正向進水泵站前池流態改善模型試驗研究

(1.寧波市三江河道管理局，浙江 寧波 315020； 2.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092； 3.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

前池是泵站進水建筑物的重要組成部分，泵站前池的布置應滿足水流順暢、流速均勻和池內不得產生渦流的要求[1-2]。實際工程往往因受地形條件限制或進水前池的形狀、尺寸設計不合理，容易在池內形成不良流態，造成前池內泥沙淤積、泵站進水水流紊亂，降低裝置效率，從而引起機組和泵房的振動等問題[3-5]。為了給泵站提供良好的進水條件，保證泵站能夠安全高效運行，國內外學者對泵站前池流態進行了大量的研究[6-8]。徐輝等針對側向進水泵站前池水流流態的改善問題，概括了當前側向進水泵站前池整流技術在流動特征、研究方法和整流措施等方面的研究進展[9]；許健等針對某閘站工程前池的流態，通過模型試驗探討了泵站運行過程中前池內水流的流動規律[10]。

化子閘泵站擬建于慈江干流化子閘南側(右岸)，是慈江上新建3座梯級抽排閘站的中間一級，承擔著承上啟下的重要功能。泵站規劃設計排澇流量為150.0 m3/s，選用了4臺流量為37.5 m3/s的豎井貫流泵。工程主要由上游引渠、前池、進水池、泵房段、出水池以及下游出水渠等組成，在平面上成長條狀順序連接。前池連接上游引渠與水泵進水池，采用正向進水形式，前池總長為15 m，底高程由-1.870 m過渡至-5.525 m。進水池長為24 m，底高程為-5.525 m。化子閘泵站為超大流量泵站(單機流量達到37.5 m3/s)，運行時，前池水流條件較一般泵站更為復雜，因此，有必要專門對其加以研究分析，以保證設計科學合理，工程安全有效。本文主要針對化子閘正向進水泵站前池開展了水工模型試驗研究。

2 模型試驗

2.1 模型比尺

2.2 模型設計與制作

模型范圍包括引河、前池、進水池、水泵、上游進水頭部以及下游出水尾部等幾個主要部分(見圖1)。

對模型按照設計圖進行正態等比例制作；對河道部分采用斷面板法制作，用水泥砂漿抹面；對構筑物部分采用有機玻璃制作，并滿足糙率比尺要求。模型制作精度及標準主要是執行《水工(常規)模型實驗規程SL155-2012》的有關規定。

模型中所采用的模型泵按流量比尺來模擬流量。試驗前，采用直角三角堰對模型泵進行逐臺率定，以保證各泵的流量相同。制作的化子閘泵站水工模型如圖1所示。

圖1 化子閘泵站水工模型Fig.1 Hydraulic model of Huazi pumping station

2.3 試驗量測

(1)模型試驗中,需要量測水位、流速、流量等相關參數，為此，所采用的量測方法[13]，是根據《水工(常規)模型實驗規程SL155-2012》中推薦的量測方法。其中，水位量測采用的是水位測針，其量測精度為±0.1 mm。量測流速采用的是多點自動流速采集系統同步測量。量測水泵流量采用的是雙閥控制：一個閥用于控制啟閉，另一個閥用于控制流量，每臺泵的流量均由直角三角量水堰單獨率定。模型水位采用插板式尾門進行調節。

(2)測點、斷面布置中，沿泵站中線在泵站的上、下游各設置有2個水位測點，用于控制模型水位以及測量沿程水位的變化情況。模型的上游布置有4條流速流向測量斷面，分別位于模型上游進口附近、模型上游的中段、上游的防沖槽處以及泵站的前池(池底水平段中部)，并將其依次編號為1～4號斷面。

2.4 試驗方案

試驗中，根據機組的運行方式(4臺機組運行、3臺機組運行、雙機運行、單機運行)、上游水位(高、中、低水位)不同的組合方式設計出了多種工況進行模型試驗。表1給出了4臺機組同時運行時的幾種工況組合條件。

表1 4機同時運行試驗工況組合條件Tab.1 Combination conditions of simultaneous operation test conditions of 4 units running

