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另一种是灌溉站,提取内部沟河蓄水,进行抗旱灌溉。
在江苏、湖北、湖南等省建有大中型水利枢纽工程的地区除建有大型泵站在流域间进行调水外,在这些地区还建有以灌溉或灌排结合为主的小型泵站,灌溉扬程多在5~7m左右,排涝扬程多在3~6m左右。
在沿江沿海平原,由于受潮汐影响,水位时涨时落,易涝易旱。
旱时需提水以补水源,涝时则需提水外排。
因此,在建站时,往往引、蓄、排、降多功能相结合。
这类泵站由于年工作时间较长,因此在设计时应充分考虑泵的工作性能在高效区内工作,以节约能耗,降低成本。
(3)山丘地区:
我国大部分地区,特别是内地省区,山丘绵延起伏。
山丘岗地,由于塘库少,被复差,大雨蓄不住,水土流失严重,灌溉水源普遍不足,这些地区多通过建泵站多级提水灌溉。
在一些拦蓄条件较好的山丘区,库塘较多,机电排灌主要任务在于提水以补充地面径流蓄水的不足,提高灌溉保证率。
这类泵站一般多是忙时灌田,闲时灌塘。
在丰水年多用塘水,缺水年则开机补塘,平衡高峰用水量。
由于山丘区的耕地多集中于岗坡,提水扬程多在50m以下,一般通过建二级或二级站多级提水上山,泵型多为双吸式离心泵,单级扬程在10~30m左右。
少数高扬程泵站使用单吸式离心泵,单级扬程可达50m以上。
(4)城镇地区:
随着我国各地城市和中小城镇建设的迅速发展,城市防洪除涝已显得日渐重要和迫切。
建设泵站是城镇防洪、除涝、保安的重要措施。
泵站担负着抽排内水的重要任务。
由于城市防洪扬程较低,且所需流量大,要求能在短时间内及时排除积水,降低内水位。
另外,这类泵站功能较为单一,且年工作时间短。
因此这类泵站应选用工作可靠、结构简单的中型轴流泵。
考虑到城市用地紧张,低扬程潜水电泵也是一种可供选择的泵型。
在设计选型中,这类泵站应主要考虑工作的可靠性,确保机组能安全运行。
为充分发挥这类泵站的效益,应尽量在规划中与城市排污泵站相合。
1.2小型泵站的结构型式
小型泵站结构型式因泵站的用途、水泵的类型、安装的方式等因素不同而不同。
按泵站基础分,有分基型、共基型、块基型泵房;
按泵室是否有水分,有干室型和湿室型;
按其进水方式,又有开敞式、封闭式、流道式、涵洞式进水等;
按其出水方式,又有开敞式出水、压力水箱出水等型式;
按泵轴的安装方向,有立式、卧式、斜式之分;
按机组布置方式分,有单列、双列、交叉布置等型式;
按机房的形状分,有矩形、圆形、外弧形、内弧形、六角形、折线形等区分;
在土建结构型式上,又有框架式、墩墙式、拱墙式、桩基式等泵站类型;
在机组安装位置上,又有落井、半落井、潜没式、移动式之分;
在泵站枢纽布置上,又有单排、单灌、排灌结合和排、灌、自排、自引多功能结合以及闸站结合等多种型式。
按照小型泵站的布置型式,有堤身式和堤后式两种。
采用堤后式布置时,站身不直接挡水,出水池离站身有一段距离。
这种型式出水管道较长,但机房和出水池之间可作为交通道路之用。
堤身式泵站是利用机房直接挡水,机房后墙即为出水池墙,这种型式由于出水管道短,在小型混流泵站和轴流泵站中采用较多。
这种布置型式由于出水池与机房联为一体,因此在出水池位置较高时,出水池通常均建于回填土上。
为了不致因沉陷不均而影响工程安全,在施工中要注意回填土的夯实,同时应设置必要的沉陷止水缝。
另外由于出水池与机房连接为一体,渗径缩短,因此,在设计中必须进行防渗验算,以确保站身稳定和安全。
1.3小型泵站的设计原则
一般小型泵站的设计应本着下列原则进行:
(1)总体布置应合理,特别是排灌结合或自排、自引与提水相结合的泵站以及闸站结合的泵站,在布置上应力求紧凑,充分利用建筑物进行调节。
(2)在泵型的选择上应力求使泵站设计扬程与水泵额定扬程相一致,且满足灌溉与排水流量的要求。
并尽量选用技术上先进的泵型,以保证泵站装置效率高,运行费用省。
同时所选用的泵型应是比较成熟的泵型,有一定的运行实践,应尽量避免选用试验泵型。
