高含沙水泵站側(cè)向進水前池試驗與分析

楊慶勝，顧靖超，竇元之，陸立國

(1.寧夏水利工程建設(shè)管理局，銀川 750001；2.寧夏水利科學研究院，銀川 750021)

1 基本情況

鹽環(huán)定揚黃泵站更新改造工程是國家實施的精準脫貧項目之一，泵站進出水建筑物布置形式和尺寸直接影響水泵性能、裝置效率、工程造價以及運行管理等。一般泵站前池擴散段較短，來流進入前池后，水流難以均勻擴散，易形成回流、旋渦等不良水流態(tài)，從而影響水泵效率，造成能源浪費。嚴重時還會引起噪音、振動、汽蝕等現(xiàn)象, 影響水泵正常運行。對于多泥沙河流來說，由于水流中夾帶有大量的泥沙，前池內(nèi)的不良流態(tài)將引起池內(nèi)泥沙淤積，引發(fā)水泵機組的振動、氣蝕并降低水泵的效率[1]。

30年來，寧夏依托黃河建設(shè)了諸多高揚程多梯級揚水工程。薛塞光[2]等通過對寧夏最有代表的紅寺堡和固海擴溉揚水工程泵站前池泥沙淤積狀況的量測，分析了實際工程中前池形式與泥沙淤積形態(tài)和規(guī)律，提出了多泥沙河流條件下，前池形式應(yīng)優(yōu)選緊縮性側(cè)向進水或圓形進水。馬春生[3]等提出多泥沙水源泵站前池防淤的對策。陳小鵬[4]分析了前池的設(shè)計要點及其對水流流態(tài)和水泵機組運行的不利影響，提出了設(shè)計中的重點及改善水流條件的措施等。

泵站前池內(nèi)的水流流動是一種復雜的三維流動，目前多采用物理模型來進行研究。模型試驗一般采用正態(tài)模型，同時滿足相應(yīng)的相似準則來進行試驗。

清水模型試驗方面，衛(wèi)勇、王孝儉等提出：兩岸岸坡應(yīng)盡量陡一些，直立為最好；水平段不宜設(shè)置攔沙坎；左、右岸擴散角應(yīng)盡可能的小；前池內(nèi)的分流墻宜采用直線型，不宜采用折線型；在泵前斜坡段沿橫斷面加設(shè)導流墻(壓水板)，既可增加進水池的底部流速；又可在水泵停運時，使斜坡段的泥沙少一些落入進水池，從而減少泵前泥沙淤積[5]。周濟人等通過針對側(cè)向進水和多泵聯(lián)合運行的復雜前池進水流態(tài)的試驗，提出通過加大水流速度以獲得原型相似的模型流速，保證模型內(nèi)水流流動能夠正確地模擬前池水流在流道進口處的漩渦的生成、發(fā)展情況以及前池內(nèi)大尺度的回旋[6]。鄭源，屈波等結(jié)合廣昌泵站前池水流流態(tài)進行了模型試驗研究，提出在供水管出口設(shè)置八字形導流隔板、在水泵和后墻之間加隔板，在各種工況下前池水流均勻，無旋渦產(chǎn)生，機組運行平穩(wěn)[7]。

渾水模型方面，何耕等分析了前池中設(shè)置壓水板對改善水泵進水流態(tài)、減少泥沙淤積的機理，以45°傾斜的壓水板效果最佳[8]。萬樂平[9]通過寧夏固海擴灌六泵站模型試驗研究認為，多泥沙河流泵站前池擴散角不易過大，擴散角過大會引起水流脫壁，導致回流和漩渦。

2 模型設(shè)計與布置

2.1 模型試驗目的

通過水工模型試驗，觀測不同水沙條件、不同工況下泵站進口流態(tài)、流速分布、前池的淤積形態(tài)，對多泥沙河流引水工程泵站“緊縮式”側(cè)向進流前池關(guān)鍵技術(shù)問題進行系統(tǒng)研究，論證前池體型設(shè)計的合理性。根據(jù)模型試驗結(jié)果并結(jié)合其他現(xiàn)有工程實際情況和設(shè)計依據(jù)，分析側(cè)向前池的特點，研究前池關(guān)鍵技術(shù)，提出改善前池流態(tài)、提高泵站效率、降低泥沙淤積的泵站“緊縮式”側(cè)向進流的優(yōu)化體型和泵站運行方式。

2.2 模型相似準則與比例尺

根據(jù)《水工(常規(guī))模型試驗規(guī)程》(SL155-2012)[10]進行模型設(shè)計和試驗，模型采用正態(tài)，幾何比例尺選定1∶10。

