豐和電排站擴建工程引水前池設計及流態特性分析

胡 靜

(南昌市水利規劃設計院，南昌 330009)

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豐和電排站擴建工程引水前池設計及流態特性分析

胡 靜

(南昌市水利規劃設計院，南昌 330009)

文章以江西南昌豐和電排站擴建工程為例，通過比選分析確定引水前池設計方案及其水力參數，并運用CFD和湍流模型RNG 對所設計前池的流態特性進行分析，驗證了新設計前池方案的合理性，并為后期電排站運行管理提供借鑒。

電排站；引水前池；設計方案；流態特性；甩負荷狀態

0 引 言

前池是水利工程建設中一種重要的水工建筑物，其功能主要是改善水流流態和減少水頭損失，通過調整水流流態為泵房電機工作提供良好的水流條件。前池設計方案合理性對電排站的經濟、安全運行有著重要的影響，如前池設計方案與電排站運行狀態不匹配，將會造成前池內水流能力分布不均勻、水流流態紊亂，進而產生淤積、渦旋、回流等不良水流情況，導致泵站工作性狀發生改變[1]。因此，水利工程在前池結構設計中，應通過工程運行需求，選擇適宜的前池設計方案，并通過有效的驗證措施以保障設計方案的合理性。

1 工程概況

豐和電排站(老站)位于豐和聯圩的鐵臂前圩段(樁號4+700)，東側緊鄰廬山南大道，于2000年建成運行。豐和片區采用雨污分流方式處理，近年來由于城市道路及城市建設發展，原調蓄水面被不斷擠占。同時，由于老泵站前池狹小，城市排水無法正常引入前池，且前池容積太小，已不能滿足機組全部運行要求。為了較好解決豐和治澇區排水問題，工程設計確定采用易址擴建方案，保留老站，在調蓄湖北側擴建豐和電排站，調蓄湖通過豐和聯圩內側引水箱涵與老站相連。

2 前池設計方案

2.1 前池引水結構設計比選

結合擴建電排站方案及地質環境情況，前池設計方案有兩種型式，方案一：正面引水發電，側面溢流、排砂；方案二，正面溢流、排砂、側面引水發電，兩方案的綜合比較情況見表1。

表1 壓力前池方案比較表

參考老站運行情況，并通過經濟、施工、工程實施效果等方面進行比選扽系，確定設計擴建站前池采用正向進水方式。前池進出口底板高程分別為15.00m和13.00m，底坡為1:6。考慮老站前池容積不足情況以及擴建站排澇流量，設計增加前池結構尺寸。前池總長(中心線處)12.00m，前池進口凈寬9.1m，出口與泵房相接凈寬13.2m。前池邊墻采用C25鋼筋混凝土懸壁式擋墻，墻頂高程20.30 m，墻頂現澆混凝土面板，使前池部分頂板成為中控樓的地面板，前池底板采用C25鋼筋混凝土底板，板厚0.7m，底板上設φ=80mm的排水孔，排水孔梅花形布置，間距為1.5 m×1.5m，排水孔下設土工布和反濾層。

2.2 水力計算

1)設計水位。參考擴建站排澇量及防洪標準，采用水面線計算法求得最低運行水位為17 m。

(2)最高水位。以擴建站機組全部處于甩負荷狀態計算，并參考電排站最大涌波高度為準，計算公式如下[2-3]：

ξn=Qn/CnBn

(1)

式中：ξn涌波高度，m；Qn為水流流量變化值，m3；Cn為行進波波速，m/s；Bn過水斷面寬度，m。

帶入相關參數，計算得到4臺電排站機組甩負荷時的最高水位為19.5m，而最高運行水位為17.5m。

(3)最低運行水位。最低運行需求應滿足豐和區域排澇量需求，考慮老站與擴建站的運行管理方式，確定擴建站進水口的最低運行水位為15.5m。

3 電排站前池流態特性分析

電排站前池水流流態模擬運用CDF方法，計算模型選擇RNGk-ε，采用流體模擬軟件Flow3D對前池結構內水流流速扽不及水位變化情況進行分析[4-5]。豐和電排站擴建工程有工作機組4臺，設計模擬機組不同數量機組在增負荷情況下的流態特性。

3.1 流態模擬工況

考慮電排站正常時期以及特殊時期的運行需求，按照不同時期機組工作狀態進行工況的設計。模擬工況方案如下：

1)工況Ⅰ：4#機組增負荷。

2)工況Ⅱ：3#和4#依次增負荷。機組在增負荷之前，池內水流流速處于不均勻分布狀態，增負荷后池內水流流速將變大，直至所有機組進水口流速相同。這一時期內池內水位會首先發生降低，過程會伴隨有緩慢升降的變化直至與前室水位相同。前池水位降低會導致泵站壓力管道進水口流態發生變化，并可能產生吸氣或回流漩渦，同樣對機組的安全運行造成影響。

3)工況Ⅲ：4臺機組全部處于甩負荷狀態。當機組全部處于正常運行狀態時，前池內部水流流速分布較為均勻，且呈對稱分布狀態，水流流態較為穩定。而當機組全部處于線性甩負荷狀態時，擴建站的發電流量由設計流量逐漸降至零，這一過程中通過前池流量將變小，并且池內水位將逐漸；當達到泄流水位時，前池內水流將通過泄流槽下泄水量。此過程中前池內水位發生反復的波動變化，并可能產生回流漩渦的情況，對機組的運行產生不良影響。

