穿堤涵洞設計對閘站結(jié)合式泵站進水流態(tài)的影響

陳　偉，孫　瀚，王鐵力，陳立冬

(江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127)

0　引　言

泵站工程是將電能轉(zhuǎn)化為水能進行灌溉、供水、排澇以及調(diào)水的綜合性水利工程[1]。水閘是一種既能擋水又能泄水的水工建筑物，通過閘門啟閉來控制水位和流量，以滿足防洪、灌溉、排澇等的需要[2]。在工程實際運用中，受地形條件及工程投資的影響，常常采用泵站和水閘合建的布置方式，以滿足工程運用的多種要求。當閘站結(jié)合工程布置于堤后時，需要通過穿堤涵洞用于排澇時排水以及灌溉時引水。泵站前池進水方式可分為正向進水和側(cè)向進水，側(cè)向進水前池容易在水泵進水池中產(chǎn)生漩渦、回流等不良流態(tài)，對水泵的安全、穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利影響[3-5]。本文通過數(shù)值模擬穿堤涵洞與泵站引水前池不同的連接設計下的不同流態(tài)，確定較合理的連接設計，以期對以后同類型工程設計提供參考。

1　工程概況

泰興市是江蘇省省直管縣級市之一，屬泰州市行政轄區(qū)。泰興市位于江蘇省中部、長江下游北岸。

根據(jù)《泰興市治澇規(guī)劃》以江平公路為界，分為高沙土區(qū)和沿江圩區(qū)兩大澇區(qū)。江平公路以西為沿江圩區(qū)，根據(jù)地面高程又可分為兩片，沿江高等級公路以東地面高程3.5～4.5 m，為沿江地區(qū)與高沙土區(qū)過渡帶，沿江高等級公路以西片地面高程為2.0～3.5 m。虹橋鎮(zhèn)位于沿江高等級公路以西片，由于該區(qū)域地面高程較低，暴雨后極易形成內(nèi)澇。主要存在問題如下：

(1)現(xiàn)狀排澇標準與經(jīng)濟社會發(fā)展不相適應。 隨著區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，泰興市加快現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設，進行農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，發(fā)展高效農(nóng)業(yè)，但區(qū)域治理滯后，澇區(qū)通江口門外排出路不足，內(nèi)部河道淤積與行水能力下降，現(xiàn)狀排澇標準不足10年一遇，局部洼地不足2年一遇。另外城市快速開發(fā)建設，建成區(qū)面積不斷擴大，打亂了現(xiàn)狀的水系，下墊面及工情、水情發(fā)生了變化，原有的排灌的河道、泵站，已不能適應全面建成小康社會和率先基本實現(xiàn)現(xiàn)代化的要求。

(2)沿江圩區(qū)抽排動力不足，因洪治澇尤為突出。沿江圩區(qū)地勢低洼、暴雨后易形成內(nèi)澇，汛期常受臺風、江潮頂托，常引起因洪致澇。由于外排動力不足，現(xiàn)有排澇泵站老化失修、帶病運行，排澇效益低，區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀泵站排模僅0.36 m3/(s·km2)，排澇標準不足5年一遇。

為了提高虹橋鎮(zhèn)排澇和引水，新建泰興市四橋港閘站工程。泰興市四橋港閘站位于虹橋鎮(zhèn)四橋港與長江堤防交匯處，閘站的主要功能為排澇，兼顧區(qū)域生態(tài)引水，且預留自排或自引通道。拆除原泵站，新建閘站，設計流量6 m3/s。

2　初始方案與流態(tài)計算分析

2.1　初始方案設計

泵站采用堤后式布置，泵站中心線與大堤垂直。站身布置在內(nèi)河側(cè)，通過穿堤涵洞與長江連接。根據(jù)泵站功能要求，站身采用閘站結(jié)合型式。泵站安裝2臺套機組，單機設計流量為3.0 m3/s，中間布置閘孔，用于自排和自引。泵站布置閘孔兩側(cè)，用于泵排和泵引。

泵身共一塊底板，底板長20.1 m，寬14.0 m，邊墩和中墩厚1.0 m，底板底面高程-1.70 m，站身頂部高程根據(jù)長江側(cè)200年一遇水位確定7.00 m。水泵葉輪中心高程-1.30 m。