(3)泵型的选择要充分考虑泵站的用途和工作性质。
对那些年工作时间较长的灌溉和补水泵站应选择高效区范围宽,且效率高、汽蚀性能好的泵型。
对那些以排涝为主的泵站则应选择工作性能可靠、结构简单的泵型。
(4)工程布置应尽量采用正向进水,确保每台机组的进水条件良好,流态均匀。
在工程布置上不得不采用侧向进水时,在设计中应尽量延长侧向进水口与水泵的距离,并采取一定的导流措施。
(5)出水池的设计应尽量避免急弯而引起水流撞击、壅高。
压力水箱的设计应避免各出水管道水流的相互冲击而增加能量损耗。
(6)应尽量采用当地可利用的建筑材料。
设计应保证施工简单、方便,且工程投资较少。
1.4小型泵站的设计步骤
1.4.1资料搜集
包括兴建缘由、设计流量、水位组合、地质资料、地形状况、水文、气象资料、交通状况、电源情况以及对设计的一些特殊要求等。
1.4.2机泵选型
包括泵型及泵的规格的确定,调节方式,泵的台数确定;
电动机功率及型号(含极数)的确定;
传动方式的确定。
1.4.3枢纽布置
包括站址的确定、取水口的布置、引水路线的确定、输水渠或容泄区的布置以及站身的基本型式(堤身式或堤后式)和进水方向(正向进水或侧向进水)、出水方向(正向出水或侧向出水)等。
对担负多种功能的泵站,还应确定实现各种功能的方案和方法。
1.4.4辅助设备的布置方案
包括真空泵的布置;
起重设备的布置;
拦污方式;
传动计算;
进出水管道直径和管道材料、管道附件(闸阀、逆止阀等)的确定等。
1.4.5站身布置
(1)泵房结构型式选择:
根据泵型、地形、水源、水位变幅等情况确定采用泵房的结构型式。
(2)断流方式选择:
根据泵房结构型式及布置要求,确定采用拍门、虹吸真空破坏、快速闸门等断流方式。
在小型泵站中,一般以拍门断流方式为好。
(3)机房布置:
包括机组布置、管路布置、检修间及主要配电设备和辅助设备的布置。
(4)机房平面尺寸的确定:
根据以上布置的要求确定机房的宽度、长度。
(5)机房高度的确定:
根据泵型及起重要求和起重设备的型式确定机房高度。
(6)机房各部分高程的确定:
包括水泵、电机安装高程;
机房底板、水泵梁、电机梁、地面、屋面大梁、进出水池等各部分高程。
1.4.6水泵工况点核核
根据最后确定的管道及附件布置,计算管路局部损失和沿程损失,并确定水泵工作点。
在设计工况下,工作点应落在高效区范围内,同时能满足各种要求的水位组合和流量,并保证电动机安全运行。
1.4.7进水建筑物设计
(1)引河设计:
包括引河底宽、边坡、底坡、水深等参数的确定。
(2)前池的设计:
主要确定前池的宽度、扩散角、长度、底坡、翼墙型式及前池冒水孔、反滤层的尺寸和型式等。
(3)进水池的设计:
主要确定进水池的型式、宽度、长度、进水管喇叭口悬空高、淹没深度、进水池后壁型式和形状、管口至后壁的距离以及拦污设施等。
1.4.8出水建筑物设计
(1)出水型式的确定:
根据泵房结构型式和布置要求,确定采用开敞式出水池或压力水箱。
(2)出水池的设计:
确定出水池宽度、深度、长度与衔接段尺寸等。
(3)压力水箱设计:
包括压力水箱的结构型式、平面尺寸、高度等。
(4)泄水建筑物设计:
对排涝或排灌泵站还需考虑泄水建筑物部分的布置和尺寸确定及结构设计。
1.4.9绘制机房平面和剖面草图
根据以上的布置和尺寸,在方格纸上绘制出机房的平面图和站身剖面图,并进行合理的调整。
1.4.10机房整体稳定及地基应力校核
根据水力计算和设备布置初步拟定机房平面和剖面尺寸之后,对湿室型机房需进行抗渗、抗滑和地基应力核核;
对干室型机房还需进行抗浮稳定校核。
在不能满足稳定要求时,必需对机房内设备布置进行调整或对机房尺寸进行修改。
在地基应力不能满足要求时,应对地基处理方法进行设计。
1.4.11结构设计
(1)机房结构计算:
①底板的结构设计。
②水泵房的结构设计:
包括水泵梁、中墩、边墩的设计或框架等结构型式设计。
③电机房的结构设计;
包括电机层楼板、电机梁、框架的结构设计。
④房屋设计:
