一種雙向輸水的梯級泵站及管道的設計結構的制作方法

本發明屬于水利水電工程中梯級泵站輸水技術領域，具體涉及一種雙向輸水的梯級泵站及管道的設計結構。

背景技術：

在水利工程中，常通過建設泵站對地勢低處的水體進行加壓，來增加水體的勢能，以此將低處水體通過管道傳輸提升到地勢高處實現遠距離、大落差加壓輸水。對于在空間分布上高差較大的山區等地，受制于地勢以及實際工程建設的難度等因素的影響，會在輸水沿線不同位置建設多個高程遞增的、采用管道輸水的泵站進行輸水，也就是利用管道傳輸實現梯級泵站的遠距離、高水頭差輸水。另一方面，在需要將地勢較高處的水體輸送到地勢低處時，往往在地勢高處的高水位與地勢低處的低水位之間鋪設管道，以重力自流的方式進行輸水，且輸水工程的水力過渡過程由管道上的閥門逐級控制，以保證輸水安全和輸水流量的要求。

將低水位的水體經梯級泵站逐級抽取至高水位處，定義為正向輸水；而將高水位水體以重力自流的方式引入低水位處，定義為反向輸水。而在現在的工程建設中，或僅僅通過建設梯級泵站加壓，將低處水體輸送至高水位水庫或蓄水池等處，或是單獨的將高水位水體通過管道輸送到低水位處。而在實際的水資源調配過程中，存在著如下情況：低水位地方來水量大時，將水體通過梯級泵站加壓，利用管道向高水位處水庫等處輸水，進行儲水；而在低水位地方缺水時，可通過管道重力自流的方式，將高水位儲存的水體泄放至下游低水位處以供水，緩解缺水問題。而在現有工程建設中只單獨的考慮了所定義的正向或反向輸水工況，不能合理而經濟的解決需要在時空分布差異的高低水位實現雙向輸水的問題。

技術實現要素：

基于以上問題，本發明提出一種雙向輸水的梯級泵站及管道的設計結構與方法，可以很好地解決上述問題，優化水資源在空間上的配置。

本發明采用的技術方案如下：

一種雙向輸水的梯級泵站及管道的設計結構，包括多個通過主干管串聯在于一起的梯級泵站，且主干管的一端連接低水位取水位置，另一端連接高水位出水位置，水由低水位取水位置經梯級泵站逐級抽取至高水位出水位置處，定義為正向輸水，水由高水位出水位置處以重力自流的方式引入低水位取水位置處，定義為反向輸水，沿著正向輸水的方向，除了首級泵站外，其余的泵站的前面均設有調節池，且調節池的入口和泵站的出口之間通過u型旁通管連通。

本發明所述泵站之間由主干管以及u型旁通管連接進行輸水，梯級泵站之間的連接形式為串聯；

進一步的，在每個所述的泵站的入口、出口、調節池的出口以及u型旁通管上均設有閥門，用以控制供水的方向以及輸水量。

其中調節池前的主干管上設置的閥門，用以開啟或阻斷調節池進水；調節池與泵站之間連接的主干管上設置的閥門，用以開啟或阻斷調節池與泵站之間輸水；主干管從地勢低處管口端和地勢高處管口端均設置有閥門，用以開啟或阻斷管道輸水。

進一步的，所述的調節池在進出水端的側壁上設置有進水管、出水管以保證水流循環；所述調節池頂部設置有檢修孔、底部還設置有清淤管，用以定時人工的從檢修孔進入調節池，對輸水過程中調節池底部淤積泥沙進行沖洗排淤。

進一步的，所述調節池頂板上還設置有通風管、通風帽，以確保輸水時調節池內氣流暢通，不致影響正常輸水時調節池的安全。

進一步的，所述調節池頂板上還設置有水深測量儀、水位報警器；所述水深測量儀用以對調節池的水位進行讀取，可通過池外的顯示設備的讀數，實時監測池內的水位，便于操作人員管理；所述水位報警器可在調節池的水位過高情況下進行報警，提醒泵站監測人員采取措施，以防止調節池內部水位過高而頂托其頂板，對其安全性造成影響。