2.3 模型沙

模型沙一般要求滿足沉降、起動流速和糙率等方面的相似條件，研究泵站前池的泥沙淤積問題，重點滿足泥沙沉降相似。模型沙容重γs=2.1 t/m3，干容重γ0=0.72 t/m3。

2.4 試驗水沙條件

根據(jù)黃河青銅峽站懸沙級配實測資料，試驗水流懸沙含沙量采用汛期平均含沙量6.94 kg/m3，非汛期泥沙中值粒徑范圍為0.039～0.054 mm，汛期中值粒徑范圍為0.008～0.024 mm。模型淤積試驗汛期細模型沙中值粒徑選為0.024 5 mm，非汛期粗模型沙中值粒徑選為0.042 mm。

2.5 模型布置

側(cè)向進水方案模型范圍包括干渠(原型長度約50 m)、進水閘、前池及8臺泵吸水管及輸水管。包括模型進水穩(wěn)流池、地下水庫等，模型范圍15 m×3 m，模型布置參見圖1。

圖1 模型布置圖

2.6 觀測項目與斷面布設(shè)

觀測項目包括有水位、流態(tài)、流速、含沙量、懸移質(zhì)級配、前池淤積物形態(tài)等。

模型流速量測斷面見圖2，具體位置為：渠道彎道段末端及漸變段起始段和前池中在1號～8號泵中線方向，共10個斷面，每個測速斷面布設(shè)五條垂線，每條垂線布測5個測點。進口含沙量量測斷面與測流斷面LV-2一致。水位量測共布置6個斷面：渠道布置一個，位置與測流斷面LV-2一致，前池布置5個，分別與測速斷面LV-3、LV-5、LV-7、LV-10一致。

圖2 流速量測斷面位置圖

3 試驗數(shù)據(jù)與分析

前池有3種寬度體型：前池9.1 m方案(前池前端寬度9.1 m，末端寬度6.5 m)、前池6 m方案(前端寬度6 m、末端寬度3 m)以及前池3 m方案(前端寬度3 m、末端寬度2 m)，3種方案前池長度均為67.76 m。前池底高程1 231.15 m，喇叭口中心高程1 233.08 m，前池內(nèi)水泵吸水口為彎喇叭口，水泵吸水口伸進前池長度為1.8 m，進水前池最小水位1 235.13 m，設(shè)計水位1 236.30 m。

3.1 前池9.1 m方案

3.1.1 清水試驗

清水試驗工況見表1，前池內(nèi)垂線平均流速分布見圖3、圖4。

表1 9.1 m前池方案清水試驗工況表

圖3 前池內(nèi)垂線平均流速分布圖(工況1)

圖4 前池內(nèi)平面流速分布圖(工況2)

3.1.2 泥沙淤積試驗

泥沙淤積試驗按照100%設(shè)計流量(Q=11.67 m3/s)控制，關(guān)8號泵、平均含沙量S=6.94 kg/m3，模擬非汛期粗泥沙(d50=0.042 5 mm)和汛期細泥沙(d50=0.024 5 mm)兩種工況，持續(xù)引水44 h的淤積過程。試驗對前池淤積情況進行了觀測，前池淤積物形態(tài)圖見圖5、圖6。

圖5 前池內(nèi)淤積物的淤積形態(tài)圖(非汛期粗泥沙)

圖6 前池內(nèi)淤積物的淤積形態(tài)圖(汛期細泥沙)

非汛期粗泥沙工況：前池上游斷面淤積厚度略大于下游，4號泵上游斷面平均淤積厚度1.1 m，4號泵下游斷面平均淤積厚度0.8 m。

汛期細泥沙工況：前池1號～4號泵斷面平均淤積厚度0.88 m，略小于前一種工況；在7號泵下游斷面平均淤積厚度略大于前一種工況。

3.1.3 小 結(jié)

將前池9.1 m方案各工況下，前池的水流流態(tài)、流速分布情況以及泥沙淤積情況匯總于表2。從表中可以看出，前池9.1 m方案中，水流流態(tài)整體平穩(wěn)；相同工況、相同運行時間條件下，前池左側(cè)底部貼角對淤積量的影響不大，非汛期來沙較粗，泵站非汛期運行前池內(nèi)泥沙淤積量要稍大于汛期運行。

表2 前池9.1 m方案成果匯總表

3.2 前池6.0 m方案

前池6.0 m方案的前池內(nèi)水泵吸水口為直喇叭口，伸進前池內(nèi)長度為0.8 m，其余尺寸同前池9.1 m方案。

3.2.1 清水實驗

該試驗共進行5種工況，詳見表3。不同工況前池內(nèi)流速分布圖見圖7～圖11。

圖7 前池內(nèi)垂線平均流速分布圖(工況1)(單位：m/s)

