正向進(jìn)水泵站前池流態(tài)改善模型試驗(yàn)研究

(1.寧波市三江河道管理局，浙江 寧波 315020； 2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092； 3.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 研究背景

前池是泵站進(jìn)水建筑物的重要組成部分，泵站前池的布置應(yīng)滿足水流順暢、流速均勻和池內(nèi)不得產(chǎn)生渦流的要求[1-2]。實(shí)際工程往往因受地形條件限制或進(jìn)水前池的形狀、尺寸設(shè)計(jì)不合理，容易在池內(nèi)形成不良流態(tài)，造成前池內(nèi)泥沙淤積、泵站進(jìn)水水流紊亂，降低裝置效率，從而引起機(jī)組和泵房的振動(dòng)等問題[3-5]。為了給泵站提供良好的進(jìn)水條件，保證泵站能夠安全高效運(yùn)行，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泵站前池流態(tài)進(jìn)行了大量的研究[6-8]。徐輝等針對(duì)側(cè)向進(jìn)水泵站前池水流流態(tài)的改善問題，概括了當(dāng)前側(cè)向進(jìn)水泵站前池整流技術(shù)在流動(dòng)特征、研究方法和整流措施等方面的研究進(jìn)展[9]；許健等針對(duì)某閘站工程前池的流態(tài)，通過模型試驗(yàn)探討了泵站運(yùn)行過程中前池內(nèi)水流的流動(dòng)規(guī)律[10]。

化子閘泵站擬建于慈江干流化子閘南側(cè)(右岸)，是慈江上新建3座梯級(jí)抽排閘站的中間一級(jí)，承擔(dān)著承上啟下的重要功能。泵站規(guī)劃設(shè)計(jì)排澇流量為150.0 m3/s，選用了4臺(tái)流量為37.5 m3/s的豎井貫流泵。工程主要由上游引渠、前池、進(jìn)水池、泵房段、出水池以及下游出水渠等組成，在平面上成長(zhǎng)條狀順序連接。前池連接上游引渠與水泵進(jìn)水池，采用正向進(jìn)水形式，前池總長(zhǎng)為15 m，底高程由-1.870 m過渡至-5.525 m。進(jìn)水池長(zhǎng)為24 m，底高程為-5.525 m?；娱l泵站為超大流量泵站(單機(jī)流量達(dá)到37.5 m3/s)，運(yùn)行時(shí)，前池水流條件較一般泵站更為復(fù)雜，因此，有必要專門對(duì)其加以研究分析，以保證設(shè)計(jì)科學(xué)合理，工程安全有效。本文主要針對(duì)化子閘正向進(jìn)水泵站前池開展了水工模型試驗(yàn)研究。

2 模型試驗(yàn)

2.1 模型比尺

2.2 模型設(shè)計(jì)與制作

模型范圍包括引河、前池、進(jìn)水池、水泵、上游進(jìn)水頭部以及下游出水尾部等幾個(gè)主要部分(見圖1)。

對(duì)模型按照設(shè)計(jì)圖進(jìn)行正態(tài)等比例制作；對(duì)河道部分采用斷面板法制作，用水泥砂漿抹面；對(duì)構(gòu)筑物部分采用有機(jī)玻璃制作，并滿足糙率比尺要求。模型制作精度及標(biāo)準(zhǔn)主要是執(zhí)行《水工(常規(guī))模型實(shí)驗(yàn)規(guī)程SL155-2012》的有關(guān)規(guī)定。

模型中所采用的模型泵按流量比尺來模擬流量。試驗(yàn)前，采用直角三角堰對(duì)模型泵進(jìn)行逐臺(tái)率定，以保證各泵的流量相同。制作的化子閘泵站水工模型如圖1所示。

圖1 化子閘泵站水工模型Fig.1 Hydraulic model of Huazi pumping station

2.3 試驗(yàn)量測(cè)

