大型泵站樞紐工程進(jìn)水布置與水力設(shè)計(jì)研究

董 雷，王 剛，張麗萍，王 斌

(徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院，江蘇 徐州 221000)

大型泵站樞紐工程作為調(diào)水工程，在促進(jìn)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等領(lǐng)域發(fā)揮了不可估量的作用[1- 2]。其進(jìn)水布置主要包括引河、前池和進(jìn)水流道等建筑物，總體布置不僅包含與樞紐中其他建筑物的位置關(guān)系，還包含自身的水力設(shè)計(jì)。進(jìn)水布置是否合理，直接關(guān)系到泵站水泵性能和樞紐工程運(yùn)行管理。不良的進(jìn)水水力條件不僅會(huì)引起前池的沖刷和淤積，還會(huì)導(dǎo)致水泵效率的降低，甚至造成水泵振動(dòng)以致強(qiáng)迫停機(jī)，直接威脅整個(gè)泵站的安全。大型泵站作為引調(diào)水工程的核心，其安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行直接影響整個(gè)工程效益的正常發(fā)揮。基于大型泵站在樞紐工程中的重要性，進(jìn)水建筑物的布置與水力設(shè)計(jì)不能僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)，還需對(duì)設(shè)計(jì)成果的水力性能進(jìn)行驗(yàn)證性研究。已有不少學(xué)者對(duì)泵站進(jìn)水布置進(jìn)行相關(guān)的研究[3- 4]。

模型試驗(yàn)雖能得到各種所需的精確數(shù)據(jù)，但因周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，難以在工程設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的飛速發(fā)展，CFD作為一種流體模擬仿真技術(shù)在水力設(shè)計(jì)上應(yīng)用越來越廣范，具有成本低、速度快、資料完備且可模擬各種不同的工況等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，目前已大量應(yīng)用于大型泵站優(yōu)化水力設(shè)計(jì)中，并取得了較好的效果。本文基于CFD技術(shù)，根據(jù)徐州市鄭集站樞紐現(xiàn)狀布置情況，對(duì)泵站進(jìn)水布置設(shè)計(jì)了不同的方案，并以水流流態(tài)最優(yōu)為目標(biāo)，對(duì)各方案進(jìn)行了三維數(shù)值模擬分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，提出了較優(yōu)的總體布置方案和進(jìn)水水力設(shè)計(jì)供工程應(yīng)用。

1 工程概述

鄭集站位于銅山區(qū)鄭集鎮(zhèn)東側(cè)，鄭集河下游，是江蘇省江水北調(diào)工程的第九級(jí)翻水站，擔(dān)負(fù)著徐州市湖西地區(qū)豐、沛、銅三縣區(qū)近200萬畝農(nóng)田灌溉、防洪排澇任務(wù)。由東、西兩座泵站組成，鄭集西站和鄭集東站設(shè)計(jì)流量均為25m3/s。

根據(jù)水資源供需平衡分析計(jì)算，鄭集河輸水?dāng)U大工程鄭集站總規(guī)模80m3/s，因此本次拆建東站并擴(kuò)容至55m3/s。鄭集東站進(jìn)水河道底高程27.50m，進(jìn)水涵洞內(nèi)底高程27.50m，進(jìn)水流道進(jìn)口底高程24.64m，設(shè)計(jì)站下水位30.50m。鄭集東站前池首段寬14m，末端寬35.6m，長(zhǎng)度30m，底坡坡比為1∶10.5。

2 三維數(shù)值模擬

2.1 三維數(shù)值計(jì)算軟件

隨著計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多專用軟件應(yīng)運(yùn)而生[5]。這些軟件在三維流場(chǎng)計(jì)算中得到了大量應(yīng)用，實(shí)踐證明結(jié)果可靠。本文擬采用FLuent軟件，對(duì)鄭集東站進(jìn)水流道前的流態(tài)進(jìn)行模擬計(jì)算，擇優(yōu)應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)。

2.2 控制方程

三維數(shù)值模擬的控制方程有連續(xù)性方程、動(dòng)量方程以及三維計(jì)算中k-ε中的k方程和ε方程，已有不少文獻(xiàn)對(duì)此類方程進(jìn)行了詳細(xì)介紹[5- 9]，本文不贅。

2.3 邊界條件

(1)進(jìn)口邊界條件

流場(chǎng)計(jì)算的進(jìn)口設(shè)置在距進(jìn)水涵洞上游較遠(yuǎn)處，可認(rèn)為此處水流流速是均勻分布的，因計(jì)算流量已知，故進(jìn)口邊界條件可采用速度進(jìn)口。

