张村泵站的设计水利水电专科

一、 工程概况：

1、张村泵站地形图（1/1000）如下图所示：

由图上可知：水源位于张村的北面，地形的变动起伏不是很大。有公路经过张村。

2、地质及土壤情况见钻孔地质柱状剖面图（如图1）

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3、地下水位316.00m,灌溉期间水源最低的日平均水位为315.20m，最高日平均水位为316.80m，夏季最高日平均水温为34℃。 4、水源设计年内月平均水位见表1： 月份 水位 月份 水位 1 316.58 7 315.87 2 316.60 8 315.60 3 316.55 9 315.47 表1

5灌溉作物以水稻小麦为主，总耕地面积为3×104亩，其中80﹪分布在张村的西面，各时段的灌水率见表2。 灌水率 LS千亩-1 灌水时间 D·m-1 表2

6、附近有电网通过，电压25kv。当地建筑材料由块石、碎石、红砖、红瓦及木材等，水泥及钢筋可以由外地运来。管区交通方便，有公路通过。 二、基本资料： 1.地质及土壤情况。 2.地下水位：316.00m。

3.根据灌区需要，控制出水池水位为340.00m。 4.附近有电网，电压为35kv。

5水泵及电动机，根据需要从参数资料中选择。

6.灌溉期间水源最低的日平均水位为315.20m，最高日平均水位为316.80m，夏季最高日平均水温为34℃。 三、泵站设计参数的确定

（一） 泵站流量的确定

根据灌区时段灌水率表绘制初步灌水率图。如图2所示。

9/3- 21/3 7/4- 13/4 2/5- 13/5 18/5-11/6 18/6- 30/6 6/7- 28/7 9/10- 21/10 40 30 40 30 （35） (37) 20 4 316.58 10 316.00 5 316.47 11 316.52 6 316.38 12 316.55 2

图2 张村灌区初步灌水率图

由图可知，各阶段的灌水率相差悬殊。泵站将出现频繁的开停机，渠道

输水断断续续的情况，给管理带来不便。如按其中最大灌水率来泵站和渠道流量，势必造成泵站装机容量和渠道断面过大，增加工程投资。因此，必须对初步灌水率图进行必要的修正。

对18/6-30/6延长2天，则灌水率由35降到30。 对6/7-28/7缩短2天，则灌水率由37升高到约40。

修正后的灌水率图如图3所示

因在修正后的灌水率图上6/7-26/7连续灌水时间最长且灌水率最大为

40，所以取此灌水率为设计灌水率。如图3所示。

假定来水过程能满足有水过程，按原定灌水面积进行灌区规划设计，渠

系安全衬砌，η采用0.90，t取22h，则设计流量为

Q设=24q设ω/（tη）=14.55≈1455L/s 其中 ω取30 则 Qmax=1.2Q设=1746L/s

Qmin=24qminω/（tη）=727.3L/s （二）、泵站设计扬程的确定

（Ⅰ） 静扬程的确定

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图3 张村灌区灌水率修正图

1. 设计静扬程

用运行期间出现的几率最多，运行历时最长的静扬程（即加权平均扬程）代表设计扬程。用加权平均法求得 H静=∑QitiHi静/∑Qiti

=∑Qiti（▽出-▽进i）/∑Qiti =∑Qiti（340-▽进i）/∑Qiti 水源水位线如图4所示

图4 水源水位线图

H静i=∑Qiti（340-▽出i）/∑Qiti

4

=24ω∑qi（340-▽进i）/∑qi

40(340-316.565)+30(340-316.3)+40(340-316.44）

= +30(340-316.38)+30(340-316)+40(340-315.74)+20(340-316.26)

40+30+40+30+30+40+20 =23.73m

则 H设静=23.73m

考虑引渠、闸损0.31m。所以 H设静=24.04m

2.最大静扬程

这是泵站正常运行的上限扬程。应按泵站出水池最高运行水位与进水池最低运行水位之差计算。

H静max=▽出-▽进min

=340-315.12+hf=25.10m

3.最小静扬程

这是泵站运行的下限扬程。最低扬程应按出水池的水位和静水池的最高水位之差计算。

即 H静min=▽出-▽进max

=340-316.8+hf=23.51m （Ⅱ） 设计扬程（H静+H损）

泵站的设计扬程包括泵站的设计静扬程和设计总扬程。 为了确定设计扬程，需要先估计管道损失，进而求的设计扬程 H设=（1+K）H静

其中K——管道损失率 查表得K=0.3 则 H设=（1+0.3）×24.04=31.25m 设计最大扬程 H设max=（1+0.3）×25.11=32.6m H设min=（1+0.3）×23.51=30.56m 四、水泵机组选型及配套

