泵站大擴散角前池楔形導流墩設置方案優化試驗研究

曲振軍，鄺愛玲

(中國城市建設研究院有限公司，北京 100120)

1 工程背景

某泵站建成于上世紀60年代，是一座大型排灌泵站，對促進灌區農業發展起到了十分重要的作用。歷經50多年的運行之后，泵站的病害情況日漸突出，嚴重影響到其排灌功能的發揮。基于此，當地政府籌措資金，進行泵站的改建工程。按照工程的設計，改建后的泵站設置4臺排灌機組，同時采用擴散角為55°的大擴散角前池。前池在泵站設計中的重要作用和價值，一旦出現不良流態，就會造成水泵的進水條件嚴重惡化，不僅會造成機組的振動和噪聲增大，還會縮短其運行的安全穩定性[1]。基于此，本文通過水工模型試驗的方式，探討楔形導流墩的流態改善效果，同時進行設置方案的優化研究，為工程設計和建設提供必要的支持和借鑒。

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置

泵站前池的水流是具有不可壓縮性的黏性液體運動，因此選擇模型的相似性準則極為必要[2]。鑒于此次模型試驗中的實際工程和模型之間不存在周期性的水流運動，因此并不需要考慮斯特勞哈爾數，由于歐拉數并非獨立量，而雷諾數在紊流情況下已經超出一定的界限，其變化不會對試驗結果產生明顯影響，因此僅需要使模型和原型之間的佛汝德數相等即可[3]。根據有關的研究成果和資料，小尺度的模型可以用于水力試驗研究，在此次試驗過程中，取模型的比尺為1∶1.5。

模型試驗按照背景工程的設計資料進行設計，為了方便研究的進行，試驗中設計一個包括引河、前池、進水池、進水管等結構的大擴散角前池模型[4]。整個模型試驗系統主要由閘閥、水泵、流量計、水箱以及試驗模型段構成。為了獲取試驗斷面的圖象，便于觀察前池的水流流態，模型的進水池和引渠采用厚度為8 mm的有機玻璃制作。為了防止試驗裝置產生變形，需要在模型的引渠和進水池上安裝固定框架[5]。模型的管道系統可以在垂直平面上形成循環回路，分別使用直徑50和100 mm的有機玻璃管和PVC管。試驗中在每個泵對應的管道中安裝一個電磁流量計測量流量，通過閘閥調節，保證每個泵的流量基本相同。

2.2 試驗方法

在試驗過程中，水流首先通過水管由水池放至水箱并自流進引渠，利用閘閥控制水泵的流量并匯入總水管。此次試驗中，使用可以懸浮在水流表面的懸浮粒子巖石前池表層水流的流態[6]；在模型的底部粘貼絲線演示底層水流流態，以便能夠清楚地顯示出水流中存在的回旋和漩渦[7]。為了研究和對比不同整流方案對前池進水流態的影響，試驗中選擇前池的關鍵斷面進行流速的測定。由于試驗中流速的測點較多，為了便于安裝和試驗中的調節，選擇LGY-Ⅱ型直讀流速儀測量流速[8]。

3 試驗結果與分析

由于背景工程的原始設計方案沒有采用任何前池整流措施，因此前池的水流流態相對較差。原始設計方案的模型試驗結果顯示，在上游水流進入前池時出現比較明顯的水流集中現象，前池內的水流難以有效擴散，邊壁部位出現脫壁水流，并產生較大的漩渦進入進水池[9]。同時，前池的1號和4號進水池前端水流速度較慢，且出現大范圍的漩渦區，存在較為明顯的偏流現象。如果前池長時間的運行，必然會在漩渦部位產生比較顯著的泥沙淤積，使機組的進水條件進一步惡化[2]。基于此，擬在泵站的前池內設置楔形導流墩，并對導流墩的位置、角度和大小等參數的調整，達到改善前池流態的目的。

針對模型試驗發現的問題，提出前池整流優化設計方案1：在前池內設置調整水流流態的楔形導流墩，以引導池內高速水流的擴散。導流墩的高度為水深的0.2倍，頂角為55°；底寬為水泵吸水直徑D的2.4倍，以引導高速水流的擴散，其設計平面尺寸和布置示意圖見圖1。對方案1進行模型試驗，結果顯示導流墩可以發揮出較好的分流作用，水流在引導區分成兩股高速水流，并消除了前池兩側的漩渦。根據試驗數據計算，獲取流速分布均勻度和加權平均角，見表1。由計算結果可以看出，受到楔形導流墩導流作用的影響，1#和4#進水池的斷面流速均勻度和流速加權平均角顯著增大，但是2#和3#進水池的這兩個指標明顯減小。由此可見，方案1仍需要進一步的優化。

