近閘布置斜向進流泵站進水流態(tài)及改善措施試驗研究

高煒杰，朱賁賢，陳銀魯

（浙江省寧波市水利水電規(guī)劃設計研究院，浙江寧波315192）

近閘布置斜向進流泵站進水流態(tài)及改善措施試驗研究

高煒杰，朱賁賢，陳銀魯

（浙江省寧波市水利水電規(guī)劃設計研究院，浙江寧波315192）

靠近已建水閘新建的排澇泵站工程布置一般均偏置與河道主流一側，受場地限制引渠長度及轉彎半徑往往無法滿足規(guī)范要求，造成泵站進流不均，影響泵站正常運行。通過寧波市印洪碶泵站模型試驗，分析“斜向進水“泵站進水建筑物進水流態(tài)及其改善措施。實驗研究表明：其不良流態(tài)表現(xiàn)為新開河段凹岸側回流和右側翼墻后的繞流；獨立進水池的隔墩約束導順作用可有效改善泵站進水橫向流速分布不均問題；采用減小引渠擴散角、采用直立岸墻斷面代替直立+斜坡斷面與前池平順連接可有效消除前池入口左側回流區(qū)。

斜向進流；泵站；進水流態(tài)；改善措施

寧波市位于浙江省東部沿海，根據(jù)自身排澇條件，排澇方式一般采用“自排為主、抽排為輔”方式進行。而近年來，隨著城市的高速發(fā)展以及強降雨的頻發(fā)引起的城市內(nèi)澇日益加劇，排澇泵站建設進入了一個高潮。在新建泵站選址時，內(nèi)河出口處既有水閘一般均為正對河道主流布置，故在新建泵站軸線只能偏置于水閘一側，而受上游其他市政設施、土地征用等因素影響引渠布置受到很大限制，引渠轉彎半徑及順直段長度很難滿足泵站設計規(guī)范的相關要求，使進水前池呈現(xiàn)出“斜向進流”的情況。排澇泵站機組流量較大，對進口流態(tài)要求高，內(nèi)河來流斜向進入泵站前池，在前池近閘側可能產(chǎn)生較大的回流區(qū)，造成泵站進流不均，影響其安全正常運行。故如何合理布置此類“斜向進流”泵站的進水建筑物，降低“斜向進流”不良流態(tài)的影響，對其正常安全運行至關重要。本文結合工程設計實例及物理模型試驗成果，對“斜向進流”泵站的進水流態(tài)及改善措施進行探討。

1 項目概況

印洪碶河是寧波市江東區(qū)鄞西南平原澇水外排甬江出海的重要出口?，F(xiàn)狀印洪碶河入甬江河口位置建有2003年外移后的印洪碶閘。印洪碶閘上約85 m為甬江大道，甬江大道至甬江堤防岸線間為甬江公園綠地，寬度約130 m。根據(jù)防洪治澇規(guī)劃，印洪碶河入甬江河口，尚需建設設計排澇流量為30 m3/s的排澇泵站。根據(jù)城市用地規(guī)劃及于其他市政設施的關系，新建印洪碶泵站僅能布置于現(xiàn)狀印洪碶閘左岸。根據(jù)泵站選型，最終采用3臺1600 QZB潛水軸流泵站機組，單機設計流量10.0 m3/s，單臺機組獨立進水池寬為4.8 m。

印洪碶強排泵站工程內(nèi)河側新開河道受場地限制，彎道終點與前池進口之間直線段長度較短，小于河道水面寬度的8倍，且內(nèi)河側右岸翼墻與現(xiàn)狀印洪碶閘左岸相接呈不規(guī)則形態(tài)，泵站正向排水時，水流條件復雜，出現(xiàn)典型的近閘布置斜向進流狀態(tài)。可能造成泵站進水水流紊亂，降低裝置效率，引起機組和泵房的振動，嚴重時甚至造成水泵啟動困難。