(2)出口邊界

鄭集東站原設(shè)計(jì)為5用1備的形式，因本文僅定性分析泵站布置形式，設(shè)置6個(gè)進(jìn)水池均正常工作。為分析前池的偏流對(duì)6個(gè)進(jìn)水池內(nèi)流量產(chǎn)生的影響，本文在進(jìn)水流道進(jìn)口后增加一段計(jì)算段，在此段出口可認(rèn)為流動(dòng)已經(jīng)充分發(fā)展，出口邊界可設(shè)置為自由出流。

(3)邊壁邊界

河道邊坡、涵洞邊壁、進(jìn)水池與涵洞中墩，相對(duì)于水流是靜止的，設(shè)置為靜止壁面。固壁邊界條件的處理中對(duì)所有固壁處的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用了無滑移條件，對(duì)緊靠固壁處節(jié)點(diǎn)的湍流特性，采用了對(duì)數(shù)式固壁函數(shù)處理，以減少近壁區(qū)域的節(jié)點(diǎn)數(shù)[10]。

內(nèi)部邊界在模型內(nèi)部界面無需特殊處理，僅需指定其位置[5]。

(4)自由水面

水流的上表面為自由水面，若忽略水面風(fēng)引起的切應(yīng)力，則自由面的速度和紊動(dòng)能均可視為對(duì)稱平面處理[10]。

3 方案設(shè)置及模型構(gòu)建

鄭集東站原始方案為布置緊湊，將鄭集東站與現(xiàn)狀鄭集西站并排布置。通過進(jìn)水涵洞穿鄭集河北岸堤防，與引水河道呈115°夾角，進(jìn)水前池為正向進(jìn)水布置。

采用三維數(shù)值模擬，對(duì)原方案進(jìn)行了計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了以下幾種調(diào)整方案。各方案布置圖分別如圖1～4所示。

(1)方案1：延長(zhǎng)進(jìn)水池隔墩

將進(jìn)水池隔墩，逆水流方向向前池內(nèi)延長(zhǎng)5m，以增加流道前的調(diào)整長(zhǎng)度。

(2)方案2：在前池中部設(shè)帶射流孔的底坎

在前池中部橫向布置1.0m高0.5m寬底坎，底坎內(nèi)部順?biāo)鞣较蚓鶆虿贾?2個(gè)射流孔(孔口尺寸為0.5m×0.5m)，以調(diào)整前池內(nèi)的水流。

(3)方案3：調(diào)整進(jìn)水涵洞引水角度

調(diào)整泵站布置方向，使得泵站、前池及進(jìn)水涵洞軸線與鄭集河軸線夾角為25°。

圖1 原方案布置圖

圖2 方案1布置圖

圖3 方案2布置圖

圖4 方案3布置圖

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，各方案中的涵洞和進(jìn)水流道流量分布情況如圖5、6所示。

圖5 涵洞流量分布情況圖

圖6 進(jìn)水流道流量分布情況圖

4.2 結(jié)果分析

(1)原方案

因進(jìn)水涵洞引水角度較大，1～3號(hào)涵洞的流量依次遞減。1～6號(hào)進(jìn)水流道的流量總的趨勢(shì)亦依次遞減，但由于受進(jìn)水涵洞隔墩所導(dǎo)致的前池內(nèi)低流速區(qū)的影響，2號(hào)和5號(hào)進(jìn)水流道內(nèi)的流量相比理論趨勢(shì)值偏小。進(jìn)水涵洞和進(jìn)水流道流量的均值分別為18.30m3/s和9.15m3/s，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.92和1.19。

原方案前池內(nèi)流態(tài)圖如圖7所示。由于與進(jìn)水河道夾角較大，導(dǎo)致進(jìn)水涵洞內(nèi)出現(xiàn)了明顯的偏流，加之進(jìn)水涵洞隔墩的影響，在前池末端(流道進(jìn)口處)出現(xiàn)2處一定范圍低流速區(qū)。