進一步的，所述調節池與非進出水端的側壁上設置有圓形溢流孔，設置在靠近調節池頂板下方豎直距離0.5m處，當水位過高時水流可經側壁上的圓形溢流孔流出，以防止調節池的水位過高而頂托其頂板，對其安全性造成影響。

進一步的，所述調節池中設置有v型消能板，v型消能板兩翼呈對稱結構，其中軸線與調節池進出水管口連接而成的中軸線一致；所述v型消能板高度為調節池側壁高度的1/3；所述消能板上設置有矩形出水孔，一部分水流經消能板出水孔后，流速減慢，另一部分水流可通過矩形出水孔穿過消能板，一部分水流則被消能板以反向的流速回彈，被回彈的水流與初始水流碰撞混摻，在板前形成漩渦區，削減水流的能量，因此在板后至出水管時可以形成相對平穩的水流，有利于提高水泵的吸水效率和延長水泵機組的使用壽命。

進一步的，所述梯級泵站位置參考低水位取水口與高水位出水口之間的高程、地勢條件、泵站揚程等因素而定。

進一步的，所述梯級泵站的泵站個數根據實際工程高程差、地勢條件、水泵揚程等因素而定；所述泵站與調節池通過主干管串聯連接，具體為“進水——調節池——泵站——出水”形式，主要是正向輸水時水流流向。

與現有的技術相比，本發明有益效果在于：

(1)本發明的結構在兩個不同高程的地區可實現雙向輸水，擴大了工程的效益范圍。

(2)本發明提出在反向輸水時，適度開啟調節池前進水閥門，使調節池與反向供水管道聯通，可有效的泄放由閥門啟閉而產生的水錘壓力，在設計時可主要考慮泵站正向輸水時產生的水錘破壞來設計主干管壓力承載力。因此本發明在確保工程經濟性的前提下，增加了工程實際作用范圍。

(3)本發明中對梯級泵站輸水結構中的調節池內部設置了消能措施，正向輸水時可迅速平穩來流，避免發生氣蝕而保證水泵吸水條件良好，可有效提高水泵的吸水效率和調節池工作的安全可靠度。

附圖說明

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。

圖1為三座泵站組成的梯級泵站輸水平面布置示意圖；

圖2為調節池剖面圖；

圖3為調節池立視圖；

圖4為v型消能板結構示意圖；

圖5為v型消能板流速分解示意圖；

圖6為正向輸水時閥門開啟順序流程圖；

圖7為反向輸水時閥門開啟順序流程圖；

圖8為實施例中輸水管線的高程沿距離的變化曲線圖；

圖9為反向輸水時采用方案1沿程管道的壓力變化曲線圖；

圖10為反向輸水時采用方案2沿程管道的壓力變化曲線圖。

其中，1泵站ps1，2泵站ps2，3泵站ps3，4調節池p1，5調節池p2，6閥門v1，7閥門v2，8閥門v3，9閥門v4，10閥門v5，11閥門v6，12閥門v7，13閥門v8，14閥門v9，15閥門v10，16閥門v11，17主干管，18u型旁通管，19調節池，20頂板，21v型消能板，22水深監測儀，23水位報警器，24進水管，25出水管，26清淤管，27通風管，28通風帽，29檢修孔，30支墩，31溢流孔，32v型消能板的出水孔。

具體實施例

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請提供進一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數形式也意圖包括復數形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