根据计算的扬程计算范围为30.56m-32.m，和供水图初选14sh19离心泵6

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台（其中一台备用），查14sh19型泵性能表，得其转数为1450rpm，轴功率99.7KW，电机功率12KW，效率为85%，允许吸上真空高度Hs=3.5m，叶轮直径D=350mm，重量为878kg，因张村有35KV的电网通过，所以选用电动机。配套电机为35KV，查表电机型号选用JR116-4。

14sh-19型泵的工作特性曲线如图5所示。

水泵Q—H工作特性曲线和管路特性曲的交点A，A点即为水泵的运行工况点，水泵在该点工作时的参数可由图上查得： Q=270L/s H=32.70m η=86％ 功率N=99.7kw

上述参数能够说明流量与扬程均能满足要求。而且水泵也在高效率情况下工作，因此，所选的14sh-19型水泵在性能上是满足的。

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其具体的外形尺寸如图6所示

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五、确定水泵的安装高程 1.对Hs进行高程和水温的修正

工厂所给的水泵允许吸水高度[Hs]=3.5是在标准大气压（10.33H2O）和水温20℃ （相应得汽化压力为0.24m H2O）时的数据，与当地的实际条件不符合，须对Hs进行修正。

水泵安装地海拔为318.00m，当地最高水温34℃，查表（水在各种温度下的气化压力表）知：30℃时 PB/Υ=0.43；当T=40℃时PB/Υ=0.75。利用差分法得34℃时PB/Υ=0.558，修正后的允许吸水高度用[Hs]’表示。即 [Hs]’=[Hs]-▽/900-(PB/Υ-0.24) =3.5-318/900-(0.558-0.24) =2.83m 2.安装高程的确定

水泵吸水管设置 水平长3.0m，垂直高4.0m，进口设一喇叭管，一个90°弯头。直径400mm。

（1）吸水管阻力计算

流道中的流速V1=Q1/A1=2.1497m/s ①沿程损失

当T=30℃时 运动粘滞系数 Υ=0.800×10-6m2/s 当T=40℃时 运动粘滞系数 Υ=0.658×10-6m2/s 采用差分法知T=34℃时，运动粘滞系数 Υ=0.7432×10-6m2/s

则雷诺系数Re=vd/Υ=2.1479×0.4/0.7432×10-6 =1.157×106m2/s>2000 所以 为紊流

根据管壁面的情况 取△=0.1 查图得 λ=0.0018

则沿程损失 HL=λlv2/2gd=0.018×7×2.14972/0.4×2×9.81=0.074268m ②局部水头损失

a.因采用90°弯头 则 ξ=[0.131+0.1632×(0.4)7/2]×(θ/90°)1/2

=0.1376

则 hj1=ξv2/2g=0.1376×2.14972/2×9.81=0.01509m

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b.进口喇叭管

设与进口相接的管径为350mm，取α=10° 查表得r=0.16 则 ξ=r（1-A2/A1）2=0.0375

所以 hj2=ξv2/2g=0.0375×2.14972/2×9.81=0.0041m 所以 hf= HL+ hj1+ hj2=0.09346m

安装高度Hz=[Hs]’-▽/900-v2/2g-hf-(PB/Υ-0.24)

=2.83-318/900-2.14972/2×9.81-0.09346-(0.558-0.24) =1.83m

所以 安装高程Za=Hz+318=319.83m 六、站址选择 站址选择的原则：

（1） 应选在就近水源，水位稳定，水质良好的地方。

（2） 泵站应建在地形开阔，岸边适宜的地方，开挖量少，适宜布置管道，

注意避开山沟。

（3） 泵站主要建筑物应建在坚实完整、承载力强的岩石地基上，避开大

的活动性构造地带。

（4） 泵站应选在就近电源，交通方便的地方。

根据以上原则选择站址，拟定泵站枢纽纵向中心线如张村泵站总体布置图所示。

根据地形图和地质资料No.1孔地面下4.5m即为砾石。预计泵站厂房基地高程为319.83-0.56-0.25-0.6=318.42m。由图可得水平距50m范围地面高程322.00m为泵列中心线。

七、泵房设计及辅助设备选择

（一） 泵房结构型式

选用泵为卧式。进水池水位变化范围较大，吸程较低，故可采用干室型泵房。

为了便于设备布置和维护管理，也便于进出水管路和进水池的布置，采用矩形干室型泵房。

（二） 泵房的布置

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泵站的厂房一般由三部分组成，即主厂房——主要布置主机组;副厂房——布置电气设备包括控制室；检修间——检修机组及电气设备等。

