一、出水管道设计

水泵至出水池之间的一段有压管道称为出水管道。出水管道的长度、数S和管径的 大小对泵站的总投资影响较大。特别是高扬程泵站，出水管道往往很长，在泵站总投资中 所占的比重较大，而且由于管道摩阻，消耗大a能源，因而也影响泵站的运行费用。另外， 出水管道应适应水泵不同工况下的安全运行要求。因此，必须合理地设计出水管道，以降低工程造价，保证安全运行。

(―)设计原则

出水管道的设计原则如下：

(1)管道的技术经济指标高；

管道有足够的强度、刚度和稳定性；安全可靠，有必要的安全装置；安装和维修简便，密封性能好。

(二）出水管道布置

线路选择

出水管道的轴线应垂直于等高线，避免转折，尽量短而直。管线坡度不应大于土壤的自然安息角度（一般釆用1:2.5〜1:3的管坡为宜），管线应减少地基开挖量和避开填方区，而且有足够的承载能力，以保证管道的稳定。

布置形式

单泵单管平行布置（见图5-42(a))。适用于管道较短（一般小于100 m)、机组少的泵站。

单泵单管收缩布置(见图5-42(b))。当机组台数多时，出水管向出水池收缩，逐渐缩小管和管之间的距离（管道净距不得小于0.8 m)，最后和出水池的设计宽度相匹.多泵并联布置（见图542(c))。多泵并联布置又分为平行式和收缩式，在多机组且管道较板的泵站中采用_D这种布置形式可以节省管材，伹增加了管道附件，从而使局 部水力损失加大。因此，在选用时应进行技术经济比较，确定最佳方寒。

(三}出水管道的铺设方式

1.明式铺设

明式铺设是出水管道铺设于管线地基之上的一种铺设方式（见图543)。其俅点是便于管道的安装、检修和养护；缺点是管道因热胀冷缩，来回滑动频繁，减少了管道的寿 命。另外，冬季管道存水，容易冻坏管道。

为便于安装和检修，管间净距不应小于0.8 min,钢管底部应髙出管槽地面0.6m。预应力钢筋混凝土管应髙出地面0.3 m。当管径大于或等于1 m且管道较长时，应设检修孔，一般每条管道不应少于两个。

右。这样不仅增加了泵站的年折旧费，而且也威胁着泵站的安全运行Q因此，对于出水钢管，在安装和运行期间，必须进行认真的防锈处理，以延长管道的使用寿命c预应力钢筋混凝土管和钢管相比，具有节省钢材、价格便宜、使用年限长、输水性能好等优点。和现浇钢筋混凝土管相比，又具有安装简便、施工期短等优点。因此，在泵站设计中，在设计压力允许的情况下，应尽量选用预应力钢筋混凝土管。

一般情况下，预应力钢筋混凝土管釆用暗式铺设，而金属管常采用明式铺设，若金属管须铺设于地下，管道表面应加防锈保护层。

(五）管径及管壁厚度的确定
1.出水管管径选择

出水管道在长度和流量一定时，管径的大小对泵站的投资和效率都有直接影响。因此，应根据能耗少、投资省等因素综合分析，选用经济合理的管径。在初设阶段,可按以下公式选用经济管径，即

式中0——栗站的设计流量，

D——出水管道的直轻,mm。

根据经济流速确定经济管径

式中Q^^管道的设计流量，m3/s;

D 出水管道的直径，m;

化——出水管道经济流速，一般净扬程为501 m以下取1.5〜2.0m/s，净扬程为50~100 m可取 2.0〜2.5m/s。

根据扬程、流量确定经济管径

式中——管道内最大流量，m3/s;

