年0.5m。严重的淤积危害了泵站的安全运行，有些泵站甚至不能运行。

    有关清淤施工问题可参见水利电力行业标准《疏浚工程施工技术规范》，选择清淤设备时应考虑以下几个问题：

    1.被挖掘土的种类和性质；

    2.挖槽尺度和排泥方法；

    3.疏浚工程量和工程时间；

    4.挖泥船或其它挖泥设备的性能。

    对挖泥船或其它的挖泥设备，目前应用于内河和湖泊的主要有泥斗式(机械式)和吸扬式(水力式)两大类。泥斗式包括铲斗式、抓斗式及链斗式等。铲斗式和抓斗式适宜于硬质土，但产量太低。链斗式对土质适应能力强，挖后水底平整，但所占水域面积大，须要铺助设备多，且振动和噪声很大，国外已很少使用。

    吸扬式挖泥船主要分为绞吸式、潜水泵式、气升式及射流式等等。绞吸式挖深有限，但经济效益高，在国内外应用极为广泛。潜水泵式挖深适中，经济效益好，以往的电机密封易损坏，工作可靠性差。但近代的潜水电泵机械密封技术有很大提高，再加上增加了很多监控设备，潜水电泵的可靠性和使用寿命有显著提高。气升式挖深大，对水底扰动小，但效率很低。射流式结构简单、成本低、挖深大、维护方便、便于自制，但效率稍低于绞吸式，它具有较好的实用价值。其它还有一些水陆两用及陆地上行走的挖泥设备。

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