为了电气设备的防潮、防尘，并且能给运行管理人员由一个良好的运行管理环境，一般都专设高压开关室和中控室，而且设专用场地检修。这三部分相对位置主要根据泵站的地形、地质条件，高压线路的来向，进场公路的位置等加以确定。

泵房的检修间不仅平时供机组检修之用，而且建站时，运送机组及其电气设备的汽车要进入其中，所以其位置主要是根据进厂公路的来向加以确定。此次设计中，将检修间布置在厂房的右端。

为了缩短泵房的长度，便于运行管理人员监视主机组的运行，同时也可缩短通向主机组的电缆，将副厂房布置在主厂房出水侧。

（三）泵房内部布置

泵房内部布置主要是主厂房内的机组、排水沟、交通道、充水系统、技术供水的布设。

1. 主机组的布置：为了使开挖量小，布设整齐，主厂房的跨度小，采用一列式布置。 2. 排水沟和集水井

为了排出水泵、水封用废水和管阀漏水等，主厂房内要设排水干、支沟。支沟一般沿机组基础四周和厂房的横向布置，干沟沿厂房纵向布置，与电缆沟分开。

3. 电缆沟：从配电室引伸至电动机的电缆，直接架在泵房箱型基础的前墙和后墙上。 （四）泵房尺寸的确定

确定泵房尺寸，主要是根据设备的合理布置，并满足设备的安全运行要求和泵房的稳定条件定出其跨度和长度，根据机组及其起吊设备等条件决定除泵房的高度。

1. 泵房长度（主厂房）的确定

泵房的长度主要根据机组的长度（轴向），机组之间间距和检修间长度加以确定。

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泵房长度L=nL0+（n-1）L1+2L2+L3

其中 L0——机组的长度

L1——机组之间间距（查泵房内设备之间的间距） L2——机组顶端到检修间和墙的距离 L3——检修间的长度 n——机组台数 则 L’=nL0+(n-1)L1+2L2 =6×2.56+5×1.4+2×1.5 =25.36m 另外检修间的长度为3.6m 所以 L=25.36+3.6=28.96≈29m

泵站的主厂房一般按工业单层厂房标准设计。柱距为6m，但泵房长度L不是6的倍数，所以将检修间长度L3调整为4.6m，使泵房长度为30m。

2. 泵房的跨度

泵房跨度系指两侧墙定位轴线之间的距离。它是根据泵房内出水管路、阀件、水泵横向长度及安装检修必须的距离而定。泵吸管长度尽量缩短，争取吸程。

跨度B=B1+B2

其中 B1=泵前长度+阀门+水平管长=600+550+1000=2150mm B2=泵后长度+锥管长度+逆止阀长+阀门+人行道 =500+300+800+550+2700 =4850mm

厂房跨度B=B1+B2=2.15+4.85=7m 3. 泵房内各部分高程

水泵的安装高程确定之后，泵房内各部分高程在此基础之上就相应的定出。

（1）泵房地面高程▽地

▽地=▽泵-h1-h2

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式中 ▽泵——水泵安装高程

h1 ——泵轴线至泵底座的距离，可从泵产品样本中查知 h2 ——机组基础顶面至地坪的距离，一般为0.2-0.3m 所以 ▽地=▽泵-h1-h2 =319.83-0.56-0.3 =318.97m

（2）检修间高程D1

应高于泵房底板，其高程一般和配电间地板高程一致，为了防洪安全以及便于

汽车运输设备，检修间地板高程应高出最高洪水位及泵房外地面0.5m左右。

取▽1=320m

（3）副厂房和交通道高程：其高程与检修间相同 4.泵房高度的确定

（1）吊车轨面高程▽轨的确定：

▽轨应保证载重汽车进入检修间装卸设备，所以吊车轨面高程应根据这个起吊基点 由下式确定：

▽轨=▽地+h1+h2+h3+h4+h5+h6 式中：▽地——检修间地板高程（m） h1——汽车车厢底板离地面高度（m） h2——垫块高（m）

h3——最高设备或部件的高度（m） h4——捆扎长度（m）

h5——吊车吊钩到轨道面的距离（m） h6——起吊物吊离车厢底板的必要高度（m） 因为 h1=1.6m h2=0.3m h3=1.1m

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h4=3.5m h5=1.2m h6=0.7m 所以 ▽轨=320+1.6+0.3+1.1+3.5+1.2+0.7=328.4m