包括屋顶、屋面大梁、砖墙、腰箍、立柱、行车梁等结构计算。
(2)挡土墙设计:
包括机房两侧、后墙、出水池、前池翼墙等处起挡土作用的挡土墙的设计。
(3)压力水管设计:
对高扬程泵站,出水管道很长,出水管道的投资在总投资中占有很大比重。
必须进行下列计算:
①出水管道布置及并联方式。
②经济管径选择。
③水锤计算。
④镇墩、支墩计算。
(4)压力水箱及出水池结构设计。
(5)压力涵洞设计。
(6)基础设计:
对分基型泵房还包括机房基础结构计算、地基处理计算、机组基础设计等。
1.4.12辅助设备的设计和选型配套
包括管道及其配件、传动、起重、通风、排水、抽真空、量测仪表和设备等的设计、选型、配套。
1.4.13电气设计
包括一次主接线和二次接线以及电气设备和高、低压开关屏的选型、室外变电设计、防雷设计、接地设计和室内配电设计。
以上所给出的步骤,根据所设计的泵站的规模和泵型而不尽相同。
有些小型泵站则凭经验确定结构尺寸,但往往由于泵型选择不当及对泵站进出水缺乏合理的设计,使泵站装置效率偏低或造成工程投资的浪费。
有些则由于缺乏设计而引起工程质量事故,造成不必要的损失。
因此,对小型泵站进行必要的设计和计算是非常重要的。
第2章
小型泵站设计参数的确定
2.1设计标准
防洪、排水、灌溉设计标准,是确定泵站工程规模大小的重要依据,一定要根据国民经济的发展水平和经济效益确定。
对人多地少、工副业发达、经济基础好、农业高产的经济发达地区,设计标准应适当提高,以防一旦失误而造成重大经济损失。
2.1.1防洪设计标准
泵站工程的防洪设计标准,应按泵站建筑物的级别确定。
如表2-1所示。
表2-1泵站工程水工建筑物防洪设计标准
建筑物级别
1
2
3
4~5
洪水重现期(年)
正常运行
>
100
100~50
50~20
20~10
非常运行
500
200
50
对一般小型泵站按4~5级建筑物考虑,按10~20年一遇的洪水设计,按50年一遇的洪水校核。
2.1.2排水设计标准
排水设计标准是确定排涝泵站规模的重要依据。
排水标准定得越高,则装机容量越大;
定得越低,则在暴雨超过设计标准时,排涝历时将比设计情况要增加,作物可能受淹而造成减产或损失。
因此,排水设计标准应以涝区发生一定重现期的暴雨不受涝、渍为准。
其暴雨重现期应进行经济比较确定。
一般采用5~10年一遇的暴雨标准,条件较好或有特殊要求的地区,经过论证,标准可以适当提高。
排水标准中的暴雨历时和排水时期,应根据排涝区的暴雨特性及暴雨量、河网、湖泊的调蓄情况,以及作物的耐淹水深或耐渍情况等具体条件确定。
对于具体有调蓄容积的排水系统,应根据调蓄容积的大小,采用较长历时的设计暴雨或采用一定间歇期的前后两次连续暴雨作为设计标准,其排空调蓄容积的时间,应根据当地暴雨特性,统计分析两次暴雨的间歇天数确定。
各地区所采用的暴雨重现期、排涝设计标准如表2-2所示。
表2-2我国主要地区的暴雨重现期和排涝设计标准
地区
暴雨重现期
排涝设计标准
湖北平原
10年一遇
内排站3天暴雨排至作物耐淹水深,2天排走调蓄水量共5天;
外排站3天暴雨7~11天排完;
用于内排站及排田5天,排渠调蓄水1天,调蓄区1~4天。
湖南洞庭湖区
排田,3天暴雨,3天排至水稻耐淹水深;
排湖,15天暴雨,15天排完,3天末排至田间水稻耐淹水深,5~10天全部排完,其余湖泊蓄水7~10天排完。
安徽巢湖、芜湖、安
庆地区
5~10年一遇
3天暴雨,3天排完排至作物耐淹水深。
江苏水网圩区
大于10年一遇
日雨200mm,2天排出(雨后一天排出)。
浙江杭嘉湖地区
一日暴雨,2天排出,不考虑田间蓄水。
上海郊县
10~20年一遇
24小时暴雨200mm,1~2天排出,不考虑田间蓄水。
蔬菜田当日暴雨,当日排出。
广东珠江三角洲
24小时暴雨2天排至作物耐淹水深(200~300mm)。
江西鄱阳湖区
3日暴雨不成涝。
河北白洋淀
5年一遇
一日暴雨(114mm)3天排出。
辽宁平原
3日暴雨,3天排至作物耐淹水深(130~170mm)。
