南顺泵站枢纽工程改造方案比选及运行管理方法研究

李可驱

(广州市南沙区水务局，广东 广州 510000)

0 引言

随着经济社会快速高质量的发展和城镇建设步伐的加快，区域的防洪、排涝等问题日益突出[1-4]。泵站作为水利工程的组成部分,担负着区域防洪排涝和改善水生态环境的重要任务,泵站工程建设的施工管理不同于一般水利工程，具有结构复杂、施工难度大等特点。目前大量学者就泵站工程建设现代化管理理念、建筑物运行安全评价等方面做了大量的研究工作[5]。例如：周伟丰和罗林峰[6]以盐官泵站为研究对象，通过分析盐官泵站快速闸门、拍门振动晃动的原因，提出改进措施，经过实际调试取得了较好效果，可为减缓快速工作闸门振动提供参考；刘省清[7]通过综合性分析更新改造案例，确定管理过程中的漏洞，提出针对性解决策略，促进景电一期大型泵站土建施工管理质量提升，为后续管理工作提供重要支持。然而，现有研究较少从建筑物规划，工程运行和环境保护的综合角度进行提升管理实践的探究[8-9]。

广州市南沙区南顺排涝区是所在区域番顺联围排涝问题最复杂的区域，目前仅靠水闸自排无法满足区域内的排涝要求，而且南顺南闸建于1968年，闸门老化、破损严重，各项运行指标均不能满足要求，急需全面更新改造或重建。本文以南顺泵站改造工程为例，针对南顺排涝片的农田及居民的排涝问题，从建筑物型式规划布置、工程运行及管理和环境管理及保护的规划管理角度进行研究，以期通过科学、规范、系统的管理提升工程质量，为完善区域防洪排涝体系提供一体化支撑。

1 工程概况

广州市南沙区地处广东省中南部，珠江三角洲腹地，位于穗港澳“小三角”的中心位置，总面积770.13 km2。根据《广州市南沙区水利现代化综合发展规划报告》，南顺泵站位于番顺联围南顺排涝片(内含大滘涌和围内顺德的区域)，南顺排涝区包括灵山镇区以东及大岗镇所属区域，主要包括灵山镇区以东飘风涌、大滘涌、中滘涌的控制区域，以及现状大岗镇(包括原大岗镇)所包括的全部区域，这也是潭洲沥和大岗沥的控制区域。该区域内除大岗镇区所在地有部分台地外，其他区域地面高程大都在-0.7 m～0.7 m，番顺联围内地势最高和地势最低的区域都位于该控制区。

广州市南沙区境内有省属气象站市桥站一个，观测项目有雨量、气温、风速、风向等。南顺南闸、南顺泵站上下游及邻近地区有三善滘、南沙站等潮(水)位站。本地区没有流量实测成果(仅有部分临时测流断面)。各潮位站概况见表1。

表1 各潮位站资料概况表

2 建筑物型式规划布置

现南顺南闸位于南沙区大岗镇潭州沥，距河口约200 m，另外在原南顺水闸左岸、大岗沥出口前约300 m建有南顺北闸，两闸之间现状为一天然洲头。两闸目前分别处在大岗沥和潭州沥的主河道上，闸外为上横沥水道。为不改变目前的河道流态，并且尽量减小征地拆迁的原则，重建南顺南站仍然在原址重建。新建泵站则布置在两闸之间的天然洲头上。

2.1 水闸型式选择

2.1.1 闸室结构型式选择

按泄流特点，水闸可分为开敞式、胸墙式、双层式等基本型式；按堰流特性，可分为宽顶堰和实用堰等。两者可组成多种闸型。根据工程规模分析，并根据类似工程类比，初拟闸室为5孔，单孔净宽10 m。对于孔数较多、宽度较大的闸室，一般宜采用开敞式或胸墙式的结构型式。考虑排涝要求较高，推荐采用开敞式。对于闸室结构有以下两种方案：

(1)方案一：实用堰

实用堰型水流条件较好，但泄流能力受尾水位变化影响明显，泄流能力不稳定，且施工较复杂。

(2)方案二：宽顶堰

宽顶堰具有宣泄推移质泥沙顺畅，底板不易破坏、磨损，结构简单，施工方便，泄流能力稳定等优点，但自由泄流时，流量系数小，容易产生波状水跃

对于上述方案，由于本工程处在外江堤防上，水位变幅较大，采用宽顶堰型较为适宜。综上所述，闸室结构采用开敞式宽顶堰型闸室结构。

2.1.2 水闸闸门及启闭设备

根据枢纽工程任务，水闸有双向挡水要求，可供选用的闸门有直升式平面闸门、平面定轮翻板式工作闸门或弧形闸门。直升式平面闸门通常采用钢丝绳卷扬启闭机或竖缸液压启闭机启闭，需设高排架启闭机房或竖缸露在闸顶面，影响城市景观，不适宜本工程位于规划中的城市特点。对于闸门选择有以下两种方案