圖1 方案1平面布置示意圖

表1 方案1和原方案評價指標計算結果

針對方案1在模型試驗中出現的問題，將楔形導流墩的頂角由55°減小到30°，同時減小導流墩的底寬至水泵吸水直徑D的1.5倍，其余參數保持不變，獲得優化設計方案2，其平面布置示意圖見圖2。對方案2進行模型試驗，根據試驗結果計算獲取進水池的流速分布均勻度和加權平均角，結果見表2。由試驗現象和計算結果可以看出，由于導流墩頂角的減小，有效壓縮了進水池進口隔墩部位的底部低流速區，進水條件有所改善。但是，由于頂角的減小造成分流作用的減弱，前池兩側的漩渦與原方案相比沒有明顯的變化，在1#和4#進水池中仍舊出現了比較嚴重的偏流現象。從表2的計算結果來看，1#和4#進水池的兩個指標有一定的優化，但是并沒有顯著的改善效果，仍需要進一步的優化改進。

圖2 方案2平面布置示意圖

表2 方案2評價指標計算結果

針對優化設計方案2存在的問題和不足，將導流墩的頂角由30°擴大至90°，底寬進一步減小到1.2D，其余參數保持不變，得到優化設計方案3，其平面布置示意圖見圖3。對方案3進行模型試驗，根據試驗結果計算獲取進水池的流速分布均勻度和加權平均角，結果見表3。由試驗現象和計算結果可以看出，在該方案下，前池的水流可以較為平順地進入1#和4#進水池。

圖3 方案3平面布置示意圖

表3 方案3評價指標計算結果

但是，由于導流墩的尺寸本身偏小，因此邊壁部位出現了一定范圍的低速區。在2#和3#進水池中，雖然低速區的面積有一定的減小，斷面的流速均勻度指標有所提高，但是偏流問題仍舊比較突出。

針對方案3存在的問題，在泵站前池的進口部位對稱設置兩個楔形導流墩，其水平斷面改為直角三角形形狀，其中一條直角邊平行于水流方向[10]。導流墩的頂角為45°，底寬為水泵進水管直徑的1.2倍，得到優化設計方案4，其平面布置示意圖見圖4。對方案4進行模型試驗，根據試驗結果計算獲取進水池的流速分布均勻度和加權平均角，結果見表4。由計算數據和試驗現象可知，該方案可以在不影響中間兩個進水池流態的同時，顯著壓縮前池內漩渦的范圍，漩渦區的面積明顯縮小，水流可以較為均勻和平順地進入進水池。由表4中的結果可知，1#和4#進水池的兩個指標顯著增大，進水池的流態顯著改善。但是，該方案的漩渦區并沒有被完全消除，表層水流仍舊存在一定的偏流現象，仍未達理想的整流效果。

圖4 方案4平面布置示意圖

表4 方案4評價指標計算結果

針對方案4存在的問題，將兩個導流墩向下游方向平移，距離為進水管直徑的2倍，得到優化設計方案5，見圖5。利用構建的有限元計算模型，對方案5進行模型試驗，根據試驗結果計算獲取進水池的流速分布均勻度和加權平均角，結果見表5。由表5中的計算數據和試驗現象可知，各個進水池的兩個指標均有所增加，其中1#和4#進水池增加幅度較大，4個進水池的數據比較接近。水流在進入前池之后，可以在導流墩的引導下快速擴散，較好地貼合在兩側的邊壁上，漩渦區完全消失，可以均勻、平順地進入各個進水池，取得了良好整流效果。

圖5 方案5平面布置示意圖

表5 方案5評價指標計算結果

4 結 語

在泵站的設計和建設過程中，前池是極為關鍵的組成部分，合理地設計可以保證水流平順地進入機組，保證機組的安全、穩定運行。此次研究以某泵站改造工程為例，利用室內試驗的方式研究和分析楔形導流墩對前池水流流態改善的作用和價值，并通過對其參數的優化設計，獲得最佳設置方案。最終的優化方案可以保證水流平順地進入前池，保證泵站機組的穩定工作。研究成果表明，對背景工程和相關類似工程的設計建設具有一定的指導和借鑒意義。當然，此次研究沒有考慮楔形導流墩高度因素的影響，在今后的研究中需要做進一步分析，以獲取更好的設計方案。