非對稱式泵站前池流態及整流措施研究

周虹均，任紅蕾

(1.安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088；2.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

在泵站工程總體布置時，應結合地形、地質、內外水系及周邊相關紅線等因素，先根據工程任務和規模選定主要建筑的型式，再考慮各建筑物結構尺寸進行平面布置，必要時對征地移民、環境影響、施工組織、工程投資多方面進行技術經濟比較，選擇布置合理、效益顯著、工程安全、投資較省、運管便利的方案[1-3]。前池作為上游渠道和水泵進水流道的銜接結構，主要功能是調整上游來水，平穩且均勻地擴散到進水流道，保障機組的高效運行。GB 50265—2022《泵站設計標準》規定[4]：泵站前池布置應使水流順暢、流速均勻、池內不得產生渦流的要求，采用正向進水的開敞式前池擴散角單側宜小于15°。實際工程受周邊環境制約，上游引水渠與泵房軸線呈一定的夾角，采用單側擴散非對稱式布置的前池，將會產生一定的不良流態，形成旋渦回流區，造成前池內泥沙淤積，且因水泵進水口流態紊亂，影響裝置運行效率，引起機組和泵房振動。目前，針對上述問題主要通過水工模型試驗解決，張雪[5]等根據水流運動相似率和物理模型設計原則，開展了某側向進水泵站的模型試驗，對底坎、導流墻、“Y”型導流墩等多種整流措施整流效果進行比較。近年來，隨著計算機技術和數值模擬方法的快速發展，數值分析技術得到了長足進步，基于有限體積法的RNG k-ε紊流模型已成為當前水動力研究的重要分析方法。本文以樅陽縣大砥含站為例，先采用規范方法進行建筑物規模設計，再利用二維數值模型對大砥含站運行期進水流態進行模擬，定性定量分析不同導流措施的整流效果。

1 工程概況

原大砥含站為工業園區主要外排泵站，按農排標準設計，設計流量為3.99m3/s。由于現狀泵站存在排澇標準較低、運行水位偏高、抽排規模較小、泵站設施陳舊、運行管理方式落后等問題，造成園區洪澇災害頻繁，尤其2016、2020年汛期受災嚴重，區內防洪、治澇工程抗災能力薄弱的問題日趨突出。為有效解決園區的洪澇問題，充分發揮圩內防洪排澇基礎設施工程效益，提高入駐企業防洪御澇能力和經營信心，為工業園區的進一步發展打下堅實的基礎，對大砥含站進行拆除重建。

大砥含站采用閘站分離堤后式布置，設計抽排流量為21.7m3/s，總裝機2700kW，選用6臺1200HLB3.81型立式混流泵，效率為86%，配YL630-16型立式異步電動機。泵站主要建筑物包括：引渠銜接段、攔污進水閘、進水前池、站身及壓力水箱、控制閘、排澇穿堤出水涵等。引渠銜接段沿泵軸線方向投影長35m，為鋼筋砼U型槽，平面呈梯形擴散布置，上下游通過圓弧形同排澇溝矩形槽和進水閘邊墩銜接，底部凈寬11.0～17.5m，底高程6.20m。進水閘同上游排澇溝中心線距離約8.0m，引渠銜接段與上游大溝中心夾角17°。前池平面上呈直角梯形擴散狀，順水流向長度22.0m，右側翼墻沿水流向“一”字型布置，左岸翼墻呈29°角度向外擴散，垂直水流凈寬17.0～29.4m，池底以斜坡方式與進水池底相連，底板頂面高程6.20～3.10m。進水池平面上呈矩形布置，順水流向長度15.0m，凈寬與站身進水室同寬，為29.4m，底板頂面高程3.10m。泵站平面布置情況如圖1所示。

圖1 泵站平面布置(單位：m)

2 水力設計

為確定進水閘規模和前池平面尺寸，需進行過流能力和進水池容積計算。

2.1 進水閘過流能力

進水閘閘室結構采用寬頂堰型式，底板高程6.20m，在設計抽排水位8.70m工況條件下，過閘落差取0.1m，過流能力按照高淹沒度堰流公式計算。

(1)