出水管道的直径,

泵站净扬程，m。

利用以上公式确定管径的计算较简单，但不够精确。同时，计算的管径应调整为标准管径。   ^

2.管壁厚度的确定    —

钢筋混凝土压力水管已定型化生产，可根据规格选用。钢管管壁厚度的确定主要枭

考虑内水压力，由强度和刚度确定,其具体计算见《材料力学》。

二、镇墩

(一)结构型式

镇墩是出水管道的固定支座,用来消除管道在正常运行或事故停机时的位移和振动。

镇墩的基础，可做成倾斜的阶梯形状，以增大镇墩的抗滑强度。建于土基上的镇墩基础底面，一般筑成水平状，且基底髙程位于冻土线以下D

在两镇墩之间，沿管身应设置支墩C支墩只承受管轴的法向力，为保持出水管道的正确位置，允许管道沿轴线方向发生位移，因此应尽量减小管壁和支墩表面之间的摩擦力

其结构型式如图545所示D支墩的断面尺寸，一般按构造要求确定。

（二）镇墩设计

镇墩属重力式建筑构件，它以自身的重力来维持稳定。设计方法和重力式挡土墙基本相同。设计内容包括镇墩在最不利荷载组合作用下的抗滑和抗倾稳定性、地基的强度和稳定性以及墩体的强度，在满足上述要求下确定镇墩的几何尺寸,具俺设计参见其他相关书籍。

三、泵站水锤计算及防护措施

(一)水锤及其研究目的

出水管道内的水流因开阀、关阀和停泵等突然变化，引起管内流速的突然变化，由此而引起单位时间内动量的变化，必然产生相应的惯性力，从而引起管道内压力的急升和突降的交替变化现象。这种水流流速和压力随时间和位置而变化的现象，称为水锤（或称水击）。

泵站水锤有启动水锤、关阀水锤和由于突然停电等原因形成的事故停泵水锤。前两种水锤在正常操作程序下，不会引起危及机组安全的问题。后者形成的水锤压力值往往很大，从而酿成事故。因此，研究水锤和计算水锤的目的是:①拟定最高水锤压力对管道
和机组造成破钚时的防护措施;②拟定最低水锤压力在管道内引起不允许的负压，以及导致对管道破坏时的防护措施;③防止机组逆转所产生的破杯现象。

(二}停泵水锤分析

在抽水装置系统中，泵的特性即作为管道起始一端的边界条件,现在我们分析一下管道不设逆止阀，管道出口也不设拍门，当事故停泵,泵失去驱动力，泵出水侧®阀无法及时关闭，管道内水倒流时的水锤过程（或称水力过渡过程），如图546所示。

水泵工况

水泵失去动力后，水泵的转速急剧下降，泵和出水管道内的水流由于惯性而继续沿原有方向运动，但其流速迅速减小，压力下降，直至水流停止正向流动，流量为零。在这一瞬间，水泵仍为正转，水流为正流（由水泵向出氷池方向的水流运动称为正流），称力水泵工况。

制动工况

在出水管内流S为零的瞬态静止水体,因受到出水池静水头的作用，出水管内产生了由出水池向水泵流动的逆向水流，逆向水流对仍在正转的水泵叶轮起着制动的作用，迫使机组转子的转速加速下降，直至转速为零。在这一瞵间，由于正转的叶轮对逆流的抵阻，泵出口压力逐渐升高这一瞬间的水泵瞬态工况称为制动工况。水轮机工况随着逆向水流流S的增加，水泵的转速由零而开始逆转，并迅速上升，同时，转动着的叶轮对水流的离心力也随着增大，对逆向水流起阻碍作用。这种阻力随着叶轮逆转的加速而增大，使泵后压力迅速上升，在某一时刻达到最大值，其相应的逆向转速也达到最大值。在阻力增大的同时，也抵阻了逆M水流流量的继续增加，在达到某一最大值后，逐渐减小。作用于叶轮的能暈亦相应减小，使逆向转速逐渐下降，直到在稳定的静水头作用下，水流作用于叶轮上的转矩与机组转动部分的阻力矩平衡，机组以恒定的逆向流量与转速在无任何负载的情况下像水轮机那样工作，水锤压力随之消失。这一瞬态工况称为水轮机工况。以上为无逆止阀时的停粟水锤发虫情况。同时,泵后的压力变化将以水锤波的形式沿着出水管道向出水池正射，再由出水池反射回来，在出水管道中形成复杂的水锤现象。

(三}事故停泵水锤计算1

停泵水锤的计笕方法有图解法、解析法等。下面介绍在生产中应用较广的美国工程师J •帕马金提出的图解曲线法(见图547)D它适用于比转数为90(或接近90)，出水管上不装逆止阀的离心式抽水装置。其图解方法是先求两个参数V和后，即可在曲线的坐标h杳出所M的数据n其中

6D2——机组转子的转动惯盘，kg • m2,可按电机样本中查到的电动机转子转动惯量的1.1〜L2倍计算；
a—一水極波的传播速度，m/s;管子的内径和管襞厚度m;

