城市泵站調(diào)節(jié)池流態(tài)改善措施研究

佟宏偉，王曉升

(1.上海城投水務(wù)工程項(xiàng)目管理有限公司，上海 201103；2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

城市供排水泵站和提升泵站中，為調(diào)節(jié)不同區(qū)域、不同時(shí)段的用水需求，保障供排水管網(wǎng)在特殊工況下的平穩(wěn)運(yùn)行，泵站進(jìn)水泵房前常常布置有調(diào)節(jié)池[1,2]。由于泵站調(diào)節(jié)池容量相對(duì)較大，水流流速相對(duì)較低，當(dāng)泵站輸運(yùn)的水流中泥沙含量較多時(shí)，調(diào)節(jié)池和泵站前池中易產(chǎn)生泥沙淤積，這勢(shì)必會(huì)減小調(diào)節(jié)池的調(diào)蓄容量，并改變泵站的進(jìn)水條件，對(duì)泵站的安全、高效運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。

市政工程中，防止泵站調(diào)節(jié)池泥沙淤積的方法主要有2種：一種是采用機(jī)械設(shè)備如曝氣設(shè)備和攪拌設(shè)備等防止泥沙沉積，這種方法通常安裝、檢修復(fù)雜，且建造、管理和維護(hù)的成本相對(duì)較高；另一種方法是采用特種形式的調(diào)節(jié)池布置，通過水流自身運(yùn)動(dòng)攜帶泥沙運(yùn)移，這種調(diào)節(jié)池建造、維護(hù)費(fèi)用較低，但若調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)不合理時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生局部淤積、泵站進(jìn)水流態(tài)惡化等問題，對(duì)泵站進(jìn)水系統(tǒng)水力設(shè)計(jì)的要求更高。

在調(diào)節(jié)池中布置槽道，通過槽道增加水流流速，從而增強(qiáng)水流的挾沙能力，是一種通過水力條件防止泥沙淤積的調(diào)節(jié)池布置形式。目前，針對(duì)泵站前池水力特性及其流態(tài)改善的研究，前人已開展了較多的工作[3-8]，而對(duì)泵站調(diào)節(jié)池水力特性及其對(duì)泵站進(jìn)流的影響研究則較少。本文結(jié)合某典型城市泵站，對(duì)含有槽道式調(diào)節(jié)池的泵站進(jìn)水系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用物理模型試驗(yàn)的方法，對(duì)泵站調(diào)節(jié)池的水力特性進(jìn)行分析，提出改善泵站進(jìn)水流態(tài)的整流措施，以保證泵站的安全、高效運(yùn)行。

1 模型的建立

1.1 研究對(duì)象

上海某典型輸水泵站，設(shè)計(jì)規(guī)模為240 萬m3/d，裝設(shè)8臺(tái)水泵機(jī)組，通過2根配水管向2座調(diào)節(jié)池配水，調(diào)節(jié)池有效容積約1 萬m3，池內(nèi)由導(dǎo)流墻分割為若干槽道，每座調(diào)節(jié)池分別對(duì)應(yīng)一座前池，為保證均勻的前池進(jìn)流條件，調(diào)節(jié)池槽道末端與前池正向相接，前池向4臺(tái)水泵配水，每臺(tái)水泵單獨(dú)設(shè)進(jìn)水池。2座調(diào)節(jié)池及前池呈對(duì)稱布置，本文以其中一個(gè)泵站調(diào)節(jié)池及前池作為研究對(duì)象，調(diào)節(jié)池及前池平面布置見圖1。圖1中尺寸單位為mm，高程單位為m。

圖1 泵站調(diào)節(jié)池及前池布置

1.2 物理模型設(shè)計(jì)

泵站調(diào)節(jié)池、前池內(nèi)水流主要受重力支配，故模型采用重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，綜合考慮水流流態(tài)及量測(cè)精度的需要，選取模型線性比尺λl=10，相應(yīng)的其他主要物理量的相似比尺為：流速比尺λV=λ1/2l=101/2=3.16，流量比尺λQ=λ5/2l=105/2=316.23，糙率比尺λn=λ1/6l=101/6=1.47。模型采用自循環(huán)開敞式的試驗(yàn)裝置，由調(diào)節(jié)水庫、進(jìn)水管、調(diào)節(jié)池、前池、進(jìn)水池、模型泵機(jī)組、出水管路、回水渠、控制及量測(cè)系統(tǒng)等組成。泵站物理模型試驗(yàn)裝置見圖2。

