武志兰

（壶关县水利局，山西 壶关047300）

1 工程概况

壶关县八泉峡供水工程的水源工程为八泉峡水库，位于壶关县桥上乡桥上村上游约4 km的八道水河上，流域控制面积75.7 km2，流域平均坡度50‰，流域平均宽度5.3 km，流域主河道长度11.9 km，流域特征值1.1。

水库通过修建拦河坝、提水泵站及相关输水设施，将水提引至壶关县城，以满足城乡生活和工业供水需求。供水工程设计的需水指标，主要包括农村饮水安全工程需水约70万m3左右、发展乡镇企业年预期需水1 200万m3、节水灌溉工程预期年需水量约230万m3，总计需水量为1 500万m3。

由于八泉峡水库调洪库容仅为62.29万m3，防洪（汛期）限制水位为882.50 m；校核洪水标准为200年一遇（P=0.5%），校核洪水位为891.50 m，最大泄流量为1 450.55 m3/s，总库容为205.99万m3，调洪库容为62.29万m3；设计洪水标准为30年一遇（P=3.33%），设计洪水位为889.4 m，最大泄流量为1 009.25 m3/s，拦洪库容为47.24万m3。

2 水文分析

2.1 流域降雨情况

工程区地处晋东南地区，该区受东南亚季风影响显著，形成了较为明显的大陆性气候。夏季东南亚季风盛行，暖湿气团北移，直接影响该区，使降雨量集中在6～8月，占全年降水量的60%～70%；冬季受西北气流控制，气候干冷，雨水较少。该区年平均气温6℃～8℃，无霜期150～180 d，年平均蒸发量（20 cm口径蒸发器）约1 700 mm。

根据距工程区最近的桥上雨量站1954—2005年52年实测逐月降雨量资料统计，工程所在区域多年平均降雨量为655.7 mm，其中汛期（7～9月）多年平均降雨量430.0 mm，约占年降雨量的65.58%。最大年降雨量1 422.7 mm（1975年），最小年降雨量250.9 mm（1986年），最大值与最小值分别为平均值的2.17倍和0.38倍，极值比达到5.67。

2.2 径流

八泉峡供水工程项目区拦河坝址以上河道来流主要包括两部分，其中主要为上游八道泉水来流，河道一年四季清水不断，流量稳定、均匀，年际变化不大，年内分配均匀，此外还有一部分由汛期（6～9月）降水产生的洪水入流，但较泉水来流相比，洪水入流的来流量占年水量比例较小，约为17%左右。

八泉峡供水工程项目区，多年平均入库径流量为2 601万m3，多年平均入库流量为0.82 m3/s。其中，多年平均清水入库径流量为2 171万m3，多年平均清水入库流量为0.69 m3/s，占到多年平均总来水量的83%；多年平均洪水入库径流量为429万m3，多年平均洪水入库流量为0.13 m3/s，占到多年平均总来水量的17%。经径流频率计算后，得到八泉峡水库不同频率年入库径流量，成果见表1。

表1 不同频率年入库径流量成果表

在前述计算的基础上，从32年径流系列中选取了频率P=10%、P=20%、P=50%、P=75%、P=95%的5个典型代表年，分别为1975年、1977年、1985年、1997年、2001年，并进行了径流年内分配计算。

2.3 洪水

八泉峡供水工程区，暴雨历时集中，一日降雨占三日降雨的70%左右。洪水和暴雨一致，主要发生在7、8月份，且工程坝址位于太行山区峡谷地段，河道坡度较陡，汇流时间短，因此洪水峰型一般为陡涨陡落、尖瘦型的过程线。

八泉峡供水工程拦河坝控制流域面积62.8 km2，无实测洪水资料，本次计算依据1991年版《山西省暴雨洪水计算实用手册》进行，其中汇流分析中以推理公式法，配合概化过程线，推求设计洪水流量过程线，并辅以水文比拟法、经验公式法等，对设计洪峰流量成果作合理性分析。

在经过对《手册》计算成果的合理性分析之后，选取推理公式法计算成果作为本次设计洪水成果，设计洪水成果参见表2。

表2 不同频率设计洪水成果表

2.4 泥沙

本次计算采用经验公式，推求得到八泉峡水库多年平均入库悬移质，含沙量为2.58 kg/m3，多年平均入库悬移质输沙量为6.71万t，按照0.20的推悬比，估算出八泉峡水库多年平均入库推移质输沙量为1.34万t。

