水源地沙河大开挖穿越工程是西气东输二线的重要工程，位于白龟山水库蓄水区的边缘，单线穿越长1805m，其中水面穿越1470m，平均水深6～8m。由于采沙船常年作业，河道破碎，河床主要由采砂弃渣（纯卵石）构成，渗水性极强，水域开阔。合理构建大型降水系统，有助于沙河大开挖穿越的顺利进行，为西二线东段按期投产提供技术保障。目前，降水系统主要以中小型为主，系统构成比较成熟，广泛应用于矿井降水和基坑降水。大型降水系统的构建，尤其是管道穿越大开挖施工降水系统的构建比较少见。常规降水系统的发电系统无法满足故障切换时间要求高的降水系统要求，同时，备用发电机的数量因过多考虑成本因素而缺乏准确性。为此，对常规降水系统进行改进，使其能够有效缩短故障切换时间，并根据模型准确地选择冗余发电机数量，进而解决深水位降水问题。

1降水系统的组成

改进降水系统主要由发电系统、电气控制系统、水泵组系统和附件系统（水泵组附件以及为水泵组提供支撑或装载水泵的钢结构件）组成，采用燃油发电，为电气控制系统和电机提供能量，电机带动水泵组降水。

2发电系统

发电系统主要由油料储存、供油回路和发电机组构成。由于降水的不间断性，应确保配备足够的发电机，以防止因发电机组故障而使抽水作业间断，导致前期降水工作失败。在强渗水降水系统中，水位上升会对工作人员和设备的安全造成危险，故要求故障切换时间很短。常规发电系统的1台发电机出现故障时，需耽搁大量的时间重新配置备用发电机和改线，无法满足切换时间的要求；常规发电系统采用估算法选择备用发电机数量，主要考虑成本因素，未统筹考虑系统的可靠度。冗余发电系统可以自动检测故障发电机，并立即切换至备用发电机，能够满足切换时间的要求，而且当故障发电机修复后，可自动切换至原发电机；采用冗余系统模型后，可以根据设定的可靠度，准确、经济地选择备用发电机数量。

2.1冗余发电系统工作原理正常工作时，若发电机B、C、D中任意一台出现故障，备用发电机A将立即通过互锁控制器输出电力供给故障发电机所对应的负载，实现不间断供电，故障发电机则自动切断回路（图1）。若故障发电机恢复正常，备用发电机A将停止工作并切换至原发电机。如需进一步提高系统可靠性，可适当增加备用发电机的数量。2.2冗余发电系统硬件配置计算由若干独立事件概率计算方法可知，整个发电系统的可靠度为系统内各发电机可靠度的乘积，即R=R1R2R3Rn。若整个发电系统由3台发电机组成，各发电机的失效率为0.01，则单台发电机的可靠度为0.99，整个发电系统的可靠度约为0.9703，失效率M1为0.0297。若系统为冗余配置，具有1台备用发电机，则至少2台发电机同时出现故障，系统才会瘫痪。2台发电机同时出现故障为独立事件，构成系统故障的合成事件，可采用N模冗余系统模型计算。假设每台发电机的可靠度均相同：式中：Rs为整个发电系统的可靠度；n为发电机总台数，该系统n=4；m为系统正常运行所需的最少发电机数量，该系统m=3；为n台发电机中有i台可靠运行的组合数；R0为单台发电机的可靠度。计算得到整个冗余发电系统的可靠度为0.9994，失效率M2仅为0.0006。M1M2，故冗余系统能够在较大程度上降低失效率。

3电气控制系统电气控制系统是整个降水系统的控制中心。口径和功率不同的水泵，电气控制方式也不同，需要采用不同的启动方式（直接启动和自耦降压启动）。

3.1直接启动小功率电机可以采用直接启动方式，每个断路器作为一个总开关，控制5个空气开关，每个空气开关控制1台水泵电机，由水泵电机控制水泵的运转（图2）。

3.2自耦降压启动随着水泵口径的增大，配套电机功率也随之增大，若采用直接启动方式，启动时的大电流将对电机造成巨大冲击，缩短电机使用寿命。因此，大功率水泵电机启动通常采用自耦降压启动方式，其原理是通过分阶段启动方式降低电机的启动电压，进而减小启动电流（图3）。该启动方式接线简单，方便运行与维修，且投资费用较低。

4水泵组系统及附件系统水泵组系统及附件系统是降水系统的机械部分，由各种水泵、水泵管、水泵框、浮船以及托板组成。

4.1水泵组系统沙河水是含有沙粒的泥浆水，为了确保工程安全，必须使用可靠性高、拆装方便、体形小、质量轻、流量大且效率高的水泵。因此，选择两种水泵施工，分别为可以直接放入水中的潜水式排污泵和不防水的泥流式水泵。水泵管采用结实耐用的排吸橡胶管，接头处及橡胶管之间的连接均采用密封性较好的法兰连接，制作好的水泵管通过螺栓和密封垫与相邻水泵管相连。

4.2附件系统大型河流降水需要多台水泵，沙河大开挖穿越过程中共使用300多台水泵，因此，需要设计水泵网箱、托板、浮船等附属装置用于放置水泵。

4.2.1水泵网箱为了防止大量泥沙堵塞管口、烧坏电机而影响抽水效率，潜水式排污泵不能长时间直接沉入河底进行抽水。因此，专门设计一种可放入深坑中的框架式网箱，将水泵置于网箱内连续抽水，能够有效防止卵石等杂物进入水泵。此外，该网箱可同时容纳多台水泵，便于水泵的搬运、维护和集中控制。

4.2.2托板和浮船托板主要为钢结构，在河岸边使用，可用于固定泥流式水泵，便于集中操作和运输。浮船类似船体，用于放置水泵。抽水时，浮船随水位下降而下降，确保水位始终维持在水泵吸程范围内，保证水泵持续工作。浮船可以弥补泥流式水泵不防水的缺陷，解决因抽水水位下降超出水泵吸程而无法抽水的难题。该船体结构利用了“水落船低”的原理，使船上的水泵随水面的下降而逐渐下降，有效解决了深水位的降水问题。浮船在理想状态下可以应用于任何大型深水位辅助降水，应用范围广泛。总之，西气东输二线沙河大开挖穿越工程采用上述方法合理构建降水系统，有效地解决了卵石地质强渗水河流的降水难题，可供其他类似大型河流开挖降水施工借鉴。

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