2.1.3灌溉设计标准
灌溉设计标准是确定灌溉泵站装机容量的重要依据,应根据灌区水土资源、水文气象、作物组成以及工程效益、灌溉成本等情况等合理确定。
灌溉设计标准一般以灌溉设计保证率表示,即:
(2-1)
式中p—灌溉保证率(%);
n—设计灌溉用水量全部获得满足的年份(年);
N—计算的总年数,当采用时历年法计算时,时历年系列一般不应少于15年。
泵站工程设计中,灌溉设计保证率是以保证在比较严重干旱年份时使作物获得丰产所需的灌溉水量为设计标准。
如泵站能解决5~10年一遇的旱情,即100年中有80~90年的灌溉用水可以得到保证,其灌溉保证率为:
p=(80~90)/100=80~90%。
灌溉设计保证率p,对缺水地区,以旱作物为主采用50~75%,以水稻为主采用70~80%;
对于丰水地区,以旱作物为主采用70~80%,以水稻为主采用75~95%。
在以外水为主要水源时,能否取得干旱年所需的灌溉用水量,关键在于外河水位能否保证水泵正常提水。
因此,保证率主要是要求外河枯水位的水位频率,设计时常以灌溉用水期外河80~90%频率的枯水位或历史上最枯水位作为设计依据。
对小型泵站,常以干旱无雨作物需水量最为紧迫时的一次用水量作为灌溉设计标准。
对旱作物区,一般以播前灌水定额为依据(50~60m3/亩)。
对水稻区,以泡田期用水定额为依据,不同土壤的稻田泡水定额如表2-3所示。
对于水源缺乏或扬程很高的地区,应适当降低灌水定额,以节约用水,并扩大灌溉面积。
表2-3水稻泡田定额(m3/亩)
土壤类别
地下水埋深h(m)
泡田定额(m3/亩)
粘土、粘壤土
50~80
中壤土、砂壤土
h<
2m
70~100
h>
80~120
轻砂壤土
80~130
100~160
2.2设计流量的确定
2.2.1灌溉泵站设计流量的确定
(1)无调蓄容积,直接灌溉的灌区
对无调蓄容积,利用干渠作为直接灌溉的泵站,其设计流量按作物生长期内用水高峰段各种作物所需的水量确定。
泵站设计流量按下式计算:
(2-2)
式中Q—灌溉设计流量(m³
/s);
m—用水高峰期时段内各种作物的设计净灌水定额(m3/亩);
A—相应时段内,各种作物的灌溉面积(亩);
T—灌水历时(日)或灌水天数(日),参考表2-4确定;
在经济发达的地区,应取小值;
t—泵站日开机小时(h),对农村及偏远地区,应考虑线路停电的因素,一般取18~20h;
η—渠系水利用系数,与该渠系所控制的面积大小、渠系土质、渠道长度、防渗措施等因素有关。
对于无防渗措施的渠道,η可参考表2-5确定。
对于有防渗措施的渠道,渠系水利用系数η1可按下式计算:
η1=η+α(1-η) (2-3)
α—渠道采取防渗措施后减少渗漏的百分数,与防渗所采用的材料有关。
对素混凝土α=0.85~0.90;
钢筋混凝土α=0.95~1.0;
挂淤后的干砌卵石α=0.5~0.8;
干砌卵石灌浆和沥青混凝土α=0.8~0.95;
粘土α=0.8~0.9;
塑料薄膜α=0.9。
对渠系水利用系数,在初步设计或资料不足时,也可以按灌区规模确定,一般大型灌区采用0.55,中型灌区采用0.65,小型灌区取0.75。
表2-4不同作物不同生长期的轮灌天数
作物名称
生长期
轮灌天数
水稻
泡田水
7~10
棉花
幼苗期灌水
6~10
生育期补水
3~7
花铃期灌水
吐絮期灌水
8~15
冬小麦
播前灌水
10~20
玉米
拔节期灌水
10~15
拔节灌水
吐穗期灌水
灌浆灌水
5~10
灌浆期灌水
表2-5渠系水利用系数
灌溉面积(万亩)
<
1~10
10~30
30~100
渠系利用系数η
0.75~0.85
0.70~0.75
0.65~0.70
0.60~0.65
0.50~0.60
*水稻灌区渠系水利用系数取大值
【例】某灌区共有12500亩耕地,其中稻田8500亩,棉花田4000亩。
全区土壤均为粘壤土。
现6月15日开始泡田插秧,要求8天内完成,在这期间正值棉花现蕾也需浇灌。
试求灌溉泵站的设计流量应为多少,才能满足上述灌溉要求?