正如背景技術所介紹的，在現有工程建設中只單獨的考慮了所定義的正向或反向輸水工況，不能合理而經濟的解決需要在時空分布差異的高低水位實現雙向輸水的問題，為了解決如上的技術問題，本申請提出了一種雙向輸水的梯級泵站及管道的設計結構，包括多個通過主干管串聯在于一起的梯級泵站，且主干管的一端連接低水位取水位置，另一端連接高水位出水位置，水由低水位取水位置經梯級泵站逐級抽取至高水位出水位置處，定義為正向輸水，水由高水位出水位置處以重力自流的方式引入低水位取水位置處，定義為反向輸水，沿著正向輸水的方向，且除了首級泵站外，其余的泵站的前面均設有調節池，且調節池的入口和泵站的出口之間通過u型旁通管連通。本發明所述泵站之間由主干管以及u型旁通管連接進行輸水，梯級泵站之間的連接形式為串聯；

進一步的，在每個所述的泵站的入口、出口、調節池的出口以及u型旁通管上均設有閥門，用以控制供水的方向以及輸水量。

其中調節池前的主干管上設置的閥門，用以開啟或阻斷調節池進水；調節池與泵站之間連接的主干管上設置的閥門，用以開啟或阻斷調節池與泵站之間輸水；主干管從地勢低處管口端和地勢高處管口端均設置有閥門，用以開啟或阻斷管道輸水。

進一步的，所述的調節池在進出水端的側壁上設置有進水管、出水管以保證水流循環；所述調節池頂部設置有檢修孔、底部還設置有清淤管，用以定時人工的從檢修孔進入調節池，對輸水過程中調節池底部淤積泥沙進行沖洗排淤。

進一步的，所述調節池頂板上還設置有通風管、通風帽，以確保輸水時調節池內氣流暢通，不致影響正常輸水時調節池的安全。

進一步的，所述調節池頂板上還設置有水深測量儀、水位報警器；所述水深測量儀用以對調節池的水位進行讀取，可通過池外的顯示設備的讀數，實時監測池內的水位，便于操作人員管理；所述水位報警器可在調節池的水位過高情況下進行報警，提醒泵站監測人員采取措施，以防止調節池內部水位過高而頂托其頂板，對其安全性造成影響。

進一步的，所述調節池與非進出水端的側壁上設置有圓形溢流孔，設置在靠近調節池頂板下方豎直距離0.5m處，當水位過高時水流可經側壁上的圓形溢流孔流出，以防止調節池的水位過高而頂托其頂板，對其安全性造成影響。

進一步的，所述調節池中設置有v型消能板，v型消能板兩翼呈對稱結構，其中軸線與調節池進出水管口連接而成的中軸線一致；所述v型消能板高度為調節池側壁高度的1/3；所述消能板上設置有矩形出水孔，一部分水流經消能板出水孔后，流速減慢，另一部分水流可通過矩形出水孔穿過消能板，一部分水流則被消能板以反向的流速回彈，被回彈的水流與初始水流碰撞混摻，在板前形成漩渦區，削減水流的能量，因此在板后至出水管時可以形成相對平穩的水流，有利于提高水泵的吸水效率和延長水泵機組的使用壽命。

進一步的，所述梯級泵站位置參考低水位取水口與高水位出水口之間的高程、地勢條件、泵站揚程等因素而定。

進一步的，所述梯級泵站的泵站個數根據實際工程高程差、地勢條件、水泵揚程等因素而定；所述泵站與調節池通過主干管串聯連接，具體為“進水——調節池——泵站——出水”形式，主要是正向輸水時水流流向。

下面結合附圖本發明進行詳細說明：

實施例1：

正向輸水過程。正向輸水為各級泵站從水位低處干渠(或進水池、或調節池等)引水，通過泵站逐級加壓向水位高處水庫(或蓄水池等)輸水。具體步驟為：在開泵之前依次將主干管上閥門v1、v2、v3、v4、v5、v6、v7開啟，保持主干管17管路在泵站ps3至干渠段暢通，且關閉18u型旁通管上閥門v9、v10、v11。首先開啟1泵站ps1，輸水至4調節池p1中，由于調節池p1側壁上設置有31溢流孔，當水流足夠高時，會從溢流孔溢流流出，因此待調節池p1中22水深監測儀的讀數保持平穩時，可開啟2泵站ps2泵站內水泵機組，同理開啟3泵站ps3內水泵機組，最后開啟閥門v8。以此實現正向輸水過程。如圖6所示為正向輸水時閥門開啟順序流程圖。

