小型泵站的设计
小型泵站设计
第1章小型泵站设计概论
1.1 小型泵站的特点
1.1.1 泵站定义
泵站是以抽水为目的，由一整套机电设备和为其配套的土建工程设施所组成的水工建筑物。机电设备是由作为核心设备的水泵及其配套的动力机、传动装置、管道系统、电气控制设备和相关的辅助设备所构成。配套土建工程包括泵房及上部结构，进、出水建筑物及其配套的控制涵、闸等。从广义上说，由泵站及其相连的引水灌排系统和附属的管理设施则一起构成泵站系统。
1.1.2 泵站分类
在我国的农业生产中，排灌泵站（习惯上把这一技术措施称之为机电排灌）己成为农业稳产高产、旱涝保收的重要保证。同时，随着国民经济的迅速发展，泵站已从单一的农用排灌发展到工业、交通、电力、船舶、城市供排水及防洪等国民经济的许多重要部门。从总的方面分类，根据泵站的用途、规模、泵型或动力类型的不同，泵站有其不同的名称。按其用途可分为灌溉泵站、排涝泵站、排灌结合泵站及补水（补库）泵站四种；按泵站规模又可分为大、中、小型泵站；按泵站的提水高度又可分为高扬程泵站、中等扬程泵站及低（超低）扬程泵站；按水泵的配套动力类型可分为电力泵站、机力泵站和机电混装泵站；按其所用的水泵类型又可分为轴流泵站、混流泵站、离心泵站、圬工泵站及潜水泵站等几种。
本设计所涉及的泵站范围主要是流量在10 m3/s以下、泵的口径不超过500mm的泵型及单级扬程不超过50m的泵站。
1.1.3不同类型地区泵站的特点
根据不同类型地区的特点，其所建泵站无论是泵型还是泵站的型式都体现出不同的特点。
（1）低洼圩区；主要分布于江苏省里下河和太湖河网地区、浙江省杭嘉湖地区、广东省珠江三角洲等地区。这些地区地势平坦而低洼。当暴雨时，内涝普积，外水压境，外水位常接近或高出地面无法自排。在天旱时，外水位往往低于地面不能引灌。因此，在低洼圩区必须积极发展机电排灌。在这类地区，机电排灌的特点是排涝模数大于灌溉模数。建站中，多以低扬程排涝站为主，排灌降结合，有的也建有单灌站。其泵型一般采用低扬程轴流泵和圬工泵，净扬程平均在3m以下。泵站的布局上，采取统一规划、分散布点，即按排涝标准统一配备装机容量，按排灌的要求分散设点建站，做到大联圩分级排涝，小灌区（100亩左右）分散灌溉。低扬程排涝站采用圬工泵或高比转速轴流泵为主，灌排站采用轴流泵和混流泵为主。
（2）平原地区：主要集中于山东、江苏、浙江、广东、辽宁、河北、上海、天津等沿海地区及内地湖北、湖南、黑龙江等省沿江、河、湖泊地区。广布于黄、淮、沂、沭、泗
和长江、珠江、黑龙江等河道的中下游。地势平坦，微缓倾斜，在大部分平原坡地及沿海垦区，一般自流灌溉条件差，泵站提水扬程多在5~7m左右。这些地区地下水埋深一般在3~5m以上。因此，除需建泵站提水外，同时还需开发地下水，发展井灌，以补充地面径流之不足。泵站的型式一般有两种，一种为补水站，起调节水量、补充水源的作用；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>500 200 100 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10年一遇排田，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
10年一遇 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
5~10年一遇 24小时暴雨2天排至作物耐淹水深（200~300mm ）。 江西鄱阳湖区
10年一遇 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 5年一遇 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：
%100?=N