(1)方案一：弧形闸门

弧形闸门具有重量轻、受力条件好、比同跨度平面闸门要求的启闭机容量小、启闭机运用灵活、不需设置门槽、过闸水流顺畅等优点。但与平板闸门相比，所需闸墩较平板门长，增加砼量，闸墩受到闸门推力作用，拉应力集中，钢筋用量较大；弧形门不能提出孔口，检修维护不如平板门方便，闸门支座和部分支臂淹没经常处于水下等。

(2)方案二：平面定轮翻板式工作闸门

平面定轮翻板式工作闸门可以明显降低启闭机排架的高度，提高了建筑物抗震能力，减小了工程量，安装闸门也较为方便，与弧形门相比具有闸墩短、结构简单、建筑物工程量小等优点，但平面定轮翻板式工作闸门在运行中存在一些问题，例如在开启过程中底缘流态不太好，止水磨损过大等。

对于上述方案，本阶段采用平面定轮翻板式工作闸门，采用固定卷扬机启闭。

2.2 泵站型式选择

2.2.1 水泵型式选择

南顺泵站扬程变化范围为0.8～3.8 m，属低扬程范围，采用轴流式水泵较为合适。轴流泵的特点是高比转速、低扬程、大流量，在低扬程工况下输送大流量液体时具有较高效率，可较好满足水泵在低扬程工况下运行的需要。

水泵结构型式有立式、卧式和斜式三种。卧式泵结构简单、检修方便，但低扬程卧式轴流泵吸水管路长，水力性能不理想，且效率较低，泵房平面尺寸较大，启动前需充水，适用于进水池水位变幅不大的场合；斜式泵流态较好，泵站效率高，安装检修较方便，但需专门的支撑结构，电动机类型较特殊，施工安装较困难，且土建及机电费用较高；立式泵占地范围较小，叶轮浸没在水中，启动方便，管路短，水头损失小，电动机层较高，通风防潮条件较好，对进水池水位变幅适应性较强，但土建结构相对复杂些。

综合考虑，选用运行可靠、技术成熟、费用适中的立式轴流泵。

2.2.2 水泵台数选择

因本工程所属排涝泵站的运行工况随降雨量的变化而变化，随机性较强，流量变化幅度较大，泵站装机台数不宜太少，而装机台数多了，泵站水工投资将增加。为保证参数优、运行方式灵活、效益高的原则，针对本工程具体情况有提供以下两种方案：

方案一：5台机方案：1600ZLQ9-3.5立式全调节轴流泵，单泵设计流量9 m3/s。

方案二：6台机方案：1400ZLB8-3.5立式半调节轴流泵，单泵设计流量7.5 m3/s。

(1)水泵性能比较

5台机和6台机方案水泵性能比较见表2。

表2 水泵主要性能比较表

根据水泵厂家提供的资料，1600ZLQ9-3.5立式全调节轴流泵和1400ZLB8-3.5立式半调节轴流泵的性能曲线分别见图1和图2。

图1 1600ZLQ9-3.5型轴流泵工作性能曲线 图2 1400ZLB8-3.5型轴流泵工作性能曲线

针对上述两种方案，由5台机和6台机方案水泵性能参数可知，两种泵的扬程和流量均能满足设计要求，在设计扬程和最高扬程之间，两种泵均能在高效区运行。但在相同工况下，5台机方案的效率更高，且5台机方案的高效区扬程相对偏低，这更有利于平均扬程时抽水。故从水泵性能方面来比选，应推荐采用5台机方案，即5台1600ZLQ9-3.5立轴全调节轴流泵。

(2)泵站装置效率比较

根据工程特征参数，参考同类工程，泵站装置效率计算公式如下：

η站=η泵×η管×η池×η传×η机

(1)

式中：水泵效率为η站为泵站效率；η泵为水泵效率；η管为管道效率；η池为水池效率；η传为传动效率；η机为电动机效率。

对于5台机方案，当H设=3.3 m时，Q=9 m3/s，水泵效率为η泵=85.7%。取传动效率η传=100%，η池=97%，η管=92%，电动机效率η机=92.2%，则泵站装置效率η站为70.5%；对于5台机方案，当H设=3.3 m时，Q=7.5 m3/s，水泵效率为η泵=79.4%。取传动效率η传=100%，η池=97%，η管=93%，电动机效率η机=89.6%，则泵站装置效率η站为64.2%。

由以上计算可知，采用5台机方案和6台机方案时，泵站的装置效率均满足规范要求(净扬程低于3 m时，泵站的装置效率不低于60%)。但采用方案一时的泵站装置效率明显高于采用方案二时的泵站装置效率。5台机方案泵站装置效率较优。

