豐和電排站擴(kuò)建工程引水前池設(shè)計(jì)及流態(tài)特性分析

胡 靜

(南昌市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，南昌 330009)

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豐和電排站擴(kuò)建工程引水前池設(shè)計(jì)及流態(tài)特性分析

胡 靜

(南昌市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，南昌 330009)

文章以江西南昌豐和電排站擴(kuò)建工程為例，通過比選分析確定引水前池設(shè)計(jì)方案及其水力參數(shù)，并運(yùn)用CFD和湍流模型RNG 對(duì)所設(shè)計(jì)前池的流態(tài)特性進(jìn)行分析，驗(yàn)證了新設(shè)計(jì)前池方案的合理性，并為后期電排站運(yùn)行管理提供借鑒。

電排站；引水前池；設(shè)計(jì)方案；流態(tài)特性；甩負(fù)荷狀態(tài)

0 引 言

前池是水利工程建設(shè)中一種重要的水工建筑物，其功能主要是改善水流流態(tài)和減少水頭損失，通過調(diào)整水流流態(tài)為泵房電機(jī)工作提供良好的水流條件。前池設(shè)計(jì)方案合理性對(duì)電排站的經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行有著重要的影響，如前池設(shè)計(jì)方案與電排站運(yùn)行狀態(tài)不匹配，將會(huì)造成前池內(nèi)水流能力分布不均勻、水流流態(tài)紊亂，進(jìn)而產(chǎn)生淤積、渦旋、回流等不良水流情況，導(dǎo)致泵站工作性狀發(fā)生改變[1]。因此，水利工程在前池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)通過工程運(yùn)行需求，選擇適宜的前池設(shè)計(jì)方案，并通過有效的驗(yàn)證措施以保障設(shè)計(jì)方案的合理性。

1 工程概況

豐和電排站(老站)位于豐和聯(lián)圩的鐵臂前圩段(樁號(hào)4+700)，東側(cè)緊鄰廬山南大道，于2000年建成運(yùn)行。豐和片區(qū)采用雨污分流方式處理，近年來由于城市道路及城市建設(shè)發(fā)展，原調(diào)蓄水面被不斷擠占。同時(shí)，由于老泵站前池狹小，城市排水無法正常引入前池，且前池容積太小，已不能滿足機(jī)組全部運(yùn)行要求。為了較好解決豐和治澇區(qū)排水問題，工程設(shè)計(jì)確定采用易址擴(kuò)建方案，保留老站，在調(diào)蓄湖北側(cè)擴(kuò)建豐和電排站，調(diào)蓄湖通過豐和聯(lián)圩內(nèi)側(cè)引水箱涵與老站相連。

2 前池設(shè)計(jì)方案

2.1 前池引水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比選

結(jié)合擴(kuò)建電排站方案及地質(zhì)環(huán)境情況，前池設(shè)計(jì)方案有兩種型式，方案一：正面引水發(fā)電，側(cè)面溢流、排砂；方案二，正面溢流、排砂、側(cè)面引水發(fā)電，兩方案的綜合比較情況見表1。

表1 壓力前池方案比較表

參考老站運(yùn)行情況，并通過經(jīng)濟(jì)、施工、工程實(shí)施效果等方面進(jìn)行比選扽系，確定設(shè)計(jì)擴(kuò)建站前池采用正向進(jìn)水方式。前池進(jìn)出口底板高程分別為15.00m和13.00m，底坡為1:6。考慮老站前池容積不足情況以及擴(kuò)建站排澇流量，設(shè)計(jì)增加前池結(jié)構(gòu)尺寸。前池總長(zhǎng)(中心線處)12.00m，前池進(jìn)口凈寬9.1m，出口與泵房相接凈寬13.2m。前池邊墻采用C25鋼筋混凝土懸壁式擋墻，墻頂高程20.30 m，墻頂現(xiàn)澆混凝土面板，使前池部分頂板成為中控樓的地面板，前池底板采用C25鋼筋混凝土底板，板厚0.7m，底板上設(shè)φ=80mm的排水孔，排水孔梅花形布置，間距為1.5 m×1.5m，排水孔下設(shè)土工布和反濾層。

2.2 水力計(jì)算

1)設(shè)計(jì)水位。參考擴(kuò)建站排澇量及防洪標(biāo)準(zhǔn)，采用水面線計(jì)算法求得最低運(yùn)行水位為17 m。

(2)最高水位。以擴(kuò)建站機(jī)組全部處于甩負(fù)荷狀態(tài)計(jì)算，并參考電排站最大涌波高度為準(zhǔn)，計(jì)算公式如下[2-3]：