圖7 原方案前池內(nèi)流態(tài)圖

圖8 方案1前池內(nèi)流態(tài)圖

(2)方案1：延長(zhǎng)進(jìn)水池隔墩

向前池內(nèi)延長(zhǎng)進(jìn)水池隔墩，未引起進(jìn)水涵洞內(nèi)水流變化，因此進(jìn)水涵洞進(jìn)口流量分布與原方案一致。受隔墩向前池內(nèi)延長(zhǎng)的影響，邊孔流道的流量略微減小，中間流道略有增加，但總的趨勢(shì)與原方案大致相同，進(jìn)水流道內(nèi)偏流現(xiàn)象依然較明顯。進(jìn)水涵洞和進(jìn)水流道流量的均值分別為18.30m3/s和9.15m3/s，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.84和1.21。

由于前池的擴(kuò)散角約為40°，將進(jìn)水池隔墩向前池延長(zhǎng)，使得入邊孔進(jìn)水流道的流量減少，加之進(jìn)水涵洞偏流及進(jìn)水涵洞隔墩的影響，1、2、5、6號(hào)流道進(jìn)口流態(tài)并不比原方案好。向上游延長(zhǎng)隔墩，相當(dāng)于是增長(zhǎng)進(jìn)水流道的調(diào)整段，3、4號(hào)流道進(jìn)口流態(tài)有較好的改善。

(3)方案2：在前池中部設(shè)帶射流孔的底坎

進(jìn)水涵洞內(nèi)流量分布情況與原方案大致相同。受前池?cái)U(kuò)散及前池內(nèi)低流速區(qū)的影響，1、5號(hào)及6號(hào)進(jìn)水流道的流量略微偏小。由于底坎的存在，迫使過底坎水流重新分布，前池內(nèi)面層水流有較好改善，進(jìn)入各流道的流量相對(duì)較均勻。雖然在底坎內(nèi)設(shè)置了射流孔，但過孔的流速較小，因此底坎后仍存在一定范圍的低流速區(qū)。長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，此處將會(huì)形成一定范圍的淤積。進(jìn)水涵洞和進(jìn)水流道流量的均值分別為18.30m3/s和9.15m3/s，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.78和0.73。

受坎后低流速區(qū)的影響，進(jìn)水流道進(jìn)口處的流速分布情況較原方案反而變差。

圖9 方案2前池內(nèi)流態(tài)圖

圖10 方案3前池內(nèi)流態(tài)圖

(4)方案3：調(diào)整進(jìn)水涵洞引水角度

調(diào)整進(jìn)水涵洞引水角度后，涵洞內(nèi)的流量分布有明顯改善。受前池?cái)U(kuò)散的影響，1號(hào)進(jìn)水流道內(nèi)的流量偏小，受進(jìn)水涵洞隔墩所導(dǎo)致的低流速區(qū)的影響，2、5號(hào)進(jìn)水流道內(nèi)的流量略偏小，但進(jìn)水流道內(nèi)的偏流現(xiàn)象較原方案有較明顯的改善。進(jìn)水涵洞和進(jìn)水流道流量的均值分別為18.30m3/s和9.15m3/s，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.31和0.55。

由于進(jìn)水涵洞偏流現(xiàn)象得到了緩解，因此進(jìn)水涵洞隔墩引起的低流速區(qū)范圍相應(yīng)有所減小。

綜合以上分析可知，調(diào)整進(jìn)水角度后，進(jìn)水涵洞和進(jìn)水流道偏流情況得到了明顯改善；前池內(nèi)帶流態(tài)也較好，經(jīng)過進(jìn)水流道的進(jìn)一步調(diào)整，可為水

泵提供較優(yōu)的進(jìn)水條件。

5 結(jié)論

根據(jù)三維數(shù)值模擬計(jì)算，優(yōu)選出了鄭集東站最佳的進(jìn)水布置形式(方案3)，該方案不僅調(diào)整了進(jìn)水涵洞各洞的流量分配比，使各洞內(nèi)的流量分配更為均衡，而且調(diào)整了前池內(nèi)的流態(tài)，為水泵安全穩(wěn)定運(yùn)行提供較優(yōu)良的進(jìn)水布置條件。因此建議鄭集東站工程進(jìn)水布置設(shè)計(jì)中優(yōu)先選用方案3，并建議該工程下一階段設(shè)計(jì)可根據(jù)情況進(jìn)行整體模型試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證數(shù)值模擬計(jì)算成果。通過本文研究結(jié)果可知，三維數(shù)值模擬計(jì)算方法可及時(shí)有效地對(duì)泵站進(jìn)水布置進(jìn)行定性定量研究，為大型泵站樞紐的設(shè)計(jì)和研究提供更為便利的研究手段。