上海陈行水库长江取水泵房

徐惠良 刘佩华 方思久
(中国船舶工业总公司第九设计研究院)

　　陈行水库长江引水工程是上海市城市供水新开辟的第二水源工程，工艺流程如图1。

　　陈行水库长江取水泵房位于上海市宝山区东北的长江中，设计总规模为140×10⁴m³/d，分二期建设，一期土建按140×10⁴m³/d一次建成、设备安装按40×10⁴m³/d规模设计。
　　由于泵房建于我国最大的河流长江的河口段中，技术难度大；一期又要求建设周期短、投资省；作为城市供水的取水泵房还需日夜连续运行，因而必须安全、节能。为此在设计中经多方案反复比较，采用了多项新技术，不少为国内首次应用。

1 工程概况

　　工程由两个直径为10.5m的蘑菇形取水头(钢制)、两根直径为2.6m的重力进水管(钢制)、一座内径和总高度都为28m的钢筋混凝土泵房、两根直径1.6m和两根直径1.8m的虹吸出水管(钢制)、栈桥和水库内消力池等六部分组成。此外在取水头上、下游两侧各设一个安装有航标灯的标志桩(钢制)。取水泵房工程总布置见图2。

　　泵房所在河段系长江河口段，江水经本河段向东南流入东海，平均年径流量为9250×10⁸m³，多年平均流量为29300m³/s，水量能满足取水要求。本河段系往复流感潮河段，每日有两次涨落潮，平均潮位2.19m(吴淞标高计，下同)，最高潮位6.1 m，最低潮位-0.30m。一年内又受上游来水量影响，径流有明显的季节性变化，5月--10月的径流量占年径流量的71.7%，11月--来年4月仅占28.3%，因而夏季潮位高，冬季潮位低；枯水年份上游来水量减少，海水入侵，本河段会出现咸潮，一般发生在11月--来年4月。严重咸潮常出现在流量最小的2月—3月，其时水中氯离子浓度明显超标，其它水质指标均符合地面水Ⅰ、Ⅱ类标准，尤其是致突变试验全部为阴性。
　　陈行水库的设计水位为：设计高水位7.25m、设计低水位0.00m、设计常水位5.50m。

2 泵房设计规模和工况

　　正确分析运行工况是取水泵房设计的关键。取水泵房功能除了要满足受水水厂的原水需求外，更重要的是满足水库蓄淡避咸的需要。因此泵房的设计规模和工况分析必须考虑咸潮期长江水中氯离子浓度的变化、水库容积、受水水厂的需水量和长江引水工程建成后的运行方法。
　　此泵房设计最高水位按百年一遇确定，按千年一遇校核；设计枯水位的保证率取99%，咸潮期氯离子浓度≮400mg/L?的保证率取90%。
　　对陈行水库长江引水工程六种运行方式分析，泵房设计规模主要由一个咸潮过后抢水运行方式来确定。这种情况下，又主要取决于设计水文年氯离子变化规律、水库容积、输水规模、湖面蒸发和水库渗漏水量。因此，长江取水泵房的运行工况为：
　　① 正常情况下，水库水位为5.50m、长江水位平均为2.19m、总取水量为140.9×10⁴m³/d；
　　② 咸潮期到来前，水库水位从5.50m升至7.25m，由于水库单位水位差所对应的容积随水位增加而增加，所以水库的平均水位为6.25m，这期间长江的平均潮位要略低于年平均潮位，取2.00m，总取水量为140.9×10⁴ +30×10⁴ =170.9×1010⁴m³/d(即考虑用约两周时间将水库蓄满)；
　　③ 咸潮期水库水位为7.25m，这期间长江平均潮位要低于年平均潮位，取1.70m，总取水量为140.9×10⁴m³/d；
　　④ 一个咸潮过后抢水运行，按最不利的情况考虑，水库水位为0.50～7.25m，平均为5.50m，而这期间长江平均潮位更低，取1.00m，总取水量要求为249.55×10⁴m³/d。
　　此外，取水水泵还应考虑在长江水位处于设计最低水位0.00m、水库水位处于最高水位7.25m，即净扬程最大的情况下不仅能正常运行，而且能正常启动(因为本泵房采用虹吸出水方式)。