圖2 泵站物理模型平面布置

試驗(yàn)主要對(duì)調(diào)節(jié)池沿程槽道的流速分布、調(diào)節(jié)池沿程水面落降及前池的流速分布等進(jìn)行量測(cè)，根據(jù)調(diào)節(jié)池內(nèi)的流速大小和流速分布分析調(diào)節(jié)池內(nèi)的泥沙淤積情況，根據(jù)調(diào)節(jié)池沿程水面落降和前池流速分布評(píng)價(jià)泵站調(diào)節(jié)池流態(tài)的優(yōu)劣。流量由安裝在水泵出水管后的量水堰進(jìn)行量測(cè)，水位用測(cè)壓管量測(cè)，流速采用多普勒三維剖面點(diǎn)式流速儀(ADV)量測(cè)，文中流速分布給出水流前進(jìn)方向的流速分量Vx。

調(diào)節(jié)池流速測(cè)點(diǎn)布置在沿程槽道中，主要量測(cè)槽道底部流速(模型中距池底約1 cm位置)；前池流速測(cè)點(diǎn)布置在前池?cái)U(kuò)散段，主要為分析調(diào)節(jié)池流態(tài)對(duì)前池流態(tài)的影響，流速測(cè)點(diǎn)在立面方向上均勻布置5層，文中給出垂線平均流速，調(diào)節(jié)池及前池流速測(cè)點(diǎn)布置見圖3。為便于數(shù)據(jù)對(duì)比，本文流速測(cè)點(diǎn)標(biāo)注尺寸及流速數(shù)據(jù)均為模型值換算后對(duì)應(yīng)的原型值。

圖3 泵站調(diào)節(jié)池及前池流速測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

1.3 試驗(yàn)條件

選擇前池水位為高水位、設(shè)計(jì)水位及低水位運(yùn)行作為試驗(yàn)條件，相應(yīng)的流量、開泵臺(tái)數(shù)及組合等見表1。本文主要對(duì)調(diào)節(jié)池內(nèi)的流態(tài)及其整流措施效果進(jìn)行分析研究，不同的開機(jī)組合盡管對(duì)泵站前池流態(tài)影響較大，但對(duì)調(diào)節(jié)池流態(tài)的影響則相對(duì)較小，前池流速分布僅作為評(píng)價(jià)調(diào)節(jié)池流態(tài)優(yōu)劣的因素，因而各運(yùn)行工況選取相同的開機(jī)臺(tái)數(shù)和開機(jī)組合，不同開機(jī)組合對(duì)前池的流態(tài)影響本文不作分析。

表1 試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)

2 泵站調(diào)節(jié)池流態(tài)分析

泵站初始設(shè)計(jì)方案下，調(diào)節(jié)池池底高程為0 m，調(diào)節(jié)池槽道寬度為4.20～5.05 m，泵站設(shè)計(jì)流量為14.862 m3/s；當(dāng)泵站前池在高水位運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)池水深為5.80 m；假設(shè)調(diào)節(jié)池槽道內(nèi)流速分布均勻，則槽道平均流速約為0.50～0.60 m/s，大于通常條件下城市泵站懸浮物顆粒的起動(dòng)流速，基本可以防止調(diào)節(jié)池內(nèi)的泥沙淤積。

圖4、圖5為泵站在高水位運(yùn)行條件下的泵站調(diào)節(jié)池表面流態(tài)及流速分布。由試驗(yàn)結(jié)果可知，水流從調(diào)節(jié)池進(jìn)口經(jīng)沿程槽道流入前池的過程中，需經(jīng)2個(gè)90°轉(zhuǎn)彎和7個(gè)180°轉(zhuǎn)彎，調(diào)節(jié)池槽道數(shù)量較多，寬度較窄，調(diào)節(jié)池槽道內(nèi)的水流流速較大，使得水流在轉(zhuǎn)彎處存在顯著的流動(dòng)分離，且在轉(zhuǎn)彎后較大范圍內(nèi)存在窄長形的回流區(qū)，各槽道內(nèi)的水流明顯偏向彎道外側(cè)，內(nèi)側(cè)局部區(qū)域流速偏低，對(duì)調(diào)節(jié)池的防止泥沙沉積不利。另一方面，調(diào)節(jié)池末端出流不均，使得泵站前池進(jìn)流條件惡化，前池流速分布顯著不均，前池右側(cè)為回流區(qū)域，前池水流條件較差。

圖4 調(diào)節(jié)池及前池表面流態(tài)

圖5 調(diào)節(jié)池及前池流速分布(單位：m/s)