n p (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（50~60m 3/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（m 3/亩）
土壤类别
地下水埋深h (m) 泡田定额（m 3/亩） 粘土、粘壤土
50~80 中壤土、砂壤土
h<2m 70~100 h>2m 80~120 轻砂壤土 h<2m
80~130 h>2m 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：
η
Tt mA Q 3600∑= （2-2） 式中 Q —灌溉设计流量（m 3/s ）;
m —用水高峰期时段内各种作物的设计净灌水定额（m 3/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 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 6~10 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
10~15 吐穗期灌水 8~15 灌浆灌水
5~10 灌浆期灌水 5~10
表2-5 渠系水利用系数
灌溉面积（万亩）
<1 1~10 10~30 30~100 >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70 m 3/亩，泡田时间为8天，棉花现蕾期灌水
定额采用40 m 3/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：
542.185
.0208360040004085007036001=????+?=∑=ηTt mA Q m3/s 第八天秧田的灌溉补水流量为：
648.085
.020*******.06675.74372=????=Q m3/s 灌溉泵站设计流量Q =Q 1+Q 2=1.542+0.648=2.19 m3/s
(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：
Tt
VN MA Q 3600-= （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300~500 m 3/亩；
A —灌溉面积（亩）；
V —塘坝水库的有效蓄水容积 (m 3 )；
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m 3，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500 m 3/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：
85.116
7036002.120000150005003600=???-?=-=Tt VN MA Q m3/s (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，均应考虑建站后冲淤变化的影响。最低运行水位是确定水泵安装高程的依据。如确定偏高，不仅会给机组运行造成困难，还会造成水泵汽蚀、振动；但如确定偏低，将使泵站挖深增加，加大工程投资。对轴流泵站而言，最低运行水位也是确定水泵最高扬程和配套电机功率的依据。
2.3.1.2出水池水位
(1)最高水位
出水池最高水位应与输水渠道或河道的防洪水位相适应。在出水池直接与外河连接时，才有最高水位。该水位是确定出水池高程的依据。
(2)最高运行水位
一般为泵站运行最大流量所相应的水位。该水位是确定水泵最高扬程和出水池高程的依据。
(3)设计水位
根据灌溉设计流量的要求，应按灌区末级渠道的设计水位推算到出水池的水位。有通航要求的河道应以设计通航水位进行校核。该水位用于计算设计扬程。
(4)最低运行水位
一般为泵站运行最小流量所相应的水位。有通航任务时，应满足最低通航水位的要求。该水位是确定水泵最低扬程和确定出水管口高程的依据。