2 初步布置及試驗成果

考慮到上述原因，印洪碶泵站在初步布置時采用以下措施來克服場地限制可能帶來的水流問題：

（1）采用基坑垂直支護手段使泵站順水流方向軸線與現(xiàn)有排澇閘軸線盡量靠近，以減小引渠轉角；

（2）采用廠房順水流方向較短的立式機組來增加引渠長度；

（3）采用由隔墩完全隔離的獨立進水池,調(diào)整進水前池內(nèi)流速分布，改善水泵吸入口水流條件；

初步布置詳見圖1

對初步布置成果采用水工物理模型試驗進行驗證。模型試驗采用Froude相似準則，設計為正態(tài)模型，模型主要包括引水渠、前池、進水流道、泵房段及出水口，上游模擬至泵站上游120 m范圍（跨內(nèi)河橋南側），下游模擬到水泵入口，模型幾何比尺為1∶10。

圖1 印洪碶泵站初步平面布置

圖2 左側凹岸及右岸近閘側回流區(qū)

圖3 測速剖面布置

在模擬工況選取上，考慮到同等水泵開啟低水位情況作為重點研究工況，并進行不同單泵流量的對比分析。

2.1 內(nèi)河引渠流態(tài)及流速分布

根據(jù)實驗結果，內(nèi)河側上游來流較為平順，來流水流順直，基本順原河道方向流向印洪碶閘，在閘前向泵站一側偏轉，在引渠左側凹岸及右岸近閘部分產(chǎn)生回流，3臺泵同時運行低水位工況下回流邊界基本沿左岸岸側底邊線，實側最大回流流速約0.2 m/s；當其中兩臺或一臺機組開啟時，河道來流流速有所降低，水流相對易于擴散轉向，回流邊界向凹岸側有所回縮。

2.2 前池、泵房段沿程流態(tài)及流速分布

為了研究泵站前池、泵房段沿程流態(tài)及流速分布，本次模型試驗在前池及泵房內(nèi)設置了4個測速橫剖面及3個測速縱剖面，測點見圖3。

根據(jù)實驗結果，從前池進口斷面水流流速在橫向分布上，受內(nèi)河側新挖河段凹岸回流的擠壓作用，當機組全開或1#，3#機組對稱開啟工況下進入泵站前池的水流呈現(xiàn)出右側大，左側小的分布；而當靠左岸1#、2#機組同時開啟時，前池水流又同時受下游側和內(nèi)河側右岸翼墻擾流水流影響，在翼墻后形成回流，擠壓入前池的主流向左偏轉；單泵運行時，當靠左岸1#、2#機組開啟時，前池斷面流速分布均受右側翼墻后回流影響，呈現(xiàn)右側垂線偏小的分布，當開啟右岸3#機組時，由于受下游水流的強制作用，呈現(xiàn)出右側大，左側小的分布情況。可見在前池斷面上受左岸回流及右岸翼墻擾流回流影響，橫向流速分布不均勻。

在機組全開工況下，在進口斷面上，受上游左側回流擠壓影響，1#泵呈現(xiàn)右側大左側小的分布，2#泵流速分布較為均勻，3#泵受右側翼墻后繞流影響，呈現(xiàn)出左側大，右側小的分布；在交通橋斷面，流速橫向分布已較為均勻，1#、2#泵垂線平均流速橫向偏差小于10%，3#泵偏差小于20%。

兩臺機組開啟情況下，在進口斷面上，當1#、2#機組開啟工況下，在進口斷面上，受上游左側回流擠壓影響，1#泵呈現(xiàn)右側大左側小的分布，垂線平均流速橫向分布最大偏差22%，2#泵流速分布較為均勻，但右側沿垂線分布呈表面大，底部小的分布；當1#、3#機組開啟時，受上游左側回流擠壓影響，1#泵呈現(xiàn)右側大左側小的分布，垂線平均流速橫向分布最大偏差15%，3#泵受右側翼墻后繞流影響，呈現(xiàn)出左側大，右側小的分布，左側沿垂線呈表面大、底部小的分布；2#、3#泵開啟工況下，在進口斷面上，2#泵流速分布較為均勻，3#泵受右側翼墻后繞流影響，呈現(xiàn)出左側大、右側小的分布，最大偏差達30%；

單泵運行工況下，各斷面流速分布相對較好，主要表現(xiàn)為2#泵流速分布較為均勻，1#泵和3#泵分別存在隔墻和翼墻后繞流影響，呈現(xiàn)出左側大，右側小的分布。