(1)模型試驗(yàn)中,需要量測(cè)水位、流速、流量等相關(guān)參數(shù)，為此，所采用的量測(cè)方法[13]，是根據(jù)《水工(常規(guī))模型實(shí)驗(yàn)規(guī)程SL155-2012》中推薦的量測(cè)方法。其中，水位量測(cè)采用的是水位測(cè)針，其量測(cè)精度為±0.1 mm。量測(cè)流速采用的是多點(diǎn)自動(dòng)流速采集系統(tǒng)同步測(cè)量。量測(cè)水泵流量采用的是雙閥控制：一個(gè)閥用于控制啟閉，另一個(gè)閥用于控制流量，每臺(tái)泵的流量均由直角三角量水堰單獨(dú)率定。模型水位采用插板式尾門進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(2)測(cè)點(diǎn)、斷面布置中，沿泵站中線在泵站的上、下游各設(shè)置有2個(gè)水位測(cè)點(diǎn)，用于控制模型水位以及測(cè)量沿程水位的變化情況。模型的上游布置有4條流速流向測(cè)量斷面，分別位于模型上游進(jìn)口附近、模型上游的中段、上游的防沖槽處以及泵站的前池(池底水平段中部)，并將其依次編號(hào)為1～4號(hào)斷面。

2.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中，根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行方式(4臺(tái)機(jī)組運(yùn)行、3臺(tái)機(jī)組運(yùn)行、雙機(jī)運(yùn)行、單機(jī)運(yùn)行)、上游水位(高、中、低水位)不同的組合方式設(shè)計(jì)出了多種工況進(jìn)行模型試驗(yàn)。表1給出了4臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)的幾種工況組合條件。

表1 4機(jī)同時(shí)運(yùn)行試驗(yàn)工況組合條件Tab.1 Combination conditions of simultaneous operation test conditions of 4 units running

3 前池流態(tài)分析

3.1 原方案前池流態(tài)

上游水位較低時(shí)，泵站運(yùn)行條件相對(duì)較差。本次試驗(yàn)中，最低上游水位為0.71 m(見表1工況4)，對(duì)應(yīng)的工況為本文試驗(yàn)的最不利工況。現(xiàn)以該工況為主要對(duì)象，將試驗(yàn)得到的泵站上游流態(tài)的主要特征描述分析如下。

該工況下，試驗(yàn)過程中上游各位置的水流順暢，無明顯不良流態(tài)，泵站平面進(jìn)流條件良好。從圖2泵站上游垂線平均流速分布狀態(tài)可以看出：① 模型進(jìn)口河段1號(hào)斷面處，河道順直，水流平順，具有較好的來流條件，流速變化范圍為1.14～1.23 m/s;河道中部流速較兩岸稍大，流速分布較為均勻，有利于上游河道的防護(hù)，保持河勢(shì)穩(wěn)定。② 模型中段位置2號(hào)斷面中部的最大流速為1.23 m/s，左側(cè)流速僅約為0.20 m/s。由于新開挖了泵站引渠，河道右側(cè)寬度逐漸外擴(kuò)，致使河道總寬度增加。泵站運(yùn)行時(shí)，該河段來流主流靠右側(cè)，較為順直地流向泵站前池；左側(cè)水流在化子閘上游河道內(nèi)形成了一范圍較大、強(qiáng)度很小的回流區(qū)域，其中少部分水流受化子閘前水體的頂托，逐漸轉(zhuǎn)向流向前池，且轉(zhuǎn)向順暢，未由于繞流而在泵站前池進(jìn)口處的左側(cè)產(chǎn)生明顯的不良流態(tài)。③ 3號(hào)和4號(hào)斷面數(shù)據(jù)表明，泵站進(jìn)水前池平面水流通暢，流向順直，流速分布較為均勻，3號(hào)斷面的垂線平均流速變化范圍為1.21～1.55 m/s；4號(hào)斷面的垂線平均流速變化范圍為0.48～0.58 m/s，各機(jī)組的進(jìn)流均較為均勻，進(jìn)流條件良好。