2.3.2排涝泵站的特征水位（略）
2.4特征扬程（净扬程）的确定
2.4.1设计扬程
设计扬程是泵站进、出水池在设计水位时的水位差。在此扬程下，泵站的提水流量应满足灌排设计流量的要求，同时机组效率较高。
2.4.2最高扬程
排涝泵站按出水池最高运行水位与进水池设计水位之间的水位差计算；灌溉泵站按出水池最高运行水位或设计水位与进水池最低运行水位之间的水位差计算。
2.4.3最低扬程
排涝泵站按出水池最低运行水位与进水池设计水位或最高运行水位之间的水位差计算；灌溉泵站按出水池最低运行水位与进水池设计水位或最高运行水位之间的水位差计算。
2.4.4平均扬程
平均扬程是灌排季节中泵站出现机遇最多、运行历时最长的工作扬程。在此扬程下，水泵应在高效区下工作。平均扬程可按下式计算：
∑∑=i i i i i
t Q t
Q H H (2-10)
式中 H —泵站平均净扬程(m)；
i t —提水期间各时段历时(h)；
i H —相应时段的运行扬程(m)；
i Q —相应时段的提水流量(m 3
/s)。
2.5 不同类型泵站扬程的确定
对于一般小型泵站来说，在设计时往往缺乏资料，一些水位难于确定。在这种情况下，可以根据泵站的作用和己有的水位进行组合，来确定泵站设计净扬程和校核净扬程。三种类型的泵站水位组合如表2-6所示。表中所述各项水位均为推算至泵站进出水池的水位。对灌排结合的泵站，在确定设计扬程时，应根据该站灌溉与排涝的频率及运行时间的多少来选择一个设计扬程作为泵站的设计扬程。
表2-6 泵站上下水位组合表
净扬程灌溉泵站排涝泵站
排灌结合泵站
灌溉排涝
设计净扬程灌溉渠首水位-水源
平均水位或灌溉用
水高峰期低水位
平均外河高水
位-排区常水位
或预降水位
灌溉渠首水位-灌溉水
源平均水位（结合排水
时，取排区常水位）
平均外河高水位-脱险
水位或预降水位
校核净扬程灌溉渠首水位-水源
最低水位
外河最高洪水
位-预降水位
灌溉渠首水位-灌溉最
低水位
外河最高洪水位-脱险
水位或预降水位
第3章小型泵站水泵选型
3.1小型泵站常用泵型
3.1.1叶片泵的分类
叶片泵是排灌用的最主要泵型，仅农用泵我国就已拥有44个系列，424个品种和1002个规格，为了更好地适应国民经济发展的要求，我国正逐步对旧水泵系列产品进行更新换代，改造旧系列，发展新系列，大力开发有发展前途的新泵型。叶片泵种类很多，每一种水泵又有许多规格。为了便于选用，把各种不同类型的水泵按其尺寸大小、扬程、流量、转速和结构型式等，分别编成不同的型号。
水泵型号都用汉语拼音字母和其前后一些数字来表示。一般用拼音字母表示水泵种类、结构型式。拼音字母前面的数字表示的水泵进口直径（井泵表示最小井管内径），用mm或英寸表示。拼音字母后面的数字表示该泵的性能参数，如比转速、扬程（m）、流量（m3/s）、叶轮级数等。有些型号后面还附有一些符号，如A、B、或S等，表示水泵叶轮车削的档次或改型设计等。
有些水泵由于型号不断改进，型号表示的意义和内容也随之改变。因此，在水泵选型、配套时要注意查清。
常用叶片泵主要分类如下。
3.1.1.1离心泵
(1)卧式泵：有单级式和多级式两种型式。在单级式泵中又可分为单吸式[如B（BA）型、IB、IS型]双吸式[如S（Sh）型、SA型]两种型式；多级式泵一般表示为D（DA）型。
(2)立式泵：一般用L表示，如SLA型。
3.1.1.2混流泵
(1)卧式泵：如HB、HW型。
(2)立式泵：有蜗壳式[如HL型、HLB型、HLWB型] 和导叶式[如HL型、HD型、HLB 型]两种型式。
3.1.1.3轴流泵
（1）立式：如ZLB型、ZLQ型、ZL型。
（2）卧式：如ZW型、ZWB型。
（3）斜式：如ZXB型、ZXQ型。
（4）贯流式：如ZGB、ZGQ、GWB型。
（5）轴伸式
（6）圬工式：如WZL型。
3.1.1.4深井泵
（1）长轴泵：如JD型、J型。
（2）简易长轴泵：如J型、TJ型、NJ型