3 前池流態分析

3.1 原方案前池流態

上游水位較低時，泵站運行條件相對較差。本次試驗中，最低上游水位為0.71 m(見表1工況4)，對應的工況為本文試驗的最不利工況。現以該工況為主要對象，將試驗得到的泵站上游流態的主要特征描述分析如下。

該工況下，試驗過程中上游各位置的水流順暢，無明顯不良流態，泵站平面進流條件良好。從圖2泵站上游垂線平均流速分布狀態可以看出：① 模型進口河段1號斷面處，河道順直，水流平順，具有較好的來流條件，流速變化范圍為1.14～1.23 m/s;河道中部流速較兩岸稍大，流速分布較為均勻，有利于上游河道的防護，保持河勢穩定。② 模型中段位置2號斷面中部的最大流速為1.23 m/s，左側流速僅約為0.20 m/s。由于新開挖了泵站引渠，河道右側寬度逐漸外擴，致使河道總寬度增加。泵站運行時，該河段來流主流靠右側，較為順直地流向泵站前池；左側水流在化子閘上游河道內形成了一范圍較大、強度很小的回流區域，其中少部分水流受化子閘前水體的頂托，逐漸轉向流向前池，且轉向順暢，未由于繞流而在泵站前池進口處的左側產生明顯的不良流態。③ 3號和4號斷面數據表明，泵站進水前池平面水流通暢，流向順直，流速分布較為均勻，3號斷面的垂線平均流速變化范圍為1.21～1.55 m/s；4號斷面的垂線平均流速變化范圍為0.48～0.58 m/s，各機組的進流均較為均勻，進流條件良好。

在本試驗過程中觀測到，泵站前池上游各斷面的流速沿垂向分布較為均勻，底、中、表流速方向一致，底部流速稍小。但是在泵站進水前池斜坡及池底水平段存在一定范圍及一定程度的回流滯水區域，4號斷面上部流速大于下部，底部為反向流速，如圖3所示。由泵站上游近中心縱剖面流速分布情況可以看出，實測機組進口處的進流均為正向，表明該回流滯水區未發展至流道內。

圖2 泵站上游垂線平均流速分布(4臺機組，水位0.71m)Fig.2 Distribution of average vertical velocity in upstream of pumping station(4 units running, water level 0.71m)

在工況1，2，3條件下，泵站上游流態分布狀況與工況4條件下的分布狀況相似，前池斜坡及池底存在著回流滯水區。同時，由于不同工況下的水位升降變化而使得對應位置的流速相應減小或增加。

綜上所述，原方案試驗結果表明：化子閘泵站運行時，泵站上游的前池斜坡及底部區域存在著一定程度的回流滯水情況。因此，有必要對原設計方案進行優化調整，以改善泵站的運行條件以及保證工程的安全及效益。

圖3 泵站上游近中心縱剖面流速分布(4臺機組，水位0.71 m)Fig.3 Velocity distribution of upstream longitudinal section near the crosssection center of pumping station(4 units running, water level 0.71m)

3.2 方案的優化調整

3.2.1優化調整思路與方法

針對上述試驗結果，根據水流運動規律[14]進行了分析。分析認為：泵站上游前池斜坡及底部區域存在回流現象的主要原因是由于引渠來流中心線與水泵進口中心線之間存在一定的高差，進水前池長度較短，導致斜坡坡度較大，使來流在垂向擴散不充分，從而產生了壁面分離流動。該回流滯水區的存在，減小了有效過水斷面面積，在特殊情況下，可能會干擾到機組流道的進流。因此，本文結合以往工程經驗，考慮通過變更進水前池斜坡坡度的方法對設計方案進行調整。

為了加快工作進度，本文利用數學模型便于修改、高效快速的優點[15-17]，采用數值模擬的方法來進行調整方案的初步比選。考慮到泵站前池水流的橫向水平尺度要遠大于垂向尺度，除側壁附近以外，其余各縱剖面間的水流運動狀態變化不大，具有明顯的二維特征，因此選擇了立面二維數學模型進行研究。