3 取水泵选型

　　经大量调研和比较，在国内城市供水工程中首次采用斜流泵，它是引进美国英格索兰公司技术生产的斜流泵系列，具有单座安装等特点，技术先进，并已在电厂中使用。从整体看64KLXE—6型斜流泵效率高于其他类型泵。本工程分二期建设，一期需两台，一用一备，因此，以采用四台泵的方案比较合理。泵的进水流道尺度也是一个重要因素，它直接影响到泵房的结构尺度，而且在圆形泵房中进水流道还要与泵的台数所决定的泵房尺度相匹配，64LKXE—6型泵为矩形流道，长度要求6.0m。一般而言，肘形流道施工和泵的安装检修难度较大，经平面布置比较，以采用四台64KLXE—6型泵和矩形流道最适宜。
　　一期由于只需供水20×10⁴m³/d，两台泵即能满足取水要求。但为满足二期全部建成后达160×10⁴m³/d的要求，将二期拟建的两台泵改为64LKXE—9型，并将出水管管径改为1.8m。改型后的运行参数见表2。

4 泵房工艺布置

　　由于泵房建于江中，除6.3kV电源由岸上通过电缆供应外，其余各种动力、生产和生活用水都必须自备。为此，除主泵取水系统外，本泵房还需设置压缩空气系统、真空系统、净水系统、循环冷却水系统、水质监测系统、变配电系统、数据通信系统、污水处理系统以及值班人员的生活设施等等。在陆上建这样一个泵站，占地面积一般需1hm²左右。而本工程建造在水中，平均造价在2.5万元/m²以上。因此如何合理地布置，使在满足功能要求的前提下，求得最经济的效果，是工艺布置的重要课题。设计采用立体布置方式，借天、借“水”，充分利用每一个可利用的空间合理布置。
4.1 泵房尺度
　　泵中心距为5.0m，布置四台泵，泵房(+6.5m)层长20m，+8.6m处设平台和纵向走道，主泵房尺度定为26m×9m。由于泵房水下部分结构形式采用圆形，所以将主泵房布置在圆的后半部分，在前半部分设置前池，经计算和调整，确定最经济的水下结构内径为28.0m。
4.2 前池及配水形式
　　重力进水管需敷设在河床底部，工程量大、造价贵，且造价与根数成正比；为取水安全，至少需要两根，经比较后采用两根直径为2.6m的重力进水管。这两根管与四台水泵之间的配水是工艺设计的又一个重要课题。常规方法是采用孔洞配水方式，但其水头损失大，所需的前池长度长，而且隔墙工程量很大，一般在长方形的沉井结构中结合沉井内结构所需的钢筋混凝土隔墙设计。本设计采用先进的前池加底坎的配水方式，这种配水方式前池内的水头损失仅490Pa，比孔洞式配水可减少4.9kPa以上，一年能节电70×10⁴kW·h，而且前池内无隔墙，减少了工程量和造价，经济效益十分显著。这种配水方式与斜流泵的湿井式吸水流道衔接非常完美。设计将两根重力进水管的中心距和管内流速、前池的形状和尺度、斜流泵进水流道的尺度、底坎的位置和高度综合在一起考虑，经反复试算，确定前池为梯形，长10.6m，前部宽14.0m，后部宽18.8m；重力进水管中心距8.4m；底坎中心线长16.8m，底坎高1.0m，坎前池底比坎后加深0.3m，坎中心离前池前壁2.5m。经水力模型试验，证明设计计算正确，在低水位四台泵同时运行时，前池内水流仍较平稳。二期投产后四台泵同时运行时前池水流很平稳。
4.3 竖向布置
　　前池底标高取决于设计最低水位、水泵最小淹没深度和水泵吸水喇叭口离池底的距离。据有关规范，喇叭口离池底的距离为喇叭口直径的0.5倍。经河海大学水力模型试验表明，0.5倍该直径时水泵效率比0.3倍时提高6.27%～8.32%，不仅每年节电196×10⁴ kW·h，而且能增加20×10⁴m³/d的水量。设计长江最低潮位取0.00m，水泵最小淹没深度1.45m，经水力计算前池底标高取-4.70m。
　　长江最高潮位为+6.10m，考虑风浪等因素，结构层顶面即泵房室外地坪面标高定为+8.50m；主泵房内泵层即电机层标高为+6.50m，平台面标高为+8.60m。主泵房轨顶标高+19.50m，屋顶标高+23.40m。
4.4 平面布置
　　为了在有限的泵房内布置上述诸多系统的设备，利用前池壁与圆形井壁之间两个半月形空间设置了-2.0m、+2.0m和+5.5m三层辅助用房，分别布置了循环冷却水泵、循环冷却水池、取(长江水)样泵、自用水取水泵和吸水井、二级泵和清水池、反冲洗水泵、工具间等，充分利用了+8.50m以下的所有空间。+8.50m结构层向外挑出3m，一则防风浪，不让风浪拍打到+8.50m平面上；二则增加上部的使用面积。在主泵房的东侧，底层(+8.50m)布置了供生产和生活用水的净水间、污水处理间，二层布置水质分析监测间；在南侧布置了二层电气用房和总控制室。两侧虽都为二层，但同层面的标高均按使用要求设置，不在同一标高上，相互之间用楼梯、走道、踏步相连，使之结合成为一体。

