水利工程泵站結構設計及流道優(yōu)化設計研究

楊彬

摘 要 泵站結構設計需考慮多方面影響因素，結合施工及使用運行情況，注重把握關鍵問題。此外，應注意對流道加以優(yōu)化，實現(xiàn)水利工程綜合作用。

關鍵詞 水利工程;泵站結構設計;流道優(yōu)化設計

引言

河洪泛濫嚴重影響到沿岸居民的生活、河道通航及沿線城鎮(zhèn)經(jīng)濟發(fā)展，因此，需要通常采用新建水利樞紐工程對河道進行整治。常用的河道治理工程措施包括：堤防、大壩、泵站等。針對城鎮(zhèn)發(fā)展情況，以及水路運輸需要，可修建船閘以改善通航條件。

1泵站結構設計原則

一是，泵站結構設計要堅持適當原則，泵站結構設計應該滿足當前的工程實際和施工技術水平，以此來確保泵站結構設計的可行性，要盡量控制泵站結構的合理性，受力的明確性，真正實現(xiàn)泵站結構設計的安全與經(jīng)濟等目標。二是，泵站結構設計要堅持安全原則，在泵站結構設計中要通盤考慮地基的穩(wěn)定性、土壤性質，避免出現(xiàn)泵站結構施工中大量挖掘和填埋，在妥善利用地形地利的情況下，做到泵站結構的安全。三是，泵站結構設計要堅持優(yōu)化選型原則，要通過泵站結構設計工作來控制整個泵站的結構尺寸，減少泵站結構出現(xiàn)過多的裂縫影響結構功能，同時提高泵站結構對震動、溫差、負荷的抵抗能力，確保泵站結構的強度。四是，泵站結構設計要堅持經(jīng)濟性原則，泵站結構設計過程中應該結合施工當?shù)氐奶攸c，采用因地制宜的措施與方法，控制泵站結構建設的成本，例如：在泵站結構設計中要注意到材料的選擇，通過就地取材來降低泵站結構的建設造價，從成本上進行深入的控制和合理的設計[1]。

2水利工程泵站結構設計策略

設計工作中應根據(jù)泵站混凝土結構的特點做好各方面的處理和強化，做到對腐蝕作用的有效防治。一方面要做好泵站混凝土結構溶解性腐蝕的防治設計，要在設計中控制混凝土pH值，避免在pH值超標而出現(xiàn)腐蝕性離子的溶解，預防泵站混凝土結構外部的“泛鹼”，控制腐蝕性離子對鋼筋、混凝土結構的腐蝕，確保泵站混凝土結構的強度與耐久性。另一方面要做好泵站混凝土結構周圍土壤腐蝕的防治設計，在設計中根據(jù)土壤中存在的硫酸根、碳酸根、氯酸根離子的特點，采用化學防護和物理保護相結合的措施，確?；炷两Y構的性能，控制鋼筋腐蝕的速度，做到從設計的角度實現(xiàn)泵站混凝土結構的高抗腐蝕性能。此外，在設計中可以應用防腐涂料來對抗混凝土腐蝕問題，例如：可以在設計中增加噴涂防腐涂料——環(huán)氧粉末，以此來達到提高泵站混凝土結構的抗?jié)B性和防腐性，使泵站混凝土結構對鹽堿、水分、二氧化碳等腐蝕性物質的抵御能力大幅度提升，做到對混凝土結構的保證，進而從設計的角度提高了泵站結構抗腐蝕性能。最后，在設計中還可以通過規(guī)范施工技術來做到對防腐蝕性能的提升，例如規(guī)范施工環(huán)境，加強混凝土表面等方式都可以實現(xiàn)對腐蝕的有效防治[2]。