作為數學模型的初步校準，本文首先以原方案為對象，按照設計尺寸建立了前池中部剖面的立面二維水動力數學模型。數學模型采用四邊形結構網格，網格尺度為5 cm。上下游邊界條件給定相應的水位或流量特征值，自由水面采用剛蓋假定[18-20]。采用所建數學模型對原設計方案的工況4進行了水動力數值模擬，圖4給出了該條件下數值模擬所得到的流速分布狀況。

圖4 原設計方案剖面流速分布Fig.4 Profile velocity distribution of the original scheme

對比圖3和圖4 可以看出：原設計方案的數值模擬中，確實反映出有回流滯水區的存在，而且其范圍與物理模型試驗情況吻合，說明該數學模型的數值模擬結果較為準確，能夠用于設計方案調整比選的初步研究。

3.2.2前池底坡比選調整方案及效果分析

前池底坡比選方案的設計，以改善泵站前池的進流條件、消除或減小斜坡及池底的回流滯水區為目的，以減小前池斜坡的坡度為目標，共考慮到了以下幾種情況。

(1) 比選方案1。將前池清污機平臺高程降低1.0 m，由原設計方案的-2.5 m降低為-3.5 m，從而使斜坡坡度從1∶4.00變為1∶5.60。

(2) 比選方案2。將前池斜坡坡腳向下游方向延伸5 m(即將池底水平段縮短為5 m)，從而使斜坡坡度從1∶4.00變為1∶5.43。

(3) 比選方案3。綜合比選方案1及比選方案2的情況，將前池清污機平臺高程降低1.0 m，由原方案的-2.5 m降低為-3.5 m，將前池斜坡坡腳向下游延伸5 m(即將池底水平段縮短為5 m)，從而使斜坡坡度從1∶4.00變為1∶7.60(見圖5)。

圖5 比選方案3設計調整(尺寸單位：mm)Fig. 5 Design adjustment of modified scheme 3

研究中，針對比選方案1，2和比選方案3，分別按幾何尺寸構造體型，采用與原方案相同尺度的計算網格進行剖分；設定了統一的計算參數，分別進行立面二維水動力數值模擬。

數值模擬研究結果表明：比選方案1，2和比選方案3均可以基本消除原方案條件下的前池中存在的橫軸回流現象。但是，比選方案1和比選方案2仍存在一定的低流速滯水區；比選方案3可以更為有效地改善流速的分布狀況，并進一步消除滯水區域，改善進流條件。圖6給出了比選方案3的水動力數值模擬結果。

圖6 比選方案3剖面流速分布Fig.6 Profile velocity distribution of modified scheme 3

3.3 最終方案效果分析

由上述初步分析可知：比選方案3的效果最為理想，在此基礎上，按照比選方案3進行了模型改建及重新試驗。試驗中觀測到，泵站前池上游各斷面流速沿垂向分布較為均勻，底、中、表流速方向一致，底部流速稍小。原方案中，前池底部進水口前的橫軸回流現象已經得到了消除，與數值模擬結果一致。

與原方案相比，最終方案的調整主要位于前池內部，上游河道并未發生變動。因此，上游流態與原方案基本一致，分布規律也大體相同。上游各位置的水流順暢，無明顯的不良流態，泵站平面進流條件良好。

4 結 論

(1) 本文結合化子閘泵站工程實際情況，按照重力相似準則，設計構建了幾何比尺1∶20的正態水工模型。原方案試驗結果表明，泵站前池斜坡及底部區域存在著一定程度的回流滯水情況。

(2) 本文針對存在的流態問題，提出了調整進水前池斜坡坡度以改善前池水流流態的方案；并采用數值模擬對調整方案進行了比選。根據比選結果，選擇出最為理想的調整方案進行模型試驗加以驗證，有效地解決了流態問題并縮短了試驗周期，本研究方法可為類似工程的研究提供參考。

(3) 通過調整前池底坡坡度，原方案中的進水前池底部橫軸回流現象得以消除。試驗結果表明：最終方案的前池水流流態要優于原方案，說明調整前池底坡坡度對改善水流流態效果較為理想。