在本試驗(yàn)過程中觀測(cè)到，泵站前池上游各斷面的流速沿垂向分布較為均勻，底、中、表流速方向一致，底部流速稍小。但是在泵站進(jìn)水前池斜坡及池底水平段存在一定范圍及一定程度的回流滯水區(qū)域，4號(hào)斷面上部流速大于下部，底部為反向流速，如圖3所示。由泵站上游近中心縱剖面流速分布情況可以看出，實(shí)測(cè)機(jī)組進(jìn)口處的進(jìn)流均為正向，表明該回流滯水區(qū)未發(fā)展至流道內(nèi)。

圖2 泵站上游垂線平均流速分布(4臺(tái)機(jī)組，水位0.71m)Fig.2 Distribution of average vertical velocity in upstream of pumping station(4 units running, water level 0.71m)

在工況1，2，3條件下，泵站上游流態(tài)分布狀況與工況4條件下的分布狀況相似，前池斜坡及池底存在著回流滯水區(qū)。同時(shí)，由于不同工況下的水位升降變化而使得對(duì)應(yīng)位置的流速相應(yīng)減小或增加。

綜上所述，原方案試驗(yàn)結(jié)果表明：化子閘泵站運(yùn)行時(shí)，泵站上游的前池斜坡及底部區(qū)域存在著一定程度的回流滯水情況。因此，有必要對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以改善泵站的運(yùn)行條件以及保證工程的安全及效益。

圖3 泵站上游近中心縱剖面流速分布(4臺(tái)機(jī)組，水位0.71 m)Fig.3 Velocity distribution of upstream longitudinal section near the crosssection center of pumping station(4 units running, water level 0.71m)

3.2 方案的優(yōu)化調(diào)整

3.2.1優(yōu)化調(diào)整思路與方法

針對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律[14]進(jìn)行了分析。分析認(rèn)為：泵站上游前池斜坡及底部區(qū)域存在回流現(xiàn)象的主要原因是由于引渠來流中心線與水泵進(jìn)口中心線之間存在一定的高差，進(jìn)水前池長(zhǎng)度較短，導(dǎo)致斜坡坡度較大，使來流在垂向擴(kuò)散不充分，從而產(chǎn)生了壁面分離流動(dòng)。該回流滯水區(qū)的存在，減小了有效過水?dāng)嗝婷娣e，在特殊情況下，可能會(huì)干擾到機(jī)組流道的進(jìn)流。因此，本文結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，考慮通過變更進(jìn)水前池斜坡坡度的方法對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整。

為了加快工作進(jìn)度，本文利用數(shù)學(xué)模型便于修改、高效快速的優(yōu)點(diǎn)[15-17]，采用數(shù)值模擬的方法來進(jìn)行調(diào)整方案的初步比選?？紤]到泵站前池水流的橫向水平尺度要遠(yuǎn)大于垂向尺度，除側(cè)壁附近以外，其余各縱剖面間的水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化不大，具有明顯的二維特征，因此選擇了立面二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。

作為數(shù)學(xué)模型的初步校準(zhǔn)，本文首先以原方案為對(duì)象，按照設(shè)計(jì)尺寸建立了前池中部剖面的立面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格尺度為5 cm。上下游邊界條件給定相應(yīng)的水位或流量特征值，自由水面采用剛蓋假定[18-20]。采用所建數(shù)學(xué)模型對(duì)原設(shè)計(jì)方案的工況4進(jìn)行了水動(dòng)力數(shù)值模擬，圖4給出了該條件下數(shù)值模擬所得到的流速分布狀況。

圖4 原設(shè)計(jì)方案剖面流速分布Fig.4 Profile velocity distribution of the original scheme

對(duì)比圖3和圖4 可以看出：原設(shè)計(jì)方案的數(shù)值模擬中，確實(shí)反映出有回流滯水區(qū)的存在，而且其范圍與物理模型試驗(yàn)情況吻合，說明該數(shù)學(xué)模型的數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確，能夠用于設(shè)計(jì)方案調(diào)整比選的初步研究。