3水利工程流道優(yōu)化設計策略

（1）進水流道優(yōu)化。在進水流道，水體的流速在不同斷面會發(fā)生變化，不同斷面的流速分布存在不均性。在彎道，水流由于受到慣性與離心力的共同作用，內(nèi)側流速要高于外側，到達直線斷面時，流速經(jīng)過調(diào)整會重新分布。在直線上升段，水流由于在平面方向發(fā)生擴散，流速會降低，流速分布進一步得到調(diào)整。在流道進口處，如果處于彎曲段，水流會受到慣性的影響，因此水流在直線上升段的流速要高于下部。在駝峰區(qū)域，為提升水流的挾氣能力，降低虹吸發(fā)生時間，可以借助優(yōu)化增加流速，進一步調(diào)整直線上升段。在駝峰的入口處，要保證斷面處的流速分布均勻。設計中還要考慮到流體經(jīng)過駝峰斷面，存在離心力作用，中下部流速要高于上部。由于在流道的下降區(qū)域，水體慣性與邊壁發(fā)生的共同作用，流道內(nèi)外側水體流速要高于內(nèi)側水體，流速處于平緩變化中，很少發(fā)生旋渦或脫流現(xiàn)象。泵站投入運行后，水流要從引渠流入到前池，經(jīng)進水流道到達葉輪室，在設計時要考慮到邊界條件，分析位置是否合適。進口邊界條件的速度優(yōu)化可以適用于不可壓縮流體，在設計時要注意不要讓速度受到影響。因此，要避免進口處存在流體的影響，將流體流速分布情況加以優(yōu)化。借助計算分析流道的邊界條件，借助模型分析水流道數(shù)值的變化，優(yōu)化流場的進口斷面，前池距離進水流道的進口要足夠遠。流道進口如果與水流方向相垂直，可以認為流速在斷面分布均勻，流量計算要結合進口邊界，可以將進口速度作為邊界條件。為準確計算上出口的邊界條件，優(yōu)化中要結合流場，對沿出流方向進水流道出口直徑加以延長，以保證流動性充分擴展，自由流邊界條件得以滿足。在優(yōu)化流場中，計算可將進水前池的底壁、邊壁看作固壁，邊界條件可結合固壁定律加以處理，固壁存在的邊界條件要對各個固壁處的節(jié)點采用無滑移條件優(yōu)化。優(yōu)化還要結合緊靠固壁區(qū)域的節(jié)點縮流，對固壁函數(shù)加以優(yōu)化處理，以降低近固壁區(qū)域節(jié)點數(shù)量。進水池表面由于為自由水面，可以忽略水面存在的切應力，對于端流動能與自由面的速度采用對稱平面處理優(yōu)化。

（2）出水流道邊界條件優(yōu)化。為了準確測定進口存在的邊界條件，針對出水流道的優(yōu)化計算可以借助流場的變化，將出水流道在進口處的斷面沿逆水流方向加以等直徑延伸。流場進口斷面計算可以采用距離圓管直徑2倍的地方流道。水流速的計算視為均勻分布。計算中將流量作為已知條件，計算流場進口邊界條件，研究進口速度是否可以滿足邊界條件。計算出水流道的流場，出口界斷面的選擇為垂直于水流方向，設置在距離出水流道出口處水流平穩(wěn)的區(qū)域，針對水流方向的優(yōu)化以保證水流動的充分性，可以借助自由出流邊界條件。針對流場的計算，還要結合出水池底壁、流道遠壁及導葉出口的邊壁等因素。對于邊界條件的處理可以依據(jù)固壁定律。針對固壁邊界的處理是對固壁處的節(jié)點加以優(yōu)化，以保證無滑移條件。

4結束語

泵房結構設計，要全面分析參數(shù)指標，結合受力條件對結構加以優(yōu)化設計，設計方案的優(yōu)化對于泵房后期的運行發(fā)揮著關鍵作用。此外，針對流道也要加以優(yōu)化，各個影響系數(shù)加以分析，確保結構設計方案的合理性。

參考文獻

[1] 黃良勇，吳忠，張嘯，等.大型雙向流道泵裝置優(yōu)化匹配與試驗研究[J].灌溉機械工程學報，2016（7）：602-607.

[2] 喻弼群，邱安萍.大型泵房設計與運行的回顧及探討[J].城市公用事業(yè)，2018（6）：13-14.