3 泵站机电设计

3.1 泵站基本参数

在95%供水设计保证率下，八泉峡提水泵站最大抽水流量（抽水规模）应为0.5 m3/s，本次泵站设计即参照此值确定规模。

八泉峡一级泵站特征水位，站下水位变幅范围844.0～882.5 m，站上出池设计水位1 225.5 m。泵站设计净扬程343～381.5 m，泵站设计流量0.5 m3/s。

芳岱二级泵站站下设计水位1 209.0 m；站上出池设计水位1 488.0 m。泵站设计净扬程279.0 m，泵站设计流量0.5 m3/s。

3.2 水泵工作点计算

计算原理根据水泵机组运行台数，对压力输水管道进行管路损失计算。根据所求得管路损失加净扬程，计算出总扬程，绘制Q-h需管路特性曲线，参考泵型样本给定的Q-H特性曲线，求取水泵在不同运行工况下的工作点参数。

各级泵站泵后压力管道为钢管，内衬为涂塑PE，根据《室外给水设计规范》（GB 50013-2006)，采用海曾－威廉公式计算管路损失，公式如下：

式中：Q——流量，m3/s；

L——管道总长度，m；

D——道总管道内径，m；

Cw——海曾－威廉粗糙系数，取值140。

水泵工作点计算结果见表3、表4。

表3 八泉峡一级泵站水泵工作点计算成果表

表4 芳岱二级泵站水泵工作点计算成果表

3.3 水泵台数选择

根据工程供水任务以及供水规模，考虑工程运行的灵活性，投资的经济性并类比同类型工程，本阶段每座提水泵站均选用4台同型号机组，设计工况为3工1备。考虑到八泉峡一级泵站站下水位变幅大，为保证水泵在水位变幅内均能安全高效运行，保证用户供水流量。八泉峡一级泵站4套水泵电动机组，设置4套变频调速装置。二级泵站扬程变幅小，但考虑到用户需水过程的不确定性，以及梯级加压泵站间流量匹配的需要，为芳岱二级站4套水泵电动机，设置1套变频调速装置。

3.4 泵站运行方式

（1）一级站运行既要满足适应站下水位变幅，又要考虑调节流量配水。二级站水位变幅小，开机台数一定时供水流量较为稳定，但要适应用户对不同流量的需求及梯级加压泵站的级间流量匹配的需要。

适应站下水位变幅运行方式，一级泵站正常运行期站下水位变幅大，为泵站设置4套变频调速装置，从而保证一级站无论在设计运行水位变幅内的任一水位下均可抽取用户所需的流量。

调节流量配水运行方式根据用户需水量的大小，当受水点需水量小于设计流量时，两座泵站可根据需要，通过改变泵站开机台数及电机频率，共同实现用户抽水流量要求。

（2）首次启动母管充水工况：设计在泵站某一台固定水泵机组（配变频调速装置）工作阀后设旁通管路，旁通管路上设置检修阀及工作阀，旁通管可配合工作阀，实现站后干管首次启动空管充水工况。

3.5 辅助设备

3.5.1 起吊设备

根据《泵站设计规范》（GB 50265-2010），厂房内起吊设备的重量，根据最重品运部件和吊具的总重量最终确定。起重机的提升高度，应满足机组安装和检修的要求。结合本工程水泵及电机的选型重量参数，设计按规定选电动单梁桥式起重机和单轨吊。

为满足机组设备安装检修起吊要求，一级、二级泵站±0.00层均安装1台5 t电动单梁桥式起重机。

3.5.2 检修设备

泵站机电设备的日常维修和检修，基本按照在厂区内完成考虑，泵站设简易机修设备1套。根据水泵机组的结构形式及其水机设备，初选小型和轻型的车床、简易立车、立式钻床、台钻、小钻床、空气锤、电焊机、砂轮机、风砂轮、手动试压泵等装备泵站的机修车间，以满足泵站的需求。

3.5.3 辅助系统设备辅助系统设备主要包括厂房内排水、消防、水力监测等系统，泵站电机初步选用空冷方式。

3.5.4 排水系统

泵站厂房内的水泵机坑内设有集水井，由排水泵排至厂区外沟道。

3.5.5 水力监测系统

泵站水力监测根据泵站的实际要求设置，本阶段初步确定为：水泵抽水流量、上下游水位、泵出口压力、水泵电动机组的油位、轴承温度等，监测的信号传到中控室。

3.5.6 泵站压力管道检修排水

泵站要在出水干管上安装泄空阀，根据地形直接排至沟道，以满足压力管道检修要求。

4 结论

通过对八泉峡供水工程机电设备部分的泵站参数分析、水泵工作点计算、辅助设备运用分析，两座梯级提水泵站，每座提水泵站均选用4台同型号机组，设计工况为3台工作，1台备用，在各种条件下均满足规范要求，满足工程提水需要。