泵站采用立式潛水軸流泵機組配“X”型流道的結(jié)構(gòu)型式。出水管采用拍門斷流。兩側(cè)泵站出水通過在墩墻上開孔匯入中間閘孔。

閘孔采用胸墻式開敞式結(jié)構(gòu)。為了減小閘門高度，閘孔底板上設折線堰，底板面高程為-1.70 m，堰頂高程為-0.7 m。胸墻采用板式胸墻，底高程為2.0 m。

閘站出水通過穿堤涵洞與長江側(cè)溝通，設計穿堤涵洞引水流量6 m3/s，采用單孔矩形箱涵結(jié)構(gòu)，為減少開挖及投資，涵洞與閘孔同寬，孔徑4.0 m×3.0 m(寬×高)，涵洞底板頂面高程-1.7 m，長29.0 m。結(jié)構(gòu)布置見圖1～圖3。

圖1　初始方案閘站平面布置圖(單位:m)Fig.1 The layout of the initial scheme

圖2　初始方案站身縱剖面圖(單位:m)Fig.2 The sectional elevation of the initial scheme

圖3　初始方案水泵層平面圖(單位:m)Fig.3 The pump layout of the initial scheme

2.2　初始方案流態(tài)計算分析

2.2.1控制方程

隨著近二十多年來計算流體動力學方法(CFD)的迅速發(fā)展和應用，許多用于求解三維雷諾平均N-S方程和多種湍流模型方程組的專用軟件應運而生。本文數(shù)值模擬采用的是目前應用廣泛的Fluent軟件。

控制方程采用用連續(xù)方程和Navier-Stokes方程對湍流的瞬時運動進行描述?？紤]到湍流流動的脈動特性，目前廣泛采用了時均法，即把湍流運動看作是時間平均流動和瞬時脈動流動的疊加。為了使方程組封閉，還需引入反映湍動能的k方程和反映湍動能耗散率的ε方程。k-ε模型中以標準k-ε模型應用最廣，試驗證明，標準k-ε湍流模型對很多三維流動都是適用的。對方程等具體表示形式已有很多文獻[6,7]作了介紹，本文不再贅述。

2.2.2泵站引水工況

(1)邊界條件[8]。計算流場的進口設置在穿堤涵洞進口處，由于涵洞較長，進口斷面認為來流均勻分布。設計流量作為已知條件，流場進口采用速度進口邊界條件。

計算流場的出口設置在站身出口處，出口邊界垂直于水流方向。在這里，流動是充分發(fā)展的，可采用自由出流邊界條件。

在計算流場中，前池底壁、進水流道邊壁等，其邊界條件按固壁定律處理。固壁邊界條件的處理對所有固壁處的節(jié)點應用了無滑移條件，而對緊靠固壁處節(jié)點的湍流特性，則應用了所謂對數(shù)式固壁函數(shù)處理之，以減少近固壁區(qū)域的節(jié)點數(shù)。

前池的表面為自由水面，若忽略水面的風所引起的切應力及與大氣層的熱交換，則自由面可視為對稱平面處理。

(2)數(shù)值模擬網(wǎng)格。應用GAMBIT軟件對三維流動計算區(qū)域的建模和網(wǎng)格剖分工作，三維流場數(shù)值計算的邊界及網(wǎng)格剖分情況見圖4。

圖4　初始方案引水工況計算邊界及網(wǎng)格剖分Fig.4 Calculation regions and grid drawings of the initial scheme water diversion condition

(3)數(shù)值模擬結(jié)果。在水泵設計流量下對引水工況的流場進行數(shù)值計算，流場圖見圖5。

由圖5所示的流場圖可以看出，由于涵洞末端與閘孔同寬，泵站進水池方式為側(cè)向進水，在進水池兩側(cè)邊壁產(chǎn)生漩渦，且貼近閘孔邊壁漩渦距離水泵喇叭口較近，不良流態(tài)容易影響水泵安全穩(wěn)定運行。閘孔內(nèi)產(chǎn)生漩渦，但對水泵運行無影響。