3.1.1.5潜水泵
（1）小口径：如JQ型、NQ型、QSB型、QS型。
（2）大口径：如QSZ型、QZ型。
3.1.1.6喷灌泵
(1)自吸泵：如BPZ型。
(2)离心泵：如BP型。
3.1.1.7水轮泵
(1)单级：如AT型。
(2)多级：如XW型、川型。
3.1.2离心泵
(1)单级单吸离心泵
单级单吸离心泵结构简单，操作方便、维护与检修容易。主要型号有B(BA)型、IS(IB)型，其口径为12.5~200mm(1/2~8英寸)，流量为4.5 m3/h~360 m3/s，扬程自8m到98m。目前，B型离心泵已有17个基本型号和22种变型型号，具有小流量、高扬程特点，适用于丘陵山区等小型灌区提水之用。
（2）单级双吸离心泵
单级双吸离心泵是一种单级、双吸中开式离心泵，具有扬程较高、流量较大、检修方便的特点，是机电排灌中用得较多的泵型。
双吸离心泵有S(Sh)型和SA型，其口径范围为150~1200mm(6~48英寸)，大型湘江泵口径达1400mm(56英寸)。比转速范围为60~300，扬程范围10~140m，流量范围0.03~6.5 m3/s。双吸离心泵规格品种比较齐全，每个品种又有不同车削直径的叶轮可以调换。因此，根据排灌流量、扬程的要求容易选型，广泛用于丘陵山区高地提水灌溉的需要。
双吸式离心泵的吸入口和吐出口都位于泵轴中心线的下方，成水平方向，与轴线呈垂直位置，泵盖用双头螺栓及圆锥定位螺钉固定在泵体上，无需拆卸进、出水管路及电动机即可进行检修。双吸泵由于叶轮对称布置，轴向力互相抵消，不需设置轴向力平衡装置。
S（Sh）型泵从传动方向看水泵是逆时针方向旋转，从水泵进水口向出水口方向看联轴器位于泵的右侧。如果在泵房布置时，需要将联轴器换至左侧，那么在泵站设计和水泵订货时必须加以说明，以便由生产厂进行调向。
S型泵是国家推荐的节能新产品，采用了优秀水力模型，与同样工作参数的Sh型泵相比，水泵效率提高了2~7%。轴功率下降了7~8%。目前，S型泵口径从150mm到500mm，共有21种42个规格，最高扬程达125m，最大流量达0.56 m3/s。
Sh型泵原为全国泵行业联合设计产品，现已被列为淘汰产品，逐步为S型泵所替代。目前有一部分Sh型泵在国家尚未宣布S型泵替代产品前，仍继续生产和使用。除已淘汰的Sh型泵外，尚有13种28个规格，其口径从200~1200mm(8~48英寸)。
SA型双吸泵结构与S型基本相似，效率较高，一般在80~92%之间。口径为250~800mm （10~32英寸），共有10种37个规格可供选用。
湘江型双吸泵是一种大型离心泵，口径为1400mm(56英寸)。比转速有230和280两种，最大流量达6.5 m3/s，设计扬程25~18m，是高扬程大型提水工程的泵型之一。
双吸式离心泵除卧式安装外，根据需要也可以设计立式安装的形式。目前主在有SLA 型，其性能与相同规格的SA型泵相同。
(3)多级单吸离心泵
多级单吸离心泵适用扬程比较高的场合。口径50~200mm(2~8英寸)，流量25~450 m3/h。根据需要，叶轮2~10级，扬程14~600m，也有高达1000m以上的。与单级单吸离心泵相比，多级单吸离心泵扬程高，结构复杂，维护困难。目前，最常见的品种有DA型、D型、DG 型，其中D型是DA型的改型泵，性能较好，可用于高扬程地区提水灌溉。
3.1.3混流泵
混流泵是介于离心泵和轴流泵之间的一种泵型。扬程适中，流量较大，高效区范围宽，功率曲线较为平坦。且结构简单，安装维修方便，重量轻，价格低。与轴流泵相比，泵房投资省，施工安装容易。因此是平原河网地区及浅丘地区的优选泵型。它的发展将部分取代离心泵和轴流泵，有着广阔的应用和发展前景。
混流泵按出水室的不同，有蜗壳式和导叶式两种，现分别介绍如下：
(1)蜗壳式混流泵
蜗壳式混流泵为卧式、单级、单吸悬臂式结构。主要有HB、HBC和HW型等几种型号，泵的比转速范围300~600。HBC型泵是HB型的改型泵，HW型泵经过改型设计，采用了优秀的水力模型，具有效率高、流量大的特点，与HB型泵相比，平均流量增加了30%。