(2) 屋顶高程▽鼎由吊车轨面高程▽轨加上轨面高度而定，轨道采用工字梁 取▽定=330.00m （四） 搬入、通风及起吊设备的选择 搬入方式主要采用卡车搬入。

主副厂房不挡水各层，大都有条件开窗户，应尽量采用自然通风。其中设备采用电动单梁起重机，一步法起吊。起重机的工作制应采用轻级、慢速。制动器和电气设备的工作制应采用中级。 八、整体稳定校核

（一） 泵房整体稳定校核

干室型泵房整体稳定校核一般应包括抗滑、抗浮两种工况。根据干室型泵房的结构特点，干室三面都回填土，因受力比较均匀，通常不必进行抗滑稳定计算。但是，由于干室内不允许进水，在高水位时浮力很大，必须进行抗浮稳定校核。

抗浮稳定校核可选择泵房土建完毕，机组未安装，未回填土，但泵房四周达设计最高水位时，此时抗浮力为泵房土建部分的自重，包括屋面系统、砖墙、水下墙及底板等。设其为W（方向朝下），浮托力为泵房淹没于水下同体积德水重，设其为W浮（方向朝上）。

浮托稳定程度以安全数K浮表示。K浮抗浮力与浮托力的比值 即 K浮=W/W浮

K浮必须大于或等于允许的抗浮安全系数[K浮]，一般应大于1.1。如果计算的尺寸不满足抗浮稳定的要求，可考虑增加泵房的自重或将底板适当的伸出并回填土，以利用其上的水重及土重，从而加大泵房的抗浮力。 计算工况应以最不利的工况为准。 （二）地基应力的校核

干室型地基应力的校核工况，取泵房土建施工完毕，机组已经安装及进水池为设计最低水位。取一台机组与相邻另一台机组的中心线所夹的范围作为计算单

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元，地基应力安下式计算：

ax P m =min ∑N/BL（1±6e/B）

e=B/2-∑Ma/∑N

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P max 式中 min 为基础底面边缘最大（最小）地基应力 KPa/m