(3)工程投资

6台机方案工程投资较5台机方案略高。

(4)运行管理

本泵站以排涝为主，兼顾改善水环境，泵站年运行小时数不高，5台机方案运行调度简单，运行费用也较低。

(5)综合比选

综合比选如表3所示，从技术经济综合比较，选择5台机方案更合适，本工程推荐采用5台机方案，水泵型号为1600ZLQ9-3.5的立式轴流泵。

表3 水泵选型综合比选表

3 工程运行及管理

工程管理是发挥工程效益的关键，只有加强和提高管理水平，才能充分发挥工程的综合效益和潜在效益。尤其在平原感潮河网地区，系统的工程只有实行系统的管理和长效管理，开展实时的调度，才能充分发挥群体工程的作用。

3.1 工程调度

当番禺气象台天气预报工程区1天后将要出现日雨量为120～250 mm以上的暴雨、大暴雨和特大暴雨时，南顺水闸在雨前低潮开闸预排，把闸下水位降低至至-0.5 m，以腾空涌容，关闸候雨，其他外江水闸群亦同时关闸运行。暴雨来临时，排涝区域内雨洪下泄，河涌内水位持续上涨，待外江水位低于内涌水位时开闸抢排，当涌内水位低于-0.5 m时关闸；待外江水位高于内涌水位时关闸，利用涌口泵站抽排，泵站起排水位设定为0.3 m，保证涌口水位不超过排水控制高程1.2 m。

3.2 工程观测

工程安全观测是工程管理的耳目，是保证工程安全，充分发挥工程效益的一项基本工作。在水闸管理工作中应当认真执行有关规定，“贯彻安全第一的方针”，高度重视安全监测工作。

工程观测主要包括：巡视检查、日常观测及资料分析、定期安全评估以及监测系统和水情自动化系统的日常维护等各项工作。

3.2.1 人工巡视检查

巡视检查是安全监测的重要环节，应定期由熟悉工程并具有实践经验的工程技术人员负责进行。巡视检查分为施工期人工巡视检查和运行期人工巡视检查。每年在汛前、汛后以及发生有感地震后必须作巡视检查。

3.2.2 水情自动化系统

南顺泵站工程测报系统更新原则是：将根据现场通信线路的测试结果拟采用超短波通信方式为数据传输主信道，公用程控电话(PSTN)通信网为备用信道。系统改造后，将满足洪水预报以及为工程运行调度提供依据。

4 环境管理及保护

环境管理是工程管理的一部分，是工程环境保护工作有效实施的重要环节。环境管理的目的在于保证工程各项环境保护措施的顺利实施，使工程兴建对环境的不利影响得到控制或减免，促进工程地区社会经济与生态环境相互协调的良性发展。

4.1 环境监测

环境监测的目的是做好工程区的环境保护工作，及时掌握施工期废水、废气、噪声、弃渣产生及排放情况，施工期评价环境质量，预防突发性污染事故对环境的危害，为工程区的环境保护及污染控制、环境监理和环境管理提供科学的依据。包括：水质监测、环境空气质量监测、噪声监测和人群健康监测等。

4.2 环境保护

环境保护主要采用水环境保护、生态环境保护、人群健康保护等措施。

4.2.1 水环境保护

施工人员产生的生活污水中含有的主要污染物为BOD5、COD和总磷，由于本区市政管网建设较滞后，无专用污水排放管网和设施，故施工及管理人员生活废水须经过处理后可用于农灌，禁止排入河道。

4.2.2 生态环境保护

本工程对生态环境的影响主要是工程建设引起的水土流失。要求施工单位严格执行《中华人民共和国水土保持法》，科学安排，加强监管，严格按施工组织设计进行施工，避免乱挖乱堆。在主体工程施工区进行基坑开挖和回填，遇到雨天时，可采用塑料薄膜对裸露面进行防护，减少径流冲刷侵蚀，并及时进行基坑排水。

4.2.3 人群健康保护

为防止施工人员将传染性疾病带入施工区，在施工人员进场前进行卫生检疫，项目主要包括传染性肝炎、肺结核、流脑、疟疾等传染病流行性疾病，限制传染病患者进入施工区，切断传染病的传染源。

针对工地就餐集中特点，应加强对施工区食堂的卫生监督与管理，保证饮食的清洁卫生。生活用水执行国家《生活饮用水卫生监督管理办法》和《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)。

5 结语

本文以南顺泵站改造工程为研究背景，从建筑物型式规划布置、工程运行及管理和环境管理及保护的规划管理角度进行研究论述，结果显示：

(1)采用5台机方案和6台机方案，泵站的装置效率均满足规范要求，但采用5台机时的泵站装置效率明显高于采用6台机时的泵站装置效率，从技术经济综合比较，选择5台机方案更合适。

(2)工程管理是发挥工程效益的关键，加强和提高管理水平，有助于充分发挥工程的综合效益和潜在效益。

(3)泵站的建设大大改善了本区的水环境，对整个环境是有利的。其充分结合城市景观的需要，了改变一江两岸的自然风光，美化了城市环境。