目前HBC和HB型泵口径从150~650mm（6~26英寸)。除26HB-30型泵扬程达14m 外，其余泵型扬程大多在10m以下。HB（HBC）型泵中，150~300mm口径泵型为垂直出水型，350mm口径有垂直和水平出水两种型式，400~650mm口径泵型为水平出水型。
近年来，为了适应低扬程泵站的需要，研制开发了比转速500和600的HW型低扬程混流泵。目前HW型混流泵已有8种口径22个品种，口径300~700mm，扬程分为5m、8m、12m三个档次，供不同扬程地区选用。
丰产牌混流泵也是各地广泛使用的泵型，结构与HB型基本相同。有21个品种24种规格，口径从250~1500mm(10~60英寸)，最大流最可达7 m3/s以上。
除卧式蜗壳式混流泵外，为了适应不同的安装需要，还开发HL型立式蜗壳混流泵。其口径从300~800mm。目前有10种规格可供选型。立式蜗壳式混流泵除保留了卧式泵的高效节能、结构简单、维护方便的优点外，又能适应特殊条件的场合安装使用，拓阔了混流泵的使用范围。
(2)导叶式混流泵（略）
3.1.4轴流泵（略）
3.1.5潜水电泵
3.1.5.1适用范围
建设小型泵站时，下列场合可考虑使用潜水电泵：
(1)河流、湖泊取水口位置水位变幅大的场合。传统为解决在水位变化幅度较大的河流
取水的泵站电机受淹问题，是将电机层设置在最高洪水位之上，通过长轴与安装在水泵层的泵轴联结，长轴及中间轴承易出故障，给运行管理带来诸多的不便。还要求建筑物有较高的防洪标准，才能保证泵房安全，工程造价比较高。潜水泵安装在水下，不受水位影响，适合在水位变幅大的地区应用。
(2)要求降低噪声影响的场合。潜水泵可以将泵站噪声级从85-90dB(A)下降到75dB(A)以下，特别适合建设在城市的排涝、污水泵站使用；
(3)需要保持地面风貌的场合。潜水泵在水底运行，可以有不建地面厂房的方式，泵房和控制室分离，噪声低，散热好，不影响周围环境，保持地面风貌；
(4)移动泵式泵站。潜水泵机电设备一体化，可采用移动方式与水工结构衔接，水泵统一管理、调度，提高水泵利用率和完好率；也可无配套的水工建筑物，采用浮船或雪橇式安装，适用于防洪、抗旱及临时抽水。
3.1.5.2建设原则
(1) 从高效节能、防洪能力、运行管理、安装维护方便以及土地利用、环境等方面进行综合评价，选择合理的设计方案；
(2) 积极采用经过试验和论证合理的新技术、新材料、新工艺和新设备；
(3) 根据泵站实际运行需要和泵站的规模、地位，采用计算机监控技术，实现泵站综合自动化，积极推行信息化。
3.1.5.3安装形式
小型泵站潜水泵机组布置根据其安装形式可分为：固定式、移动式和闸站结合式潜水泵站。
(1)固定式潜水泵站
固定式潜水泵站水泵机组与配套水工建筑物固定在一起，检修、维护时才将机组拆下。固定式潜水泵站的总体布置应按即将颁布的《潜水泵站设计规范》规定执行。固定式潜水泵站的配套水工建筑物与普通泵站结构方式类似，机组水泵与电机一体化，安装便利，配套的堤内水工建筑物的防洪标准可降低。
(2)移动式潜水泵站
移动式潜水泵站总体布置应根据泵站使用要求，以及机组与水工建筑物的关系确定。有水工建筑物的移动式潜水泵站，根据泵站水工建筑物功能，也分为两类。一类水工建筑物为泵站专用，水泵机组的安装方式为移动式；另一类，泵站水工建筑物还有其它功能，移动式机组与水工建筑物结合，构成泵站。移动式潜水泵站一般为湿坑安装。
移动式潜水泵机组有专用配套的厂房及水工建筑物，其总体布置同固定式潜水泵站。移动式潜水泵机组有配套的厂房及水工建筑物，机组采用可移动安装方式，采用耦合、承插等方式安装，其配套水工建筑物与固定式潜水泵站一样。当机组长期不运行时，宜将机组吊出水面，放置在安装及检修车间或专门设置的置泵平台。
无配套水工建筑物的移动式潜水泵站，水泵机组采用可移动安装方式，其总体布置应适应水工建筑物的布置，机组与固定水闸、管道、岸墙等水工建筑物结合运用，采用耦合、承插等方式安装，泵站不设配套水工建筑物如进出水流道、前池、进水池等。泵站不运行