另一方面，當(dāng)泵站在前池低水位(1.80 m)條件下運(yùn)行時(shí)，由于調(diào)節(jié)池槽道流速較大，調(diào)節(jié)池局部水力損失較大，調(diào)節(jié)池沿程水面落降顯著增加，水流由調(diào)節(jié)池流入前池時(shí)，槽道水流由緩流過渡為急流，且在前池進(jìn)口區(qū)域存在有明顯的水躍現(xiàn)象。試驗(yàn)中，控制前池水位逐漸上升，前池進(jìn)口水流由急流逐漸過渡為臨界流和緩流，實(shí)測(cè)前池水位在2.30 m時(shí)，前池進(jìn)口水流接近臨界流狀態(tài)，此時(shí)調(diào)節(jié)池沿程水面落降為1.46 m。前池進(jìn)口區(qū)域水流流態(tài)演化見圖6。

圖6 前池進(jìn)口區(qū)域流態(tài)演化

可見，對(duì)于初始設(shè)計(jì)方案的泵站調(diào)節(jié)池來說，盡管考慮了高水位運(yùn)行條件下的調(diào)節(jié)池泥沙沉積問題，但由于調(diào)節(jié)池槽道數(shù)量較多，寬度較窄，一方面，受槽道隔墻繞流影響，槽道內(nèi)流速分布不均，局部存在回流區(qū)和低速流區(qū)，對(duì)調(diào)節(jié)池防泥沙沉積不利；另一方面，當(dāng)前池在設(shè)計(jì)水位和低水位條件下運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)池槽道內(nèi)流速分布不均、水力損失過大，進(jìn)而影響到泵站前池的進(jìn)流條件，對(duì)泵站的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行不利。

3 調(diào)節(jié)池流態(tài)改善措施研究

針對(duì)調(diào)節(jié)池中存在的水力損失過大、偏流、回流等問題，通過調(diào)整調(diào)節(jié)池的布置形式和增設(shè)局部整流措施對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的試驗(yàn)，研究能有效降低調(diào)節(jié)池水力損失、防止調(diào)節(jié)池泥沙沉積、改善泵站前池進(jìn)流條件的調(diào)節(jié)池優(yōu)化布置方案。

3.1 分流槽道式調(diào)節(jié)池

為了減小調(diào)節(jié)池槽道流速，降低調(diào)節(jié)池水力損失，通過適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)池槽道寬度及隔墻位置，形成分流槽道式調(diào)節(jié)池方案，見圖7(高程單位為m，尺寸單位為mm)。分流方案通過在槽道中間布置隔墻，將水流一份為二，2股水流經(jīng)不同的槽道，在最后一個(gè)槽道內(nèi)匯流，分流前的槽道寬度為7.80 m和8.40 m，水流分流后的槽道寬度為4.00 m，水流匯合后的槽道寬度為8.40 m。

圖7 調(diào)節(jié)池加寬槽道和分流槽道布置

調(diào)節(jié)池調(diào)整為分流槽道式布置形式后，槽道單位寬度的過流量減小，槽道轉(zhuǎn)彎處的局部水力損失顯著減小，調(diào)節(jié)池沿程水面落降得到了顯著的降低，前池在低水位(1.80 m)運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)池沿程水面落降為0.82 m，調(diào)節(jié)池槽道中的水流平穩(wěn)，無急流流態(tài)。由于流速降低，槽道轉(zhuǎn)彎處的回流區(qū)顯著減小，槽道內(nèi)流速分布相對(duì)較為均勻，兩股水流交匯后，最后一條槽道基本無明顯的偏流現(xiàn)象，流速分布均勻，這為前池均勻進(jìn)流提供了較好的邊界條件。其中，前池在設(shè)計(jì)水位(3.80 m)運(yùn)行時(shí)的調(diào)節(jié)池流態(tài)見圖8。盡管如此，由于槽道單位寬度過流量減小，前池在高水位(5.80 m)條件下運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)池槽道內(nèi)流速相對(duì)較低，平均流速約在0.32 m/s左右，不利于調(diào)節(jié)池內(nèi)的泥沙輸移，需作進(jìn)一步的優(yōu)化。

圖8 分流槽道式調(diào)節(jié)池流態(tài)

3.2 調(diào)節(jié)池局部整流措施

采用分流槽道式調(diào)節(jié)池布置方案后，調(diào)節(jié)池槽道流態(tài)和前池進(jìn)流條件均得到了顯著改善，中低水位條件下調(diào)節(jié)池沿程水面落降過大的問題得到了有效控制。但槽道轉(zhuǎn)彎處，受隔墻繞流影響，槽道水流仍明顯偏向彎道外側(cè)，分流前的槽道轉(zhuǎn)彎處尤其顯著；同時(shí)，在前池高水位運(yùn)行時(shí)，槽道內(nèi)流速明顯降低，平均流速約在0.32 m/s左右，對(duì)調(diào)節(jié)池的防泥沙沉積效果可能造成不利影響。為此，通過在調(diào)節(jié)池槽道中布置導(dǎo)流板和擋水板措施，以進(jìn)一步改善調(diào)節(jié)池內(nèi)的流態(tài)，同時(shí)為改善泵站前池、進(jìn)水池的流態(tài)，在前池?cái)U(kuò)散段增設(shè)了導(dǎo)流墩及組合橫梁的整流措施。調(diào)節(jié)池局部整流措施布置見圖9(高程單位為m，尺寸單位為mm)。