表3 6.0 m前池方案清水試驗試驗工況表

圖8 前池內(nèi)垂線平均流速分布圖(工況2)(單位：m/s)

圖9 前池內(nèi)垂線平均流速分布圖(工況3)(單位：m/s)

圖10 前池內(nèi)垂線平均流速分布圖(工況4)(單位：m/s)

圖11 前池內(nèi)垂線平均流速分布圖(工況5)(單位：m/s)

3.2.2 泥沙淤積試驗

工況1是模擬關(guān)2號泵、持續(xù)引水44 h的淤積過程，前池淤積物形態(tài)圖見圖12。

圖12 前池內(nèi)淤積物的淤積形態(tài)圖(設(shè)計流量、關(guān)2號)

工況2為模擬開2號、3號、8號泵、持續(xù)引水44 h的淤積過程，前池淤積物形態(tài)圖見圖13。該工況為50%流量，設(shè)計水位。

圖13 前池內(nèi)淤積物的淤積形態(tài)圖(工況2)

3.2.3 小 結(jié)

前池6.0方案的水流流態(tài)、流速分布情況以及泥沙淤積情況匯總于表4。設(shè)計水位條件下，水流流態(tài)整體平穩(wěn)，最小水位條件下，前池表面有非貫通性表面回流漩渦；與前池9.1 m方案相比，相同水流條件下，前池尺寸縮窄，各斷面流速相應(yīng)增加；同水位條件下，泵站50%流量運行前池內(nèi)泥沙淤積量大于泵站100%流量運行。

表4 前池6.0 m方案試驗匯總表

3.3 前池3.0 m方案

前池3 m方案的水泵吸水口伸進前池長度為1.4 m，形式為彎喇叭口，對該方案進行了清水試驗、漩渦觀測試驗和泥沙淤積試驗的觀測，試驗工況見表5。

表5 前池3.0 m試驗工況表

3.3.1 清水試驗

前池內(nèi)流速分布圖見圖14～圖15。

圖14 前池內(nèi)平面流速分布圖(工況1)(單位：m/s)

3.3.2 泥沙淤積試驗

圖15 前池內(nèi)平面流速分布圖(工況2)(單位：m/s)

前池淤積物形態(tài)圖見圖16。

圖16 前池內(nèi)淤積物的淤積形態(tài)圖(工況4)

3.3.3 小 結(jié)

將前池3 m方案各工況下，前池的水流流態(tài)、流速分布情況以及泥沙淤積情況匯總于表6。從表6中可以看出，前池3 m方案中，前池水流均有波動；最小水位條件下，前池水面有較大波動(波動范圍-0.5～0.5 m)，局部有非貫通表面回流漩渦出現(xiàn)；與前池9.1 m方案相比，相同水流條件下，前池各斷面平均流速增大3倍左右，泥沙淤積量明顯減小。

表6 前池3.0 m方案試驗匯總表

4 結(jié) 語

對側(cè)向進水方案前池9.1、6、3 m不同工況下前池流態(tài)、流速分布以及淤積形態(tài)進行了量測，主要結(jié)論和建議如下。

(1)設(shè)計流量下前池9.1、6、3 m 3種體型下，前池水流流態(tài)均比較平順，水泵吸水口附近，未發(fā)現(xiàn)有貫通性漏斗漩渦。在50%設(shè)計流量、最小水位工況下，前池前端3 m體型下，前池水面波動范圍-0.3～0.3 m，局部有非貫通表面回流漩渦，最大直徑0.5 m左右。

(2)前池3種不同尺寸體型中，在試驗水沙條件下均存在不同程度的淤積，前池縮窄后，前池內(nèi)上段淤積厚度明顯減少。3種體型中，在相同水沙條件下，前池前端9.1 m寬度體型中淤積最多，前池首端3m寬度體型中淤積最少。

(3)前池底部貼角對前池淤積影響不明顯。泵站進水口改為直喇叭口后，淤積高程有所增加。

(4)黃河流域多泥沙特征下的揚水工程泵站前池形式受到諸多因素影響，本次有針對性的模型試驗研究取得的成果，對鹽環(huán)定揚水工程更新改造泵站設(shè)計有一定的參考，設(shè)計單位在泵站工程設(shè)計方案比選時，還應(yīng)綜合考慮其他因素，進一步完善設(shè)計。

(5)對試驗中出現(xiàn)的一些異常現(xiàn)象，還有待于今后進一步的深入研究與論證。