时，可将机组吊出水面统一管理、维护。移动式潜水泵机组与固定的水闸、管道等水工建筑物结合布置的形式，泵站没有专门配套的进、出水流道及引水、输水建筑物，潜水泵采用耦合、承插或法兰方式安装固定。泵站的布置应在满足原水工建筑物使用功能的同时，满足移动式潜水泵机组的运行条件。
双向抽水的潜水泵站灌溉排水相结合，泵站枢纽布置可以采用单向叶轮配合贯流装置，通过泵体整体调头，实现双向抽水；也可采用带“S”型叶片的叶轮配贯流装置，通过改变叶轮正反转来实现双向抽水。对于平原湖区，通常通过同一泵站进行排水和灌溉。当外河水位较高，排水区内涝水不能自排时，必须通过泵站抽排。当区内出现旱情或区内缺水灌溉时，需要引水或提水灌溉。因此，泵站枢纽布置往往需要把两者结合起来，以充分发挥泵站的作用。
整体调头潜水泵装置的进出口尺寸相同，排水时水泵出水方向对着排涝方向，在需要灌溉时，泵整体调头，灌溉结束后恢复排涝方向。机组掉头采用吊机起吊，转动变换进出口方向，设计中，水泵机组的间距，不但要满足水力要求，还要满足调头的要求。
改变电机转向的双向提水，水泵叶轮用用“S”形叶片，无需改变泵装置，通过电气控制使水泵电机反向运转，实现双向抽水。采用此方式的机组效率略低于整体调头潜水泵装置。
（3）闸站结合式潜水泵站：将潜水泵直接安装于小型圩口闸闸门上，这种型式的泵站无需另建机房，结构简单，大大节省了工程量，降低了工程投资。这种类型的泵站在设计时略加修改，使闸门可以作180°的旋转后，便可以达到排灌结合的目的。闸站结合式潜水泵站打破了传统的水泵结构与安装型式，无需另建机房和其它辅助设施，大大节省了工程投资。
大口径潜水泵是近年来开发的又一新泵型，它是将电机和水泵组合成一体，具有体积小、重量轻、移动安装方便的优点。它不需另建机房，可大大节省工程投资，其建站费用仅为同类泵站的50~60%。
潜水式电泵已有70多年的历史，但大口径、低扬程、大流量的潜水式轴流泵和混流泵只是近20年才发展起来的。由于近年来密封、绝缘、冷却、润滑、自动耦合以及自动监控等许多关键技术的解决为潜水电泵的大型化打下了基础。
在国外，大口径潜水泵应用甚广。瑞典、德国、日本、美国等均相继开发出各种型式的大口径潜水泵。最大口径已达1.6m以上，流量超过8.3 m3/s，而且还在不断增大。我国近年来在开发大口径潜水电泵方面作了大量工作。随着自动耦合问题的突破，使起吊重量大大减轻，有效地解决了安装检修的难题。目前，大口径潜水电泵的口径已从350~800mm发展到900、1000、1200、1400mm等各种规格。大口径潜水泵的流量范围达0.2~6.0 m3/s，扬程范围为1.5~9.0m，配套电机从7.5~400kW，使用电压除低压380V外，已开发出6kV、10kV 高压潜水电泵。
采用现代大口径潜水电泵的潜水泵站具有以下特点：
(1)工程投资对一些型式的泵站可以有所降低。潜水泵站因无需上部厂房结构，水工结构非常简单。即使需要建泵房，因潜水泵结构紧凑，占地面积小，也可使厂房跨度减小，高度降低，从而减少工程投资。由于整个泵房重量的减轻，对地基承载能力的要求相应降
低，当在软土地基上建设泵站时有可能节省大量的桩基费用。另外，大口径潜水泵与常规立式轴流泵相比，由于无需中间传动，使结构大为简化，机组重量可减轻50%。一旦出现故障，可吊出检修。辅助设备的减少和自动化程序的简化，使电气设备、控制设备、自动化仪表均有所减少，从而降低机电设备的投资。
(2)安装、拆卸、维修、保养非常方便。由于大口径潜水电泵为同轴整体结构，没有安装过程中的同心、摆度等问题。同时，大口径潜水泵均采用自耦联接装置，水泵与管道连接不用螺栓，大大提高了装拆的效率。在非运行季节，可吊出维修保养延长使用寿命。
(3)运行条件大为改善。由于水下运行，无噪音，泵房在地下，对周围环境影响很小。
(4)便于自动化控制。大口径潜水泵起动过程简单，只要到了一定水位，水位控制开关动作，即可起动或停机。