3.2.2前池底坡比選調(diào)整方案及效果分析

前池底坡比選方案的設(shè)計(jì)，以改善泵站前池的進(jìn)流條件、消除或減小斜坡及池底的回流滯水區(qū)為目的，以減小前池斜坡的坡度為目標(biāo)，共考慮到了以下幾種情況。

(1) 比選方案1。將前池清污機(jī)平臺(tái)高程降低1.0 m，由原設(shè)計(jì)方案的-2.5 m降低為-3.5 m，從而使斜坡坡度從1∶4.00變?yōu)?∶5.60。

(2) 比選方案2。將前池斜坡坡腳向下游方向延伸5 m(即將池底水平段縮短為5 m)，從而使斜坡坡度從1∶4.00變?yōu)?∶5.43。

(3) 比選方案3。綜合比選方案1及比選方案2的情況，將前池清污機(jī)平臺(tái)高程降低1.0 m，由原方案的-2.5 m降低為-3.5 m，將前池斜坡坡腳向下游延伸5 m(即將池底水平段縮短為5 m)，從而使斜坡坡度從1∶4.00變?yōu)?∶7.60(見圖5)。

圖5 比選方案3設(shè)計(jì)調(diào)整(尺寸單位：mm)Fig. 5 Design adjustment of modified scheme 3

研究中，針對(duì)比選方案1，2和比選方案3，分別按幾何尺寸構(gòu)造體型，采用與原方案相同尺度的計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行剖分；設(shè)定了統(tǒng)一的計(jì)算參數(shù)，分別進(jìn)行立面二維水動(dòng)力數(shù)值模擬。

數(shù)值模擬研究結(jié)果表明：比選方案1，2和比選方案3均可以基本消除原方案條件下的前池中存在的橫軸回流現(xiàn)象。但是，比選方案1和比選方案2仍存在一定的低流速滯水區(qū)；比選方案3可以更為有效地改善流速的分布狀況，并進(jìn)一步消除滯水區(qū)域，改善進(jìn)流條件。圖6給出了比選方案3的水動(dòng)力數(shù)值模擬結(jié)果。

圖6 比選方案3剖面流速分布Fig.6 Profile velocity distribution of modified scheme 3

3.3 最終方案效果分析

由上述初步分析可知：比選方案3的效果最為理想，在此基礎(chǔ)上，按照比選方案3進(jìn)行了模型改建及重新試驗(yàn)。試驗(yàn)中觀測(cè)到，泵站前池上游各斷面流速沿垂向分布較為均勻，底、中、表流速方向一致，底部流速稍小。原方案中，前池底部進(jìn)水口前的橫軸回流現(xiàn)象已經(jīng)得到了消除，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

與原方案相比，最終方案的調(diào)整主要位于前池內(nèi)部，上游河道并未發(fā)生變動(dòng)。因此，上游流態(tài)與原方案基本一致，分布規(guī)律也大體相同。上游各位置的水流順暢，無明顯的不良流態(tài)，泵站平面進(jìn)流條件良好。

4 結(jié) 論

(1) 本文結(jié)合化子閘泵站工程實(shí)際情況，按照重力相似準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)構(gòu)建了幾何比尺1∶20的正態(tài)水工模型。原方案試驗(yàn)結(jié)果表明，泵站前池斜坡及底部區(qū)域存在著一定程度的回流滯水情況。

(2) 本文針對(duì)存在的流態(tài)問題，提出了調(diào)整進(jìn)水前池斜坡坡度以改善前池水流流態(tài)的方案；并采用數(shù)值模擬對(duì)調(diào)整方案進(jìn)行了比選。根據(jù)比選結(jié)果，選擇出最為理想的調(diào)整方案進(jìn)行模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證，有效地解決了流態(tài)問題并縮短了試驗(yàn)周期，本研究方法可為類似工程的研究提供參考。

(3) 通過調(diào)整前池底坡坡度，原方案中的進(jìn)水前池底部橫軸回流現(xiàn)象得以消除。試驗(yàn)結(jié)果表明：最終方案的前池水流流態(tài)要優(yōu)于原方案，說明調(diào)整前池底坡坡度對(duì)改善水流流態(tài)效果較為理想。