圖5　初始方案引水工況流場圖Fig.5 Flow pattern of the initial scheme water diversion condition

2.2.3泵站排澇工況

(1)邊界條件。計算流場的進口設置在站身出口處，進口斷面認為來流均勻分布。設計流量作為已知條件，流場進口采用速度進口邊界條件。

計算流場的出口設置在穿堤涵洞進口處，出口邊界垂直于水流方向。在這里，流動是充分發(fā)展的，可采用自由出流邊界條件。其余設置同引水工況。

(2)數(shù)值模擬網(wǎng)格。三維流場數(shù)值計算的邊界及網(wǎng)格剖分情況見圖6。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果。在水泵設計流量下對排澇工況的流場進行數(shù)值計算，流場圖見圖7。

由圖7所示的流場圖可以看出，由于排澇工況下泵站進水池方式為正向進水，在進水池內(nèi)無漩渦等不良流態(tài)，水泵可以安全穩(wěn)定運行。

3　改進方案與流態(tài)計算分析

3.1　改進方案設計

初始方案計算結(jié)果顯示：在泵站引水工況時，泵站進水池內(nèi)產(chǎn)生漩渦等不良流態(tài)。需對方案進行改進設計，改進方案為在原涵洞與閘站之間增加一節(jié)過渡段，過渡段洞寬由穿堤涵洞洞寬漸變到閘站站身寬度。改進方案結(jié)構(gòu)布置見圖8～圖10。

圖6　初始方案排澇工況計算邊界及網(wǎng)格剖分Fig.6 Calculation regions and grid drawings of the initial scheme drainage condition

圖7　初始方案排澇工況流場圖Fig.7 Flow pattern of the initial scheme drainage condition

圖8　改進方案閘站平面布置圖(單位：m)Fig.8 The layout of the improvement scheme

3.2　改進方案流態(tài)計算分析

3.2.1泵站引水工況

(1)數(shù)值模擬網(wǎng)格。三維流場數(shù)值計算的邊界及網(wǎng)格剖分情況見圖11。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果。在水泵設計流量下對引水工況的流場進行數(shù)值計算，流場圖見圖12。

由圖12所示的流場圖可以看出，由于增加了一節(jié)過渡段，泵站進水池內(nèi)流態(tài)較初始方案明顯改善，無漩渦等不良流態(tài)，水泵可以安全穩(wěn)定運行。閘孔內(nèi)與初始方案相同產(chǎn)生漩渦，但對水泵運行無影響。

3.2.2泵站排澇工況

(1)數(shù)值模擬網(wǎng)格。三維流場數(shù)值計算的邊界及網(wǎng)格剖分情況見圖13。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果。在水泵設計流量下對排澇工況的流場進行數(shù)值計算，流場圖見圖14。

由圖14所示的流場圖可以看出，排澇工況下泵站進水池方式為正向進水，在進水池內(nèi)無漩渦等不良流態(tài)，水泵可以安全穩(wěn)定運行。

4　結(jié)　論

本文通過對穿堤涵洞與閘站進水池兩種連接方式下進水池內(nèi)流態(tài)的數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

(1)初始方案穿堤涵洞與泵站進水池連接形成側(cè)向進水時，進水池內(nèi)產(chǎn)生漩渦等不良流態(tài)，影響水泵安全穩(wěn)定運行。

圖9　改進方案站身縱剖面圖(單位：m)Fig.9 The sectional elevation of the improvement scheme

圖10　改進方案水泵層平面圖(單位：m)Fig.10 The pump layout of the improvement scheme　　(2)改進方案通過增加過渡段，改變了穿堤涵洞與進水池的連接方式，形成正向進水，進水池內(nèi)無漩渦等不良流態(tài)，可以確保水泵安全穩(wěn)定運行。

圖11　改進方案引水工況計算邊界及網(wǎng)格剖分Fig.11 Calculation regions and grid drawings of the improvement scheme water diversion condition

圖12　改進方案引水工況流場圖Fig.12 Flow pattern of the improvement scheme water diversion condition

圖13　改進方案排澇工況計算邊界及網(wǎng)格剖分Fig.13 Calculation regions and grid drawings of the improvement scheme drainage condition

圖14　改進方案排澇工況流場圖Fig.14 Flow pattern of the improvement scheme drainage condition

(3)通過初始方案與改進方案的對比，在今后的類似工程中應盡量避免泵站進水池采用側(cè)向進水方式。

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參考文獻：

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