(5)使用寿命长。随着密封技术、材料技术、绝缘技术的进步，大口径潜水泵寿命不断延长，与普通电机相差无几。即使对于含多泥沙的水流，采用多孔口自耦装置，可减少泥沙进入泵内，提高了水泵的使用寿命。
(6) 设备可靠性不断提高。由于辅助设备的减少和绝缘密封技术的提高，故障发生的可能性也随之减少。即使一旦出现故障，可立即吊出利用备用泵替换，不影响泵站正常运行。这一措施可使泵站省去备用泵的安装位置，从而节省土建投资。
(7)由于大口径潜水泵设施简单，因此大大缩短了泵站施工工期，做到当年投资，当年受益。
鉴于以上的特点，推广应用大口径潜水泵具有一定的经济效益和社会效益。特别是近年来大中城市河道、湖泊污染越来越重，大中型排污泵站和城市供排水泵站必将得到快速发展。常规的水泵机组由于严重的噪音和土建、配套设施的占地很难适应城市发展的需要。采用占地面积小、噪音污染轻的大口径潜水电泵应是首选的主要泵型。对于那些年运行时间较短的排涝泵站和低扬程泵站，也可以考虑采用大口径潜水电泵。
由于大口径潜水电泵的叶型主要为轴流式，均采用相同参数的普通轴流泵的叶型，因此大口径潜水电泵可以作为平原地区排灌用泵选用。其规格基本上与普通叶片泵相对应。
3.2水泵台数的确定
3.2.1主机组台数的确定
在泵站总流量确定后，水泵台数直接影响到泵型的选择、泵站工程投资以及建成后的运行管理费用等。选择水泵台数少，则所需的泵型就大；反之泵型就小。大泵与小泵相比，效率高，能源消耗和运行费用较省。在选型时，如果选择水泵台数太少，则难以适应排灌流量的变化，运行调度也不灵活。而且当水泵发生故障后，对排灌的影响很大，使效益降低。对于多级泵站，水泵台数太少时还会使梯级泵站之间难以配合，甚至造成弃水现象，浪费大量水量和能源。但是，台数太多时，在泵站流量一定的情况下所选的水泵较小，效率较低，能耗较高，管理也不方便。
泵站主机组的台数，应结合工程投资、机泵供货情况、管理水平、运行费用等因素综合考虑。一般对小型泵站，以2~3台为宜。对中型泵站，以3~7台为宜。在泵站总流量较
大的情况下，有时为避免泵型和机组容量过大而造成管理维修不便，也可以选用较多的机组台数。对高扬程梯级泵站，为了适应流量的变化，一般机组台数不宜太少，同时要根据需要可选配1~3台小型调节机组。
3.2.2备用机组台数的确定
备用机组是为了防止主机组出现故障或检修以及适应排灌流量的变化而设置的机组。备用机组的设置一般应遵循下列原则：
(1)备用机组不是在所有的灌排泵站中都需要设置。在多雨地区以排水为主的泵站，一般可不设备用机组；在干旱地区多泥沙河流以灌溉为主的泵站，应设备有机组，但备用机组的流量不应超过灌溉设计流量的20 %。
(2)小型灌排站，以及年利用小时较低的中型泵站，可不设备用机组。
(3)对多泥沙水源，由于水泵磨损严重，检修频繁，备用机组可适当增加。在装机台数少于4台而又必须装设备用机组时，为满足检修和灌溉的要求，其备用量可超过20 %。
(4)凡泵站设计流量按最大一次灌水定额（泡田）进行计算时，可不再考虑备用机组。 泵站的机组台数，应为满足泵站设计流量所需的主机组台数与备用机组台数之和。
3.3水泵扬程的确定
3.3.1水泵口径的初步估算
在水泵台数初步确定后，根据泵站灌排总流量即可求得水泵的单台流量。 主总
n Q Q = (3-1)
式中 Q —单台水泵的流量(m 3/s)；
Q 总—泵站灌排总流量(m 3/s)；
n 主—主机组台数。
根据单泵流量可按下式初步估算水泵的口径D ： Q D 8.25= (英寸)
(3-2) 或 Q D 1.645= (mm)
(3-3) 3.3.2 管路水头损失的估计
在进行水泵选型时，由于管路布置尚未最后确定，因此只能根据水泵初估的口径和泵站管路布置的初步方案按表3-2进行估算。
表3-2 管路水头损失估算表
净扬程
（m ）
管路水头损失相当于净扬程的百分数K （%） 水泵口径（mm ） ≤200
250~300 350~500 ≤550