某橡膠壩壩袋排水異常原因分析及處理

胡珂心，胡衛星

(1．磐安縣農業農村局，浙江 磐安 322300；2．武義縣水務局，浙江 武義 321200)

1 工程概況

某水利樞紐工程由橡膠壩、沖沙閘、船閘及電站等組成，工程控制集雨面積為5 953 km2，是以水面開發為主要目的，兼顧發電、防洪、供水、航運等任務的綜合水利工程。工程正常蓄水位34.62 m，相應庫容723萬m3，電站裝機容量4×1 000 kW，50年一遇設計洪水位39.22 m。工程共布置了3跨充水式橡膠壩，每跨凈寬100 m，固定堰頂高程30.62 m，堰高2.62 m，堰前河底高程28.0 m。橡膠壩設計壩高4 m，內外壓比為1.4，單跨壩袋充水體積2 945 m3，3跨壩袋充水總體積8 835 m3。

橡膠壩充水、排水泵房位于橡膠壩左側，泵房內安裝2臺300HW—12型混流式水泵、操作閥門、進出水管道以及橡膠壩壩內壓力觀測設施等，泵房地面高程為29.62 m。2臺水泵可通過閥門切換，對橡膠壩壩袋進行充、排水。

2 壩袋排水異常情況

橡膠壩建成運行后，發現壩袋塌壩排水時，排水不徹底，致使壩袋發生拍打。壩袋拍打極易導致其磨損，甚至發生脫層、撕裂，嚴重的還會破壞整個壩體，影響工程的安全及效益的發揮。

3 分析處理

3.1 原因分析

為尋找壩袋排水不徹底的原因，從根本上解決壩袋排空的問題，對300HW—12型混流泵進行在本工程中的適用性計算分析。

3.1.1 300HW—12型混流泵性能參數

300HW—12型混流泵設計流量0.22 m3/s，揚程12.5 m，轉速970 r/min，效率85%，配用電機功率37 kW，臨界氣蝕余量4.0 m，其工作性能曲線如圖1所示。

圖1 300HW—12型水泵工作性能曲線

3.1.2 壩袋充水、排水時的揚程

(1)壩袋充水時的揚程

假定充水初期的庫區水位與橡膠壩固定堰頂高程相同，即30.62 m。根據壩袋設計運行規程，壩袋首次充水應先充高至2.0 m，待庫水位上升至2.0 m，再將壩袋充高至4.0 m，即34.62 m。依據上述充水方式，則水泵的設計工況點凈揚程為壩袋高度的1/2，即2.0 m；此時水泵應運行在高效率區，同時所選水泵的揚程也應滿足壩袋內外壓比為1.4時所需的最大揚程。

水泵設計揚程：H=H凈+∑h損

式中，∑h損為充水管道系統的總水頭損失。

考慮最不利情況，按泵房至最遠一跨出水端進行計算，在水泵流量為0.22 m3/s時，充水管道總水頭損失為5.47 m(其中沿程水頭損失為3.97 m，局部水頭損失為1.50 m)，水泵設計揚程為7.47 m，水泵最大揚程為11.07 m。

以上計算說明，300HW—12型水泵的揚程明顯偏高。實際工作時，水泵流量在大于0.22 m3/s且揚程低于11.07 m、高于7.47 m的工況下運行，水泵運行效率低。

(2)壩袋排水時的揚程

當3跨壩袋過水50 cm時，壩袋開始塌壩排水，同時河床水位因洪水而抬高。因此，排水時水泵揚程取決于壩袋內水位降低與下游河床水位抬高之間的相互關系。當壩袋水位高于下游水位時，采用自排的方式，以節約能耗；當壩袋水位低于或與下游水位持平時，開始機排。假定壩袋完全排空前，河床水位為34.62 m(警戒水位)，則排水時，水泵的最大凈揚程為34.62-30.62=4 m(實際上，壩袋內的水在庫區水位升至34.62 m前排空，因此凈揚程應小于4.0 m)。根據充水時管道水頭損失計算，當水泵流量為0.22 m3/s時，排水管道水頭損失5.47 m，水泵排水時最大揚程為9.47 m。

水泵運行設計工況點還應考慮凈揚程實際達不到4.0 m。從實際塌壩情況看，壩袋內外水位高差多在2.0～2.5 m；從排水揚程看，與充水時接近。

3.1.3 水泵運行時實際氣蝕余量

水泵的正常工作是建立在正常的吸水條件下，即水泵的實際氣蝕余量必須大于臨界氣蝕余量，300HW—12型水泵的臨界氣蝕余量為4 m。在充水時，由于吸水管路短，水泵軸心低于吸水面0.5 m，所以吸水條件在充水時可以滿足要求。