ξn=Qn/CnBn

(1)

式中：ξn涌波高度，m；Qn為水流流量變化值，m3；Cn為行進(jìn)波波速，m/s；Bn過水?dāng)嗝鎸挾?，m。

帶入相關(guān)參數(shù)，計(jì)算得到4臺(tái)電排站機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的最高水位為19.5m，而最高運(yùn)行水位為17.5m。

(3)最低運(yùn)行水位。最低運(yùn)行需求應(yīng)滿足豐和區(qū)域排澇量需求，考慮老站與擴(kuò)建站的運(yùn)行管理方式，確定擴(kuò)建站進(jìn)水口的最低運(yùn)行水位為15.5m。

3 電排站前池流態(tài)特性分析

電排站前池水流流態(tài)模擬運(yùn)用CDF方法，計(jì)算模型選擇RNGk-ε，采用流體模擬軟件Flow3D對(duì)前池結(jié)構(gòu)內(nèi)水流流速扽不及水位變化情況進(jìn)行分析[4-5]。豐和電排站擴(kuò)建工程有工作機(jī)組4臺(tái)，設(shè)計(jì)模擬機(jī)組不同數(shù)量機(jī)組在增負(fù)荷情況下的流態(tài)特性。

3.1 流態(tài)模擬工況

考慮電排站正常時(shí)期以及特殊時(shí)期的運(yùn)行需求，按照不同時(shí)期機(jī)組工作狀態(tài)進(jìn)行工況的設(shè)計(jì)。模擬工況方案如下：

1)工況Ⅰ：4#機(jī)組增負(fù)荷。

2)工況Ⅱ：3#和4#依次增負(fù)荷。機(jī)組在增負(fù)荷之前，池內(nèi)水流流速處于不均勻分布狀態(tài)，增負(fù)荷后池內(nèi)水流流速將變大，直至所有機(jī)組進(jìn)水口流速相同。這一時(shí)期內(nèi)池內(nèi)水位會(huì)首先發(fā)生降低，過程會(huì)伴隨有緩慢升降的變化直至與前室水位相同。前池水位降低會(huì)導(dǎo)致泵站壓力管道進(jìn)水口流態(tài)發(fā)生變化，并可能產(chǎn)生吸氣或回流漩渦，同樣對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行造成影響。

3)工況Ⅲ：4臺(tái)機(jī)組全部處于甩負(fù)荷狀態(tài)。當(dāng)機(jī)組全部處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，前池內(nèi)部水流流速分布較為均勻，且呈對(duì)稱分布狀態(tài)，水流流態(tài)較為穩(wěn)定。而當(dāng)機(jī)組全部處于線性甩負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，擴(kuò)建站的發(fā)電流量由設(shè)計(jì)流量逐漸降至零，這一過程中通過前池流量將變小，并且池內(nèi)水位將逐漸；當(dāng)達(dá)到泄流水位時(shí)，前池內(nèi)水流將通過泄流槽下泄水量。此過程中前池內(nèi)水位發(fā)生反復(fù)的波動(dòng)變化，并可能產(chǎn)生回流漩渦的情況，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。

3.2 流態(tài)特性模擬成果分析

3.2.1 工況Ⅰ

工況Ⅰ條件下水流流態(tài)變化情況如圖1所示。4#機(jī)組增負(fù)荷150s之內(nèi)，前池內(nèi)水流流態(tài)仍然較為穩(wěn)定，未出現(xiàn)明顯的紊流或回流漩渦等不良情況。而在150s后，水流狀態(tài)發(fā)生變化，并逐漸出現(xiàn)不穩(wěn)定流態(tài)，在250s后出現(xiàn)回流漩渦。這主要是由于機(jī)組負(fù)荷增加后，引水流量變大，池內(nèi)水位降低；而明渠內(nèi)的水流又迅速涌入前池，使得前池水量得到補(bǔ)充，使得水位又得以回升，水位反復(fù)波動(dòng)極易出現(xiàn)水流的回流情況。而在300s后，前池水流回流現(xiàn)象逐漸消失，回流漩渦始終與壓力管道進(jìn)水口位置較遠(yuǎn)。綜合分析可知，機(jī)組增負(fù)荷過程中，池內(nèi)水流流態(tài)變化情況仍較為理想，不會(huì)對(duì)泵站機(jī)組安全運(yùn)行造成影響。