3.2 流態特性模擬成果分析

3.2.1 工況Ⅰ

工況Ⅰ條件下水流流態變化情況如圖1所示。4#機組增負荷150s之內，前池內水流流態仍然較為穩定，未出現明顯的紊流或回流漩渦等不良情況。而在150s后，水流狀態發生變化，并逐漸出現不穩定流態，在250s后出現回流漩渦。這主要是由于機組負荷增加后，引水流量變大，池內水位降低；而明渠內的水流又迅速涌入前池，使得前池水量得到補充，使得水位又得以回升，水位反復波動極易出現水流的回流情況。而在300s后，前池水流回流現象逐漸消失，回流漩渦始終與壓力管道進水口位置較遠。綜合分析可知，機組增負荷過程中，池內水流流態變化情況仍較為理想，不會對泵站機組安全運行造成影響。

圖1 1臺機組甩負荷流態變化情況

3.2.2 工況Ⅱ

模擬得到3#、4#依次增負荷時前池水流流態變化情況如圖2所示。隨著3#、4#機組工作負荷的增加，前池內水位首先逐漸下降，水流流態發生變化。在100s時，池內水流開始出現較為強烈回流跡象，并在130s時形成回流漩渦。此后，回流漩渦規模逐漸減小，在200s時消失，水流轉為穩定狀態，未出現不利機組運行的情況。

圖2 2臺機組甩負荷流態變化情況

3.2.3 工況Ⅲ

工況Ⅲ條件下水流流態變化情況如圖3所示。正常條件下的前池內水流流態穩定，而當t=5s時，前池內部水流水位開始逐漸上升，并在局部區域出現輕微的回流現象。出現這種情況的原因主要是機組的引水量減少，而來水量仍按照泵站正常運行狀態時的需求進行，造成前池內水量增加、水位上升，并產生回流現象。當t=80s時，前池內的水流狀態更差，在距離壓水管道進水口較遠的池中心位置出現兩個回流漩渦，這主要是池內上升水流與泄洪水流共同作用的結果。而在t=200s時，在池內正負涌波的作用下，回流漩渦情況逐漸消失，并逐步恢復到穩定流態。

圖3 4臺機組甩負荷流態變化情況

工況Ⅲ為最不利工況，模擬此時期池內水位變化情況，如圖4所示。由圖可知，當機組屬于甩負荷狀態時，前池內水流對稱分布狀態將被破壞，水流在泄流堰前方發生回流。一段時間后，池內流速降低，水位繼續上升。但最高水位仍不超過設計水位，故不會出現進水口水流漫過頂部的情況。

圖4 溢流堰水位變化示意圖

4 結 語

引水式前池在調節水電站水流流態方面具有重要的作用，在設計中應根據工程運行需求確定有效的引水方式，控制電站負荷與前池的容積等內容，并可有效的驗證手段驗證方案設計合理性，以保障電排站的經濟、安全運行。通過豐和電排站擴建工程設計前池模擬得出，電排站在不同甩負荷情況下，前池內水流流態特性較為理想；在全甩負荷情況下，前池水位雖已經發生溢流，但最高水位仍低于設計允許值，表明擴建工程前池結構體型及參數符合工程設計要求。

[1]李敏.循環水泵房正向進水前池水力性能探究及結構優化[D].太原：太原理工大學,2012.

[2]王治中,劉林章.水電站壓力前池容積研究[J].西北農林科技大學學報：自然科學版，2005(12):143-147.

[3]羅小鵬,李宇,孟濤.新疆喀什地區疏附縣欄桿水電站前池改造設計方案初探[J].水利與建筑工程學報,2005(04):51-54，71.

[4]侯才水.基于CFD的水電站壓力前池流態特性研究[J].水利水電技術,2012(04):49-52.

[5]趙濤，侯杰.甩負荷后壓力前池的水流特性及輸排沙的試驗研究[J].新疆農業大學學報,2005,28(02)：72-75.

文章編號：1007-7596(2016)08-0011-03

[收稿日期]2016-06-26

[作者簡介]張坡(1973-)，男，山西臨汾人，工程師。

Fenghe Electric Water Drainage Station Extension Project Diversion Forebay Design and analysis of Flow Regime Characteristics

HU Jing

(Nanchang Municipal Water Conservancy Planning Design Institute，Nanchang 330009，China)

Taking the extension project of Fenghe electric water drainage station in Nanchang of Jiangxi Province as the example，by comparing and analyzing the diversion forebay design scheme and its hydraulic parameters，CFD and RNG were applied to analyze the characteristics of designed forebay flow regime ，this paper verified the rationality of new design forebay scheme and supplied

for future operation and management of electric water drainage station in the future.

electric water drainage station; forebay of water devision;design scheme;characteristics of flow regime;state of load shedding

S277.1

B

1007-7596(2016)08-0145-03

2016-06-24

付彥鵬(1981-)，男，遼寧北票人，工程師，研究方向為水土保持。