實施例2：

反向輸水過程。反向輸水為從水位高處水庫(或蓄水池等)通過重力自流的方式向下游輸水。期間，水流不經過泵站ps1、ps2、ps3，而直接通過圖1中與泵站和調節池對應以分支形式連接的18u型旁通管輸水，方向與正向輸水過程相反。具體步驟為：在輸水之前，關閉閥門v1、v2、v3、v4、v5、v6、v7、v8、v9、v10、v11。開始反向輸水時，首先開啟5調節池p2前閥門v6(可泄放旁通管上閥門開啟過程產生的壓力水錘，起到類似于調壓塔的作用)至20％開度，接著再開啟18u型旁通管上閥門v11，由于調節池p2側壁上設置有31溢流孔，當水流足夠高時會從溢流孔溢流流出，因此待調節池p2中22水深監測儀的讀數保持平穩時表示開閥水錘引起水錘已經泄放。然后，開啟調節池前閥門v3至20％開度，接著開啟閥門18u型旁通管上閥門v10，待調節池p1中22水深監測儀的讀數保持平穩時，開啟閥門v9。以此實現反向輸水，且整個管路的流量由閥門v9、v10、v11的開度控制。如圖7所示為反向輸水時閥門開啟順序流程圖。

為更好的對本發明的實施例2以及本發明有益效果(2)進行說明，以下結合圖1、圖8所示的泵站及管道布置情況，進行反向輸水過程的進行數值模擬。模擬基本參數設置：輸水管道長29.7km，輸水流量為3.4m³/s，干渠、水庫水位分別為31.0m、130.0m，管道直徑dn1600，水擊波速取1050m/s，中間調節池p1、p2水位分別為56.0m、86.0m。值得注意的時，在反向輸水之前，正向輸水已經進行，水泵機組停機后管道為滿管狀態，且由ps3-ps2-ps1逐級停泵，調節池儲水達到4000m³。

由于開閥水錘與閥門開啟角度和快慢密切相關，根據實際情況，本模擬采用兩種方案：方案1為反向輸水時，不開啟調節池前閥門v3、v6，僅依次開啟閥門v11(350s開至27％開度)、v10(1000s開至100％開度)、v9(300s開至100％開度)的開閥方案；方案2為采用依次開啟v6(開至20％開度)——v11(350s開至27％開度)——v3(開至20％開度)——v10(1000s開至100％開度)——v9(300s開至100％開度)的開閥順序方案。方案1、方案2的模擬結果分別如圖9、圖10所示。

對比方案1、2開閥實現反向輸水的水力過渡過程的數值模擬結果(圖9、10)。發現在方案2條件下，水錘管道最大壓力包絡線顯著降低，管道沿程水錘壓力逐漸減小。其中，方案1最大水錘壓力為107.8m，方案2最大水錘壓力為68.5m(沿程的最大壓力減小36.5％)，且管道負壓并不明顯。表明本發明實施例2效益顯著。設計時，管道設計承載力應以事故停泵水錘壓力值設計為主導，因此本發明在確保工程經濟性的前提下，增加了工程實際作用范圍。

在本實施例采用的是三級泵站串聯，實現干渠與水庫間的雙向輸水，在具體工程中可根據調水的高差、長度以及方向而適當的增加或減少泵站的數量和改變輸水管路的方向，其他多種情況不再一一在實施例中敘述。另外，調節池側壁上的溢流孔數量及尺寸僅為示意圖，可根據工程實際情況確定。對于本技術領域的專業人員，可對本發明進行修改，優化，但還要在本發明的實施原理以內，進行的任何改進，等同替換等，均應包含在本發明的權利要求的范圍以內。