5 虹吸出水管

　　考虑泵房运行操作维修的方便和安全，同时也受泵房内空间的限制，取水泵的出水管采用虹吸出水形式。这不仅不增加泵房尺度，节约工程造价，还节省了大阀门的费用，节省电能。由于泵房中心离水库外堤中心线为80m，外堤的底宽又大，因此虹吸出水管的投影长度达122m。驼峰位置有两个方案：①设在泵房一端；②设在水库内出水管的末端。后者在技术上比较成熟，但需要在水库内筑操作平台和引桥，开、停泵时操作人员需往返200m以上，遇到紧急情况或恶劣天气，非但不便，而且很不安全。因此将驼峰设在泵房一侧，驼峰顶距泵房中心为23m，但这样做，在驼峰后有近100 m长的平段。考虑安装和维修方便及平段穿坝体段尽可能短，平段管中心确定为+5.50m，这样平段又将驼峰的下降段分成两段，即驼峰下降段和出口下降段。这种虹吸出水管形式国内外尚无先例，技术上难度大。当水库水位低于平段管顶标高而又高于出口管顶标高时，整个驼峰段和平段内有大量空气。这时如启动水泵，驼峰前上升段内的空气可以从设置在驼峰顶部的真空破坏阀排除，但驼峰后下降段和平段内的空气能否迅速排除是一个难题，也是一个关键问题。经分析，设计在平段末端加设了一个排气管，并预留了备接排气阀门的法兰接口。经河海大学水力模型试验验证，平段末端若不设排气管，虹吸形成时间达5min，启动扬程高达141.2kPa，而且虹吸形成后出口段不断有空气泡带出；若在平段末端设置排气管，则虹吸形成时间缩短到2min以内，启动扬程也降到113.0kPa。这证明在平段末端设置排气设施十分有效和十分必要。建成投产后，实际上水泵启动后20s内驼峰顶部先排气，一般在20s后平段末端排气，总计不到1min可形成虹吸，完全达到设计的预期效果。

6 泵房结构设计

6.1 格形钢板桩结构
　　该结构的钢板桩深度是根据防止灌涌、土体隆起确定的，为-18.0m，而挖土深度取决于泵房底标高，仅需挖至-6.4m，也就是说格形钢板桩结构比沉井可少挖深11.6m，相应也少回填11.6m，这部分的工程费用可省450万元。格形由164块PU16型拉森钢板桩拼合成直径31.32m的格形结构，钢板桩长度23.5m，钢板桩顶标高+5.50m，底标高-18.00m，打入第三层灰褐色亚粘土。本工程的格形钢板桩用作泵房结构，格体内不回填料，而是要挖深后创造施工条件，格体结构既是受压，又要能止水，所以不宜采用板形钢板桩，而必须采用有围令支撑的槽形钢板桩。
6.2 格体内钢围令
　　设计根据波浪力、海流力、风力、格体内外的水位差和泥面差，满足钢板桩和钢围令的结构强度以及格体的整体稳定，上下设置五道围令，各道钢围令随着格体内抽水、挖泥深度自上而下逆作法安装。
　　钢板桩按上下围令的布置，计算在外力作用下，控制钢板桩的应力不超过210MPa，钢围令由于是受压结构，所以主要控制稳定性。根据资料，围令的直径和围令高度之比不大于35∶1，本设计采用25∶1(31.32∶1.25)。
6.3 泵房基础
　　为避免和减少泵房的沉降，泵房基础采用桩基，设计结合施工平台桩，在泵房范围内设置了37根直径为600mm的钢管桩。由于采用桩基，泵房在施工期间总的沉降量不超过1cm，11个月后土壤固结，沉降基本停止。
6.4 泵房壁和底板
　　泵房钢筋混凝土底板厚度1.7m，外壁厚度1.5m。内部隔墙根据工艺要求布置，厚度1.0～1.2m。底板、壁、内隔墙为整体结构。+8.50m以上建筑的钢筋混凝土框架也与泵房结构形成整体。

7 结论

　　陈行水库长江取水泵房施工、安装周期仅17个月，其设计采用的先进技术和方案是顺利施工和投产的决定因素。投产后5年多来，泵房结构沉降仅1cm，四台泵一直正常运行。1996年2月—3月长江出现较严重的咸潮，长江取水泵房完全满足设计要求。经过几年运行，以长江水为水源的水厂出水水质优良，长江水源的优越性越来越明显，因此陈行水库长江取水泵房工程的经济、社会效益十分明显，也为大江河口地区城市取水积累了有益的经验。

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　　(收稿日期 1998-11-23)