式中，Q—過閘流量，m3/s；μ0—淹沒堰流的綜合流量系數；B0—閘孔總凈寬，m；H0—計入行進流速水頭的堰上水深，m；hs—自堰頂算起的下游水深，m。

擬定進水閘為3孔5.0m開敞式結構，總凈寬15.0m，經計算，進水閘設計過流能力為49.1m3/s，滿足設計流量21.7m3/s的要求。

進水閘孔口尺寸除按上述公式核算外，還需根據排澇進水閘清污方式，滿足過柵流速要求。考慮機械清污時過柵流速可取0.6～1.0m/s，假定柵格空隙占整個過流斷面的65%。經計算，設計水位條件下過柵流速0.89m/s，過流能力滿足要求。排澇工況下進水閘過流能力和過柵流速計算結果見表1。

表1 閘下消能防沖計算成果表

2.2 進水池容積

前池平面上呈非對稱的直角梯形布置，順水流向長度22.0m，凈寬17.0～29.4m，池底底高程6.20～3.10m；進水池平面上呈矩形布置，順水流向長度15.0m，凈寬與站身進水室同寬，為29.4m，底高程3.10m，抽排前池設計運行水位8.60m，最低運行水位7.60m。

為滿足泵站連續正常運行的需要，大砥含站進水池水下容積1984.5m3為設計流量的91倍；另根據劉德明[6]等研究，大中型泵站應復核進水段部分的儲水容積，本工程抽排工況下進水前池(含前池)有效容積960.1m3(設計運行水位至最低運行水位容積)為泵站設計流量21.7m3/s的44倍。進水前池平面尺寸合適，滿足規范關于秒換系數的要求。

3 整流方案設計

整流措施設計原則：能夠引導水流平穩入池，減小水面波動，減少各工況下回流區范圍；有效改善池內流態，消除進水池或進水流道口旋渦，保證機組的正常運行；池內流速適中能有效減小泥沙淤積；結構簡單，工程量少，便于施工，投資較省等[7-9]。

本工程上游來水經水閘墩墻整流后有明確的主流方向，擬采取以“導”為主的整流方法，即在池內沿水流向布置導流墩或導流墻，分割疏導來流向設計的方向擴散。兩種整流方案如圖2所示。

圖2 泵站前池整流方案示意圖(單位：m)

3.1 方案一：“川”字型導流墻

導流墻位于前池斜坡段，順水流擴散布置，水平投影長8.0m，厚0.5m，底部與前池底板固結，頂部高程7.40m，前端距進水閘4.0m；從右至左編號1#、2#、3#墩，其中1#墩端部與閘墩邊墻相距2.0m，3#墩端部與邊墻相距1.5m，2#墩與進水閘閘孔中心線對齊，墩身中心線水平夾角分別為171°、170°、160°。

在前池端部設置“川”字形的導流墻，可通過調配流量，調整水流流向，優化池中流態，避免在池內產生回流和渦流等不良水利現象。本工程前池左側擴散角29°，角度較大，邊側導墻沿3#孔中心線外側布置，束窄了外側過流通道，增大斷面流速，不僅能避免回流及偏流，還能防止泥沙沉積[10-11]。

3.2 方案二：弧形導流柵

本方案利用導流柵葉柵繞流效應，在進水前池中部均勻布置5道弧形導流柵，柵墻呈流線型布置，各墻間距5.0m，墻體尾部距流道進口處軸線距離10.0m，軸向長度分別為13.6、12.3、11.0、9.6、8.4m，柵墻頂高程7.4m。

在前池彎折段設置導流柵可為入池水流提供轉向的離心力，從而有效地抑制彎道內側水流因擴散效應所引起的脫流。同時導流柵等措施還可以從結構上阻斷彎道水流的橫向環流，防止斷面上的二次回流，抑制前池中的螺旋流動[12]。該類型導流柵幾何形狀復雜，設計及施工較為復雜，特殊工況下柵后易產生卡門渦街，誘發水泵進口處產生旋渦。

4 數值模擬

4.1 控制方程

數值模擬運用CFD計算軟件Fluent作為分析工具。采用RNG k-ε紊流模型進行數值模擬，連續性方程、動量方程、紊動能和耗散率方程如下。

連續性方程：

(2)

動量方程：

(3)