水的弹性模量和管壁材料的弹性模量，MPa。

利用帕马金图解曲线还可以近似地估算出水泵出口处装有逆止阀时的停泵水锤压力^其做法是先按上述方法求出水泵处和出水管中点处的最大降压率，换算成绝对值后，分別加上水泵出口处和出水管中点处的静水头，即得出在逆止阀关闭时水泵处和管道巾点处的最大升压值。其最大降压值的计算方法与无逆止阀时相同。

(四）水锤防护措施

减小水锤对于降低管道造价和改善机组运行条件都有着很大的意义，因此必须对停泵水锤釆取必要的防护措施，并结合泵站的具体情况加以确定。

由于停泵水極首先出现降压，如果在初始阶段降压过大，则随后第二阶段的升压也较大，所以首先从防止降压过大着手〔其次再考虑防止第二阶段的升压过大措施。下面介绍

一些常见的防止水锤的措施。     ^

1.防止降压过大措施                     ^

(2) 减小管道中水流的流速。当管道中水流的流速减小时，管中水柱惯性能量就减小,从而防止了管道中出现过大的压降。而减小流速是通过增大管径的办法来得到的，因此常常是不经济的。采取此措施必须与其他措施进行经济比较。变更出水管道纵断面的布置形式(如图548所示K当管道纵剖面在最低压力线以上时，则管中（虚线）将出现负压，尤其在上缓下陡的管道接头处（拐点压降最大，也最易引起水柱中断。若管道布置改成上陡下缓的实线形式，则避免了上述情况。但是，管道的布置形武是由地形条件决定的，所以常常不能随意更改，只有在挖方增加不大的情况下才是有利的。 

管道的布置形武是由地形条件决定的，所以常常不能随意更改，只有在挖方增加不大的情况下才是有利的。

(3)设置调压室。调压室是一个具有自由水面的水槽，通过调压室中的水流进管道，或管道中的水流进调压室来缓和管道中的压力变化,从而保证管道中压力的稳定。如

图5_49所示，在出水管道的转弯处，设置调压水箱。在水泵正常运行时，逆止阀4关闭，一旦发生降压水锤，在C点出现负压而水柱分离，逆止阀瓣被箱中水体推开，箱内水流向负压处补充，避免C点降压过大。

(4)设置空气室e在紧接逆止阀出水侧的管道上^安装一钢制密闭圆筒，上部为压缩空气，下部存水和管道压力水流禎通，如图5-50所示。当管中压力降低时，上部压缩空气把室中存水压X管路中，从而防止了降压过大。当管中增压时，水又延入室中将空气压缩.减缓了对逆丨t阀瓣的冲击，因而便升压降低。

2.防止升压过大措施

（1）安装水锤消除器。水锤消除器是一个具
有一定泄水能力的安全阀，它安華在逆止阀的出侧。当停泵后管中形成降压永锤波时,阀门打开;随后管中压力升高，将管中一部分髙压水泄走，从而达到减弱增压，保护管道的目的。目前采用的水.锤消除器有下开式（见图5-51)和上开式两种。

(2) 安装缓闭阀。缓闭阀就是当事故停泵

（3）时，通过相应的传动机构让逆止阀或其他类型的阀门按预定的程序和时间自动关闭。这样，既减弱了:IE压水锤，又可限制倒泄流量和倒转转数,是一种较好的水锤防护措施，有时还将其作为水泵主阀之用。缓闭阀型式较多，根据阀型分为微阻缓闭式逆止阀闭式蝶阀和缓闭式平板闸阀。

取消逆止阀。将抽水装置中的逆止阀取消后,在事故停泵时，由于管道中的水流可以经过水泵倒流泄水,从而大大降低其水锤增压值。因为采取这种措施无需安装任何其他水锤防护设备，所以能够简化设备，降低成本。

安装安全膜片。在出水管道的支管一端安装安全膜片，将主管口封闭，当管道压力超过允许的fe限压力时,膜片遭到破坏，从而使出水管内压力下降。膜片应采用脆性材料（最好避铸铁）制成，厚度根据正常运行时可能出现的最髙压力确定。膜片前应装闸阀，这个闸阀通常开启，只在膜片破坏后才关闭，这种措施只能当做备用措施，当主要措施先灵时釆用。是否釆取这个措施，应当根据管道和主要防护设备的典体条件予以决定。