在排水時，原充水管道改作吸水管道使用，吸水管道距離長，其管道的水頭損失是影響吸水條件的主要因素。為保證300HW—12型水泵的正常工作，要求：

Hsv=ha-hva-∑hs+Hss≥4 m

式中，Hsv為水泵實際氣蝕余量，Hsv值越大，水泵的吸水性能和抗氣蝕性能越好；ha為吸水表面的大氣壓力，取海拔36 m，ha≈10.25；hva為該水溫下的氣化壓力，20 ℃時，hva=0.24；∑hs為吸水管路總水頭損失；Hss為水泵安裝高度。

根據管道特性曲線和水泵特性曲線，求解水泵工況點。

管道特性曲線：H需=H凈+KQ2

水泵特性曲線：H=H0-S0Q2

式中，K為管道特性系數，對已知管路系統為一常數；H0為流量為零時的水泵揚程；S0為泵內能量損失系數。

H0和S0值可在水泵性能曲線上任取兩點(H1，Q1)和(H2，Q2)，分別將其坐標值代入上式中，即可求解出：

H0=H1+S0Q12=H2+S0Q22

因在工作點處有H=H需，即有：

H凈+KQ2=H0+S0Q2

由此可得：

管道特性系數K值由壩袋充水時的揚程計算：

7.47=2+K×(0.22)2，K=113.02。

泵內能量損失系數S0值可在水泵特性曲線上任取兩點坐標(0.165，13.7)和(0.25，11)，則：

H0=H1+S0Q12=13.7+76.54×0.1652=15.783

當水泵在塌壩時，取最大凈揚程4.0 m，同時假定水泵工作仍符合其性能曲線，則：

H=H凈+KQ2=4+113.02×0.2492=11.01

∑hs=KQ2=112.6×0.2492=7.01

上述計算表明：當水泵排水最大靜揚程4.0 m時，水泵的流量為0.249 m3/s，揚程11.01 m，吸水管道水頭損失達7.01 m；相應的氣蝕余量為<4 m，水泵將產生氣蝕，導致水泵不能正常工作，無法排空壩袋內積水。

3.2 處理

通過以上計算可知：原所選水泵揚程偏高，水泵運行時偏離高效率區；壩袋排水時，水泵吸水管長、流量大，吸水管道水頭損失大，不能滿足水泵的氣蝕余量，導致水泵產生氣蝕，不能正常工作，使壩袋塌壩時排水不徹底。由于現狀充水、排水管道不可改變，管道特性已確定，只有用其他型號的水泵來替代，以與現狀的管道相匹配。

經計算，選擇300HW—8型混流式水泵替代原水泵。300HW—8型混流泵設計流量0.22 m3/s，揚程8 m，轉速970 r/min，效率84%，配用電機功率22 kW，臨界氣蝕余量4.0 m，其工作性能曲線如圖2所示，計算如下：

圖2 300HW—8型水泵工作性能曲線

(1)管道特性曲線不變

K=113.02

H=H凈+113.2Q2

(2)計算水泵特性曲線

任取兩點坐標：(0.20，8.5)和(0.25，6.5)。

H0=H1+S0Q12=8.5+88.89×0.22=12.41

(3)計算排水時氣蝕余量

①當庫水位34.62 m，壩袋內水位30.62 m時，H凈=4 m。

H=12.41-88.89Q2=12.41-88.89×0.202=8.85

∑hs=∑SQ2=113.02×0.22=4.5

此時：

Hsv=10.25-0.24-4.5+0.5=6.0 m>4.0 m(臨界氣蝕余量)

②同上方法計算，當庫水位33.62 m，壩袋內水位30.62 m時，H凈=3.0 m，Hsv=5.24 m>4.0 m；當庫水位33.62 m，壩袋內水位32.62 m時，H凈=1 m，Hsv=6.11 m>4.0 m。

300HW—8型混流式水泵在本工程壩袋排水時，水泵實際氣蝕余量大于臨界氣蝕余量，且在高效率區運行，適合本工程使用。更換水泵后，壩袋充水、排水情況一直正常。

4 結 語

為橡膠壩充水、排水的水泵，在水泵選型時，不僅要計算充水、排水兩種工況的流量、揚程，而且由于排水時吸水管道長，要復核實際氣蝕余量是否滿足水泵的要求，以避免因水泵發生氣蝕，使水泵不能正常工作。如果一種水泵不能同時滿足橡膠壩充水、排水的要求，則充水泵、排水泵應分別設置。