在交通橋斷面，受前池導順作用，橫向流速分布逐漸趨于均勻，除2#、3#泵開啟工況下的3#泵垂線平均流速橫向偏差小于15%外，其余各工況垂線平均流速橫向偏差均小于10%。至流道吸入口，由于受到獨立進水池隔墩導順作用，各工況下吸入口左右兩側流速偏差基本已小于2%，僅個別工況3#泵流速偏差達到3%。

各工況下前池流速縱剖面分布在前池末端水流在垂向上擴散已較為充分，呈表面大、底部小的分布，垂線偏差小于30%，在前池底坡上未發(fā)現(xiàn)橫軸回流，至交通橋斷面垂線流速分布已較為均勻，對水泵運行影響不大。

限于篇幅，本文僅給出3臺機組全開工況下前池入口、3#機組進水池入口、交通橋斷面流速分布圖及泵站吸入口斷面流速分布圖，見圖4。

由實驗結果可知，對泵房水流有所影響的主要不利流態(tài)表現(xiàn)為新開引渠凹岸側的大范圍回流和右側翼墻后的繞流，受其影響在進水池進口斷面上各工況垂線平均流速橫向最大偏差普遍在10%～20%，個別工況最大偏差可達30%而至交通橋斷面受進水池隔墩約束作用影響，除2#、3#泵開啟工況下的3#泵垂線平均流速橫向偏差小于15%外，其余橫向流速偏差已均小于10%，至水泵吸入口斷面時各工況下吸入口左右兩側流速偏差基本已小于2%，僅個別工況3#泵流速偏差達到3%。

可見獨立進水池對水流較強的約束作用，保證了泵站吸入的橫向流速均勻分布，但由于引渠布置“先天不足”，進水池入口仍存在較大橫向流速不均及大范圍回流區(qū)。

圖4 機組全開工況沿程泵房流速分布

3 調(diào)整引渠線型方式優(yōu)化布置及試驗成果

從實驗結果分析，初步布置理論上能夠保證泵站機組在各工況下的正常運行。在實際運行中引渠大范圍的回流區(qū)形成的漩渦可能會隨水流向進水池方向移動，將空氣帶入進水流道中。進水池入口流速橫向偏差較大，可能導致污物局部堆積影響水泵運行，故擬對方案做進一步優(yōu)化。

優(yōu)化試驗主要考慮：左岸新開河段邊線適度向河心內(nèi)縮，減小左岸邊線的轉角；泵站與閘之間翼墻體型修改；必要時在新開河段設置一定的導流措施。

修改方案主要考慮以下三個方向：

（1）將連接段岸坡調(diào)整為直立岸坡，來改岸線與泵站左側翼墻連接段不連續(xù)造成的左側進口前的回流；

（2）原布置方案下左岸岸線轉角過大，導致來流不能轉向形成擴散段的大范圍回流，而后回流又進一步擠壓主流，故根據(jù)水流的自由擴散角，結合地形實際限制，將擴散角調(diào)整為25°,連接圓弧半徑約25 m；

（3）右側泵閘之間翼墻適當上延，約束來流，增加前池前引河段水流調(diào)整長度，減小翼墻后的繞流強度。

分別擬定3種布置，并進行實驗驗證。

根據(jù)修改方案試驗表明：

（1）調(diào)整左岸新開河段岸線，減小擴散角度對減小回流范圍，削弱回流強度是有效的；

（2）左岸岸線采用直立擋墻與翼墻間平順連接后，有效消除了前池入口前左側的回流區(qū)；

（3）右側泵閘翼墻上延，約束了水流，增加了引渠調(diào)整段，有效削弱了繞流范圍和強度，雖然對3#流道進口還有一定影響，但在泵房內(nèi)沿程不斷調(diào)整后在交通橋位置其偏差已減小至20%以下，水泵吸入口斷面流速分布已較為均勻，偏差小于10%，左右孔流量偏差小于2%，其影響已可以接受。

