無為神塘河泵站出水箱涵水力優(yōu)化研究

金海銀，李 雷，徐 軍

(1.江陰市澄江水利農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站，江蘇 江陰 214400； 2.江陰市重點(diǎn)水利工程建設(shè)管理處，江蘇 江陰 214431； 3.無錫市水利設(shè)計(jì)研究院有限公司 江陰分院，江蘇 江陰 214400)

0 引 言

無為神塘河泵站以排澇為主，結(jié)合排洪。泵站設(shè)計(jì)排澇流量85 m3/s，設(shè)計(jì)裝機(jī)功率10 MW[1]。根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265-2010)規(guī)定，樞紐工程等別定為Ⅱ等工程，屬大(Ⅱ)型泵站[2]。神塘河泵站為堤后式，穿堤建筑物(排澇出水涵)位于無為大堤上，其工程等別與無為大堤一致，為Ⅰ等工程。由此確定泵站穿堤建筑物為1級(jí)、泵房為2級(jí)，次要建筑物前池及擋墻為3級(jí)，前池兩側(cè)堤防等級(jí)同馬口河堤防等級(jí)為4級(jí)，出水渠與長(zhǎng)江側(cè)神塘圩堤防等級(jí)相同，為4級(jí)。無為神塘河泵站工程總體布置型式詳見圖1。

圖1 泵站總體布置簡(jiǎn)圖

該泵站出水箱涵共10道出水口，出水箱涵出水流態(tài)紊亂，設(shè)計(jì)有一定的不合理之處，需要對(duì)出水箱涵出水流態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[3-4]。

1 泵站出水池水力計(jì)算

根據(jù)該泵站出水池以及箱涵布置，按照1∶1(單位：m)比例，建立出水池水流三維物理模型。計(jì)算工況選?。号艥吃O(shè)計(jì)水位為12.70 m，排澇流量85 m3/s，初設(shè)階段出水池、箱涵結(jié)構(gòu)布置型式詳見圖2。

圖2 出水池及箱涵結(jié)構(gòu)布置

2 控制方程

該泵站出水池水流流動(dòng)區(qū)域三維數(shù)值模擬采用三維雷諾時(shí)均N-S方程來描述其不可壓縮湍流流動(dòng)，方程式如下:

雷諾時(shí)均N-S方程：

式中：ρ為流體密度；t為時(shí)間；ui(i=x，y，z)為速度沿i方向的分量；p為壓力；v為流體的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。

計(jì)算湍流模型選擇realizable k-e方程，對(duì)于旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動(dòng)、流動(dòng)分離、強(qiáng)流線彎曲、漩渦和旋轉(zhuǎn)、二次流有很好的表現(xiàn)。

3 原方案水力計(jì)算結(jié)果分析

泵站出水池、箱涵水流流態(tài)及流速分布結(jié)果詳見圖3。

圖3 出水池及箱涵水流流態(tài)、流速分布云圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，中間側(cè)機(jī)組出水水流及中間兩側(cè)機(jī)組部分水流基本沿著中間兩孔箱涵出流，中間兩孔箱涵水流流速分布范圍在1.2～1.4 m/s；兩側(cè)邊墩機(jī)組出水水流及中間兩側(cè)機(jī)組部分水流基本沿著邊孔箱涵出流，邊孔箱涵水流流速分布范圍在1.6～2.0 m/s。中間兩孔箱涵與邊孔箱涵平均流速不均勻系數(shù)比為1.385左右。

4 方案水力優(yōu)化方案

根據(jù)原方案水力計(jì)算結(jié)果，對(duì)出水池、箱涵結(jié)構(gòu)布置型式優(yōu)化調(diào)整。原4孔箱涵調(diào)整為3孔，兩側(cè)邊孔寬為5.8 m，中孔3.0 m；出水池中間機(jī)組兩側(cè)隔墩連接箱涵中墩，其他型式不變；出水池、箱涵頂板高程由9.95 m調(diào)整為9.85 m。優(yōu)化后的出水池、箱涵結(jié)構(gòu)布置型式詳見圖4。

圖4 出水池及箱涵結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置

5 方案水力優(yōu)化計(jì)算

根據(jù)調(diào)整后的出水池、箱涵結(jié)構(gòu)布置方案，中間機(jī)組出水水流與中孔箱涵銜接，兩側(cè)及邊墩機(jī)組出水水流與邊孔箱涵銜接，流動(dòng)空間不互相干擾。優(yōu)化方案水流流態(tài)平順，三股水流互不干擾，邊孔箱涵、中孔箱涵出水水流流速分布范圍1.5～1.6 m/s，邊孔箱涵、中孔箱涵出水水流平均流速不均勻系數(shù)比為1.0左右。

圖5 優(yōu)化方案出水池及箱涵水流流態(tài)、流速分布云圖

6 方案比較

原方案出水箱涵中間兩孔箱涵與邊孔箱涵平均流速不均勻系數(shù)比為1.385左右。優(yōu)化方案出水箱涵邊孔箱涵、中孔箱涵出水水流平均流速不均勻系數(shù)比為1.0左右。優(yōu)化方案出水箱涵平均流速不均勻系數(shù)比較為理想。

綜上所述，優(yōu)化方案出水池、箱涵結(jié)構(gòu)布置方案達(dá)到水力優(yōu)化目標(biāo)。

7 結(jié)論與展望

7.1 結(jié) 論

1) 原方案出水箱涵中間兩孔箱涵與邊孔箱涵平均流速不均勻系數(shù)比為1.385左右，流速分布不均勻，局部流態(tài)紊亂。

2) 優(yōu)化方案出水箱涵邊孔箱涵、中孔箱涵出水水流平均流速不均勻系數(shù)比為1.0左右，流速分布較為均勻，局部流態(tài)紊亂范圍小。

7.2 展 望

綜上所述，優(yōu)化方案出水池、箱涵結(jié)構(gòu)布置方案達(dá)到水力優(yōu)化目標(biāo)。CFD水力優(yōu)化方法在泵站工程設(shè)計(jì)過程中能較好地調(diào)整泵站總體工程布置。泵站出水水流自帶環(huán)量，是旋轉(zhuǎn)水流，無法在CFD數(shù)值模擬方法中體現(xiàn)，需要更新相關(guān)技術(shù)確保邊界條件符合工程設(shè)計(jì)應(yīng)用，操作簡(jiǎn)單，能大規(guī)模推廣。