圖1 1臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷流態(tài)變化情況

3.2.2 工況Ⅱ

模擬得到3#、4#依次增負(fù)荷時(shí)前池水流流態(tài)變化情況如圖2所示。隨著3#、4#機(jī)組工作負(fù)荷的增加，前池內(nèi)水位首先逐漸下降，水流流態(tài)發(fā)生變化。在100s時(shí)，池內(nèi)水流開始出現(xiàn)較為強(qiáng)烈回流跡象，并在130s時(shí)形成回流漩渦。此后，回流漩渦規(guī)模逐漸減小，在200s時(shí)消失，水流轉(zhuǎn)為穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)不利機(jī)組運(yùn)行的情況。

圖2 2臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷流態(tài)變化情況

3.2.3 工況Ⅲ

工況Ⅲ條件下水流流態(tài)變化情況如圖3所示。正常條件下的前池內(nèi)水流流態(tài)穩(wěn)定，而當(dāng)t=5s時(shí)，前池內(nèi)部水流水位開始逐漸上升，并在局部區(qū)域出現(xiàn)輕微的回流現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況的原因主要是機(jī)組的引水量減少，而來水量仍按照泵站正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的需求進(jìn)行，造成前池內(nèi)水量增加、水位上升，并產(chǎn)生回流現(xiàn)象。當(dāng)t=80s時(shí)，前池內(nèi)的水流狀態(tài)更差，在距離壓水管道進(jìn)水口較遠(yuǎn)的池中心位置出現(xiàn)兩個(gè)回流漩渦，這主要是池內(nèi)上升水流與泄洪水流共同作用的結(jié)果。而在t=200s時(shí)，在池內(nèi)正負(fù)涌波的作用下，回流漩渦情況逐漸消失，并逐步恢復(fù)到穩(wěn)定流態(tài)。

圖3 4臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷流態(tài)變化情況

工況Ⅲ為最不利工況，模擬此時(shí)期池內(nèi)水位變化情況，如圖4所示。由圖可知，當(dāng)機(jī)組屬于甩負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，前池內(nèi)水流對(duì)稱分布狀態(tài)將被破壞，水流在泄流堰前方發(fā)生回流。一段時(shí)間后，池內(nèi)流速降低，水位繼續(xù)上升。但最高水位仍不超過設(shè)計(jì)水位，故不會(huì)出現(xiàn)進(jìn)水口水流漫過頂部的情況。

圖4 溢流堰水位變化示意圖

4 結(jié) 語

引水式前池在調(diào)節(jié)水電站水流流態(tài)方面具有重要的作用，在設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)工程運(yùn)行需求確定有效的引水方式，控制電站負(fù)荷與前池的容積等內(nèi)容，并可有效的驗(yàn)證手段驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)合理性，以保障電排站的經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行。通過豐和電排站擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)前池模擬得出，電排站在不同甩負(fù)荷情況下，前池內(nèi)水流流態(tài)特性較為理想；在全甩負(fù)荷情況下，前池水位雖已經(jīng)發(fā)生溢流，但最高水位仍低于設(shè)計(jì)允許值，表明擴(kuò)建工程前池結(jié)構(gòu)體型及參數(shù)符合工程設(shè)計(jì)要求。

[1]李敏.循環(huán)水泵房正向進(jìn)水前池水力性能探究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].太原：太原理工大學(xué),2012.

[2]王治中,劉林章.水電站壓力前池容積研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005(12):143-147.

[3]羅小鵬,李宇,孟濤.新疆喀什地區(qū)疏附縣欄桿水電站前池改造設(shè)計(jì)方案初探[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2005(04):51-54，71.

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文章編號(hào)：1007-7596(2016)08-0011-03

[收稿日期]2016-06-26

[作者簡(jiǎn)介]張坡(1973-)，男，山西臨汾人，工程師。

Fenghe Electric Water Drainage Station Extension Project Diversion Forebay Design and analysis of Flow Regime Characteristics

HU Jing

(Nanchang Municipal Water Conservancy Planning Design Institute，Nanchang 330009，China)

Taking the extension project of Fenghe electric water drainage station in Nanchang of Jiangxi Province as the example，by comparing and analyzing the diversion forebay design scheme and its hydraulic parameters，CFD and RNG were applied to analyze the characteristics of designed forebay flow regime ，this paper verified the rationality of new design forebay scheme and supplied

for future operation and management of electric water drainage station in the future.

electric water drainage station; forebay of water devision;design scheme;characteristics of flow regime;state of load shedding

S277.1

B

1007-7596(2016)08-0145-03

2016-06-24

付彥鵬(1981-)，男，遼寧北票人，工程師，研究方向?yàn)樗帘３帧?/p>