4 局部整流措施優(yōu)化布置及試驗成果

通過調(diào)整新開挖河段邊界及邊墻斷面形狀、上延泵閘隔墩等措施，取得了減小回流范圍，削弱回流強度的效果，但對改善清污機斷面及泵吸入口斷面流速分布的均勻性無明顯作用，因此進一步優(yōu)化方向主要考慮：簡化水流改善工程措施。簡易整流設施盡量在前池內(nèi)設置，以方便施工。故又進行了不同前池局部整流措施的效果比較試驗，各方案布置詳見圖5。

三種前池整流措施下清污機斷面流速分布偏差詳見表1。

實驗結果表明，從改善進水池入口橫向流速偏差角度來看齊平隔墩布置效果較差，隔墩交錯布置及隔墩交錯布置+橫梁可顯著改善進水池入口橫向流速分布，清污機斷面流速分布偏差可控制到30%以下。但對于水泵吸入口而言但由于獨立進水池導順作用已足夠明顯，故并無顯著改善。

圖5 不同型式前池及右側導墻及不同型式前池整理措施布置

表1 三機運行不同前池整流設施下清污機斷面流速分布偏差（%）

6 結語

綜合試驗結果，泵站上游引渠左側岸線擴散角及斷面型式對泵站內(nèi)河側流態(tài)影響明顯，最終印洪碶泵站采取調(diào)整左岸岸線轉角至25°，前池側轉彎半徑調(diào)整為30 m，上游側外擴轉彎半徑調(diào)整為20 m，內(nèi)河側新開河段采用直立岸墻的布置方案。而前池內(nèi)整流措施雖能夠起到一定的調(diào)整進水池入口橫向流速偏差作用，但前池內(nèi)設置過于復雜的整流措施一方面影響到泵站的進口水頭損失，一方面也影響到泵站的運行管理，故未采用。

通過本次設計、試驗，針對進閘布置斜向進流泵站的進水建筑物布置可總結以下經(jīng)驗結論：

（1）近閘布置斜向進流泵站，在引渠彎道終點與前池進口之間直線段長度不滿足規(guī)范要求時，主要不利流態(tài)表現(xiàn)為新開河段凹岸側回流和右側翼墻后的繞流；

（2）獨立進水池的隔墩約束作用可起到較好的導順水流作用，進水池入口較大橫向流速偏差經(jīng)進水池整流后已可基本消除；

（3）泵站上游引渠左側岸線擴散角及斷面型式對泵站內(nèi)河側流態(tài)影響明顯，減小引渠擴散角、采用直立岸墻斷面代替直立+斜坡斷面與前池平順連接可有效消除前池入口左側回流區(qū)；但對于泵站進口交通橋斷面及吸入口流速分布無顯著影響；

（4）)前池采用局部整流措施，可改善清污機斷面流速橫向分布，尤其是交錯布置隔墩+整流橫梁方案或可使進水池入口斷面橫向流速偏差小于20%，但對于水泵吸入口而言，由于獨立進水池導順作用已較明顯，故并無顯著改善。

Experimental Study on Flow Pattern and Improvement Measures of Inclined Inlet Pumping Station of Near Gear Arrangement

Gao Weijie,Zhe Feixian,Chen Yinlu
（NingboWater resources and Hydropower Planningand Design Institute in ZhejiangProvince,Ningbo315192,Zhejiang）

The layout of new drainage pumping station engineering near the already built water gate are generally offset with the mainstream of the river side.The hidden ditch length and turning radius is often unable to meet requirements of the specification,resulting in pumping station uneven flowand affecting the normal operation of the pumping station.Through the model test of Yinhong pump station in Ningbo,the article analyzes the flowing pattern of inlet water in"inclined water"pump station and its improvement measures.The experimental results show that the poor flow is characterized by concave side backflowof the newriver section and the right side flowaround of the wing wall.The effect of the dike pier of the independent inlet can effectively improve the uneven flow velocity Problem.Eliminate spread angles of the approach channels and use of vertical wall section instead of vertical+slope section and the front pool smooth connection can effectively eliminate the left side ofthe return area at the front pool entrance.

Inclined inlet flow,pump station,inlet flowingstate and improvement measure

S27.92

B

1673-9000（2017）04-0106-04

2017-03-10

高煒杰（1983-），男，漢族，浙江嘉興人，工程師，主要從事水利水電工程設計工作