紊動能方程：

(4)

紊動能耗散率方程：

(5)

(6)

式中，ui—速度分量，m/s；ρ—水密度，kg/m3；P—壓強，Pa；μ、μt—動力黏度系數、湍動黏度系數，N·s/m2；k—湍動動能，m2/s2；ε—湍動能耗散率，m2/s3；Gk—紊動能的時均速度梯度產生項；σk、σε—湍動能和耗散率對應的普朗特數，取1.00，1.39；Cε1、Cε2—常量，取1.42，1.68。

4.2 網格劃分及邊界條件

本次數學模型計算范圍自進水渠至水泵進水流道，含引渠銜接段、進水閘、前池、進水池，流道，順水流長約100m。模型主要選用結構化網格，前池擴散段以非結構化網格加密，平均單元尺寸0.25m×0.25m。

模型邊界條件主要包括：進水閘為自由出流設定模型進口為流速邊界條件；下游出口設置在流道口，采用自由出流條件；邊壁為無滑移邊界條件。幾何模型網格劃分及邊界條件如圖3所示。

圖3 幾何模型網格劃分及邊界條件示意圖(無整流措施)

4.3 無整流措施

設計工況下，上游總來水流量21.7m3/s，控制泵站各機組同時運行，分流比一致。流速及流線分布如圖4所示。

圖4 泵站上游側流速及流線分布圖

計算表面，機組運行后，來水經進水閘閘墩導流后能夠較為平順進入前池，但由于邊墻單側擴散，右側水流能夠順勢流入進水池，左側主流難以有效擴散，邊壁部位出現脫壁水流，在前池產生較大的回流區。前池內主流受回流區的壓迫明顯偏向右側，左側進水池進口流態產生偏斜，以最左側機組(6#機組)最為嚴重。3#—6#號機組的進水流道區域也存在較為明顯的偏流現象，有間歇性的小漩渦出現。

如果前池長時間的運行，會在漩渦部位產生泥沙淤積，使機組的進水條件進一步惡化。針對此類前池的水力學問題，可通過工程措施解決，增設構筑物改善池內復雜的水流流態獲取更加穩定的水力條件。

4.4 整流效果分析

流速均勻度是衡量各斷面上速度分布情況的重要物理量，采用軸向速度均勻度Vu表示縱斷面特征線上軸向速度分布的均勻程度，公式如下：

(7)

設計工況下，進水閘出口及流道進口速度均勻度見表2，兩種方案流速及流線分布如圖5—6所示。

表2 測流斷面流速均勻度

圖5 方案一泵站上游側流速及流線分布圖

圖6 方案二泵站上游側流速及流線分布圖

計算表明，方案一入池水流經導流墻整流后，一方面在墩墻端部分割下泄，另一方面中心主流被迫轉向，向進水池均勻擴散，起到了調整前池各斷面流量和前池水流方向的雙重作用。前池流態得到明顯改善，左側回流區明顯縮小，池內跡線也更為順直。

方案二，因導流柵導流作用，進水閘出口處流速均勻性有了明顯提高，前池左側回流消失；受柵墻隔流影響，進水池中部邊側水流流速較大，中部導流柵尾部產生旋渦，形成較大回流區并發展到進水流道口，4#、5#機組吸入條件惡劣，該斷面流速均勻性最差。

經數值模擬對比分析，本工程在前池上游斜坡段布置“川”字導流墻對前池回流區抑制效果較好，各測流斷面流速分布均勻度較大，該方案結構簡單，便于施工，是一種較為理想的整流方案?？紤]墻體對水流的導向作用，可將導墻上游做成圓弧形墩頭，下游作成橢圓弧形墩頭。

5 結論

數值分析軟件基于CFD技術能夠較好地模擬出水流在泵站前池中的流動狀態，便于工程前期階段比較不同整流方案的整流效果，為方案比選提供依據，該分析方法可供類似工程參考。

本工程前池采用單側擴散非對稱式布置，左側主流難以有效擴散，邊壁部位出現脫壁水流，在進水池內產生較大的回流區。進水閘下游側前池斜坡段設置“川”字型導流墻能有效改善進水池流態，抑制回流范圍，使各進水流道流速分布均勻。