【解】根据表2-3,取水稻田泡田定额为70m3/亩,泡田时间为8天,棉花现蕾期灌水定额采用40m3/亩,轮灌时间为8天,全灌区根据土质和灌溉面积大小,渠系利用系数取η=0.85。
泡田期8天,平均每天泡田8500/8=1062.5亩,最大用水流量发生在第八天,泵站不但要提供第八天的1062.5亩泡田用水和4000/8=500亩棉花田灌溉水,还要提供前七天已泡田栽秧的7×
1062.5=7437.5亩的秧苗补水。
一般水稻生育期每昼夜耗水6~10mm,孕穗开花期每昼夜耗水10~15mm,取稻田苗期每日耗水深为8mm。
按灌溉站每天开机20h计算,则每天泡田水和棉花灌溉用水流量为:
m³
/s
第八天秧田的灌溉补水流量为:
灌溉泵站设计流量Q=Q1+Q2=1.542+0.648=2.19m³
(2)有调蓄容积的灌区
在山丘地区,以塘坝水库蓄水灌溉为主,在水库蓄水量不足时,应根据水库塘坝调蓄容量的大小,适当削减设计流量。
在这种情况下,泵站设计流量按下式确定:
(2-4)
式中Q—有调蓄容积时的灌溉补水设计流量(m³
/s);
M—70天的灌溉定额,取300~500m3/亩;
A—灌溉面积(亩);
V—塘坝水库的有效蓄水容积(m3);
N—塘坝水库在70天内的复蓄径流有效次数,在泡田前取N=0.5,在水稻生育期取N=0.5~1.5;
T—抗旱天数,取T=70天;
t—每天开机时数,取15~20h。
【例】某灌区,灌区面积15000亩,有一水库可蓄水2万m3,由于蓄水不足,拟建一补水灌溉泵站,试确定泵站设计流量?
【解】取70天内的灌水定额为500m3/亩,水库复蓄径流有效次数N=1.2,泵站每天开机时间取t=16h,则补水泵站设计流量为:
(3)灌溉模数法
如果灌区作物组成不易确定以及在泵站初步设计时,可根据不同地区历年中灌溉工程的统计资料,按下式计算设计流量。
Q=qA(2-5)
式中q—灌溉模数(m³
/s/万亩)。
平原湖区,取q=1.0~1.5;
丘陵地区、小型灌区,取q=1.0;
大型灌区,取q=1.5~2.0;
A—灌溉面积(万亩)。
综上所述,灌溉设计流量应根据灌溉面积、作物组成、灌水定额、每次灌水延续时间及渠系水利用系数进行计算,同时要加强各级渠道防渗措施,以提高渠系水利用系数。
机组的日开机小时应根据机电设备运行条件、灌溉要求及供电情况确定。
在提蓄结合灌区中计算提灌设计流量时,最好先绘制净灌水率图,而后用调节水量削弱灌水率高峰值,这样可减少提灌设计流量,减小泵站装机容量,降低工程投资。
泵站的装机流量,是指灌溉设计流量和备用机组流量的总和。
但备用机组流量(包括加大流量)不应该超过灌溉设计流量的20%。
对于多泥砂水源和装机台数少于4台的泵站,经过论证,备用机组流量可适当增加。
但在多雨地区以排水为主的泵站,一般可不设备用机组。
2.2.2排涝泵站设计流量的确定(略)
2.3特征水位的确定
2.3.1灌溉泵站的特征水位
2.3.1.1进水池水位
(1)最高防洪水位
最高防洪水位按泵站工程防洪设计标准确定,按表2-1中所确定的暴雨频率确定防洪水位。
该水位是确定泵站机房等具有防洪要求的防洪墙及电机层高程的依据,是保证泵站安全所必需的水位。
(2)最高运行水位
最高运行水位即历年平均最高水位,用于水泵工作点的校核。
对离心泵站,最高运行水位还是确定最低扬程时配套电机功率的依据。
(3)设计水位
从河流和水库取水的泵站,应取历年灌溉期相应于设计保证率的日或旬平均水位作为设计水位;
从渠道取水的泵站,应与渠道设计水位相适应。
设计水位是计算水泵设计扬程的依据。
(4)最低运行水位
从河流取水的泵站,可取历年灌溉期河流(水源)相应于灌溉保证率90~95%的年最低日平均水位作为最低运行水位;
从水库或湖泊提水的泵站,可采用水库的死水位或湖泊的低水位;
从渠道提水的泵站,可采用不低于泵站设计流量40%时相应的水位。
以上各种水位
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