圖9 調(diào)節(jié)池局部整流措施布置

圖10、圖11為調(diào)節(jié)池增設(shè)導(dǎo)流板和擋水板后，前池高水位運(yùn)行時(shí)的調(diào)節(jié)池流態(tài)和流速分布(由于調(diào)節(jié)池體形有所調(diào)整，調(diào)節(jié)池內(nèi)流速測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，在調(diào)節(jié)池槽道轉(zhuǎn)彎處增設(shè)導(dǎo)流板，可以減小彎道處的水力半徑，有效均化調(diào)節(jié)池槽道轉(zhuǎn)彎處內(nèi)外側(cè)的流量分配，改善調(diào)節(jié)池槽道內(nèi)偏流、回流的不良流態(tài)，調(diào)節(jié)池槽道內(nèi)流速分布顯著均化。在調(diào)節(jié)池槽道內(nèi)布置擋水板后，當(dāng)前池在高水位運(yùn)行時(shí)，槽道底部流速顯著增大，除彎道處小范圍回流區(qū)和低流速區(qū)外，槽道內(nèi)流速基本控制在0.45～0.60 m/s，基本可防止泵站高水位運(yùn)行時(shí)的調(diào)節(jié)池泥沙淤積。調(diào)節(jié)池出口流速分布均勻，前池進(jìn)流條件良好，同時(shí)經(jīng)擴(kuò)散段導(dǎo)流墩和組合橫梁的作用，前池流速分布得到進(jìn)一步優(yōu)化，且增大了前池底部流速，有利于前池的防淤。

圖10 優(yōu)化方案調(diào)節(jié)池流態(tài)

圖11 優(yōu)化方案調(diào)節(jié)池及前池流速分布(單位：m/s)

將優(yōu)化方案與初始方案各運(yùn)行工況下的調(diào)節(jié)池沿程水面落降列于表2之中。由試驗(yàn)結(jié)果可知，調(diào)節(jié)池布置及局部體形優(yōu)化后，調(diào)節(jié)池沿程水面落降顯著下降，調(diào)節(jié)池槽道內(nèi)增設(shè)擋水板盡管會(huì)增加高水位運(yùn)行時(shí)的水頭損失，但調(diào)節(jié)池沿程水面落降仍與前池設(shè)計(jì)水位運(yùn)行時(shí)基本相當(dāng)，對(duì)泵站的穩(wěn)定運(yùn)行影響較小。

表2 調(diào)節(jié)池沿程水面落降對(duì)比 m

4 結(jié) 語

本文對(duì)采用槽道布置形式的泵站調(diào)節(jié)池流態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)的物理模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：當(dāng)調(diào)節(jié)池槽道布置不盡合理時(shí)，調(diào)節(jié)池中易產(chǎn)生偏流、回流、水力損失過大等流動(dòng)問題，不但影響調(diào)節(jié)池的防泥沙沉積效果，也有可能危害泵站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)調(diào)節(jié)池中存在的水力問題，通過改變調(diào)節(jié)池布置形式和增設(shè)局部整流措施的方法進(jìn)行了針對(duì)性的分析和研究，顯著改善了調(diào)節(jié)池內(nèi)的水流流態(tài)。

(1)采用分流槽道式的調(diào)節(jié)池布置方案，可有效改善調(diào)節(jié)池槽道內(nèi)的流態(tài)和前池進(jìn)流條件，降低中低水位條件下調(diào)節(jié)池的沿程水面落降。

(2)調(diào)節(jié)池中增設(shè)導(dǎo)流板能有效均化調(diào)節(jié)池彎道處的內(nèi)外側(cè)流量，減小水流過彎的轉(zhuǎn)彎半徑，從而減小槽道中的局部回流區(qū)，改善調(diào)節(jié)池槽道內(nèi)的偏流、回流等不良流態(tài)。

(3)調(diào)節(jié)池中增設(shè)擋水板能有效增大高水位運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)池槽道的底部流速，顯著改善高水位時(shí)調(diào)節(jié)池的防泥沙沉積效果。

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