∑N为计算单元内所有垂直力之和 KN

B为计算底板厚度 m L为计算单元长度 m e为偏心距 m

∑Ma为计算单元内所有外力（包括水平力和垂直力）对A点的力矩之和 KNM

根据《工业与民用建筑地基基础设计规范》有关规定，按允许承载力计算地基应符合下式要求

P≤R

式中 P——地基底面处的平均地基应力 KPa/m2

R——修正后地基土的允许承载力 KPa/m2

受偏心荷载作用时，除符合e=B/2-∑Ma/∑N要求外，尚应符合下式要求：

Pmax≤1.2R 九、进水池与前池设计 （一） 进水池

1.边壁形式与后墙距T

进水池的边壁形式采用矩形。如图7所示

T 图7

进水喇叭口直径D进=（1.3-1.5）D1 =1.3×0.4=0.52M D1——卧式泵的进水管直径

为了改善流态，进水管应仅靠后墙，即T=0.5D进=0.5×0.52=0.26m

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2. 进水池宽度B

进水池宽度B对池中漩涡、回流和水头损失都有影响。 宽度B=机组间距×机组数 =1.4×6=8.4m

3. 进水管口至池底的距离即悬空高度P

该高度在满足水利条件良好和防止泥沙淤积管口的情况下，应尽量减小为宜，以降低工程造价。

P=（0.5——0.6）P进=0.6×0.52=0.312m 取P=0.4m

4. 进水管口淹没深度hs的确定

淹没深度hs对表面漩涡的形成和发展有决定性的影响。 通常采用以下公式计算h临淹， h临淹 ＝KsD进 Ks=0.（Fr+0.65T/D进+0.75）

其中 Fr为弗劳德数 Fr=v进2/gD进 在0.3——1.8范围内取值。

则 Ks=0.（1+0.65×0.26÷0.52+0.75） =0.×2.075 =1.328

所以 h临淹= KsD进=1.328×0.52=0.69m 取 hs=1m

5.进水池的长度Lg 如图8所示

Lg h

图8

进水池必须有足够的有效容积，否则在启动过程中，可能由于涞水

较慢，进水池中水位急剧下降，致使淹没深度不足而造成启动困难，甚至使水泵无法抽水。

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Lg=KQ/hB

式中 Lg——进水池的最小长度 m Q——泵站总流量 m3/s K——秒换水系数 因为 Q=1.62 m3/s > 0.5m3/s 所以 取K=20

Lg=20×1.62/1×8.4=3.86m

6.进水池的安全超高△h 如图8所示

留有一定的安全超高△h，除考虑风浪影响因素外，还应考虑停泵时

所形成的涌浪。

取 △h=0.8m

7.进水池底高程：▽进=314.0m

为了保证良好的进水条件，进水池和机组增设隔墩。 （二）前池

此设计采用正向进水前池。

设引水渠末端嘴下水深为0.6m，渠底高程为315.2-0.6=314.6m，渠底宽为2m，前池扩散角取30°。

则 前池的长度L=（B-b）/2tg（α/2）=（8.4-2）/2tg（30°/2） =11.9≈12m

所以 前池坡率降i=（314.6-314）/12=0.05 即 i=1：20 十、管道设计

1.进水池的布置形式与水泵的结构和类型、进水池水位变化幅度有关。进水池最低水位经常低于水平管段。因此，需要有垂直的管段与水平管段连接。 2.出水管道

根据管路布置原则，本站的压力钢管比较短，长度不超过80m。为了减少管路局部损失，经济运行，本站压力管道不再合并，但机组输水，沿途设支镇墩，保证管道运行稳定。 十一、出水池

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如图9所示

选择正向出水的形式。

1. 水平出流时出水池长度L 根据水面漩涡法知 L=ah淹0.5

a=7-（hp/Do-0.5）2.4/（1×0.5/m2） m=hp/Lp

设 h淹=1m hp=1m Lp=2m m=0.5 a=5.4

所以 L=ah淹0.5=5.4m h淹min=0.3m h淹 hp

L Lp 如图9 淹没出流示意图

2．出水池宽度B

从施工和水力条件考虑，最小单管出流宽度为 B≥（2——3）Do 即 B11=2×0.4=0.8m

所以 B=6×0.8=4.8m 取B=5m 2. 出水池底板高程 如图10所示

它是根据干渠最低水位▽低来确定。 即

▽底= ▽低-（hmin+Do+P） 式中 hmin——最小淹没深 设 ▽低=340m 则

▽底=340-（0.3+0.4+0.4）=338.9m

3. 出水池池顶高程： 如图10所示

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根据池中最高水位加上安全超高△h来确定。

▽顶=▽高+△h =341+0.5 =341.5m 十二、泵站运行工况

泵站运行工况已在泵的选型计算中说明，在此不再阐述。

如图10

十三、结束语

通过此次设计，使我们获得的专业理论知识系统化、整体化。以便于巩固扩大所学的专业知识。增强了我们分析问题、解决问题的能力；提高了设计计算技巧和编写说明书及绘图能力。为适应今后的工作需要打下了坚实的基础。

但是，也发现了不少问题。一是我们理论联系实际的能力还不够强，解决实际问题的能力还有待提高；二是对泵站的总体及细部还考虑不够周全，导致此次设计深度欠佳；三是此设计缺少一些数据，从而在设计说明书中对厂房的稳定分析和应力分析只是理论的阐述。

通过这次设计使我的理论知识更加全面、实践能力更强。设计中发现的问题，也可能是今后工作中所遇到的，我会加以改正，今后不会再犯第二次。

在设计中存在的缺点、疏漏和不妥，恳请各位老师批评指正。

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顶 h 高 低 p 底 参考文献

温新丽主编，水电站及泵站，广播电视大学出版社，2001。 丘传忻编著，泵站，中国水利水电出版社，2004。

张景成 张立秋主编、袁一星 李亚峰主审，水泵与水泵站，哈尔滨工业大学出版社，2003。

王涛主编，水泵及水泵站习题实验课程设计指导书，北京：水利电力出版社，1995。

丁成伟编，离心泵与轴流泵，北京：机械工业出版社，1985。

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目录

一、工程概况………………………………………………………………… （1） 二、基本资料………………………………………………………………… （2） 三、泵站设计参数的确定…………………………………………………… （2） （一） 泵站流量的确定………………………………………………… （2） （二） 泵站设计扬程的确定……………………………………………

四、水泵机组选型及配套……………………………………………………

五、确定水泵的安装高程……………………………………………………

六、站址选择…………………………………………………………………

七、泵站设计及辅助设备选择………………………………………………

八、整体稳定校核……………………………………………………………

九、进水池与前池设计………………………………………………………

十、管道设计…………………………………………………………………

十一、出水池…………………………………………………………………

十二、泵站运行工况…………………………………………………………

十三、结束语…………………………………………………………………

参考文献………………………………………………………………………

（3） （5） （8） （9） （9） 13） 14） 16） 16） 17） 17） 19） 20

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