高含沙水泵站前池擴散角試驗與分析

竇元之，顧靖超，陸立國

(1.寧夏水利工程建設(shè)管理局，銀川 750001；2.寧夏水利科學(xué)研究院，銀川 750021)

1 基本情況

30年來，寧夏依托黃河建設(shè)了諸多高揚程多梯級揚水工程，鹽環(huán)定揚黃泵站更新改造工程是國家實施的精準脫貧項目之一。楊莊勝等中介紹了鹽環(huán)定揚黃泵站更新改造工程三泵站“緊縮式”側(cè)向進流前池物理模型試驗的相關(guān)成果。

泵站前池內(nèi)的水流流動是一種復(fù)雜的三維流動，目前多采用物理模型來進行研究。模型試驗一般采用正態(tài)模型，同時滿足相應(yīng)的相似準則來進行試驗。

劉成等[1]對污水泵站前池及前池各種改進方案進行了渾水試驗，模型沙選用電木屑的酚醛塑料沙作為模型沙；原設(shè)計前池在單泵運行工況下，前池均存在不同程度的泥沙淤積；前池加入45°壓水板及垂直擋水板改進措施，對前池流態(tài)和流速分布的改善、水泵效率提高、泥沙淤積減少均有明顯作用，尤以45°壓水板效果最佳。胡明等[2]對臺州電廠循環(huán)水泵前池各種可能的改造方案進行了模型試驗，試驗分清水和渾水(泥沙淤積)試驗兩個階段。先通過清水試驗觀測各種改造方案下的流態(tài)，并測量前池內(nèi)主要斷面的流速，分析前池內(nèi)可能會出現(xiàn)的泥沙淤積情況，根據(jù)分析的結(jié)果選擇合理的改造方案；然后在初步選定的改造方案下進行渾水加沙試驗，確定前池及進水流道各部位的淤積情況；最后分析確定達到淤積平衡的時間和泥沙淤積量，檢驗改造方案的合理性。

隨著計算流體力學(xué)和相關(guān)商業(yè)軟件的發(fā)展和進步，利用數(shù)值模擬的方法對泵站前池三維流場進行更深入的研究，可以對試驗難以測量的參數(shù)進行預(yù)估，而不需要大量的試驗，有利于提高工作的可靠性和經(jīng)濟性。

羅燦[3]采用SIMPLE算法，數(shù)值模擬了正向進水前池中無任何措施和增設(shè)底坎整流措施的流態(tài)，結(jié)果表明底坎位置不能過于靠近或遠離進水池，否則將導(dǎo)致前池內(nèi)流態(tài)更加紊亂，進水流態(tài)惡化；隨著底坎坎高的增大，底層回流區(qū)逐漸變小，回流區(qū)由發(fā)生在坎前坎后變?yōu)橹话l(fā)生在坎前，坎高可取在約為0.3H處；隨著底坎頂寬的變大，底層速度矢量分布大致相同，并未有太大的變化．將底坎設(shè)在距進水池(7～10)D處，能明顯改善前池流態(tài)，水流能較均勻的流入各機組。徐存東，王國霞，劉輝等[4]構(gòu)建了甘肅省景電灌區(qū)內(nèi)大型正向泵站前池結(jié)構(gòu)三維模型，對直邊正向與曲邊正向前池水流流態(tài)進行了模擬分析，提出了采用壓水板改善流態(tài)的前池泥沙淤積防治措施，并模擬了直邊正向與曲邊正向前池不同壓水板參數(shù)組合的防淤效果。曾杭[5]建立上海市浦東北路泵站前池三維模型，提出不同的擴散角有相對應(yīng)的最佳非擴散段長度，并推導(dǎo)了擴散角與池體長度經(jīng)驗公式。崔曉艷[6]構(gòu)建了甘肅省景電灌區(qū)大型泵站正向進水前池三維實體造型，對正向進水前池從開機決策及擴散角兩個方面對前池內(nèi)的水流流態(tài)進行分析，提出了加設(shè)八字形導(dǎo)流墩的工程措施,對加設(shè)導(dǎo)流墩后的有關(guān)設(shè)計參數(shù)進行了系列計算。

2 模型設(shè)計與布置

2.1 模型試驗?zāi)康?/h3>

通過水工模型試驗，觀測不同水沙條件、不同工況下泵站進口流態(tài)、流速分布、前池的淤積形態(tài)，對多泥沙河流引水工程泵站正向進水無隔墩不同前池擴散角體型，在不同泵站運行組合下前池的流態(tài)、流速分布、前池泥沙淤積分布規(guī)律，正向進水無隔墩前池最佳擴散角和消除不穩(wěn)定偏流的工程措施。

2.2 模型相關(guān)參數(shù)

模型采用正態(tài)，幾何比例尺選定1∶10。

模型沙一般要求滿足沉降、起動流速和糙率等方面的相似條件，研究泵站前池的泥沙淤積問題，重點滿足泥沙沉降相似。模型沙容重γs=2.1 t/m3，干容重γ0=0.72 t/m3。

根據(jù)黃河青銅峽站懸沙級配實測資料，試驗水流懸沙含沙量采用汛期平均含沙量6.94 kg/m3，非汛期泥沙中值粒徑范圍為0.039～0.054 mm，汛期中值粒徑范圍為0.008～0.024 mm。模型淤積試驗汛期細模型沙中值粒徑選為0.024 5 mm，非汛期粗模型沙中值粒徑選為0.042 mm。

2.3 模型布置

模型范圍包括干渠(原型長度約50 m)、進水閘、前池及6臺泵吸水管及輸水管。包括模型進水穩(wěn)流池、地下水庫等，模型范圍17 m×7 m，模型布置參見圖1。

圖1 模型布置圖Fig.1 Model layout

2.4 觀測項目與斷面布設(shè)

觀測項目包括有水位、流態(tài)、流速、含沙量、懸移質(zhì)級配、前池淤積物形態(tài)等。

模型流速量測斷面見圖2，具體位置為：漸變段起始段、進水閘末端、前池4個斷面，共6個，LV-1、LV-2斷面閘室中間布設(shè)2條垂線，每條垂線布測3個測點，LV-3～LV-5斷面平均布設(shè)5條垂線，每條垂線布測5個測點，LV-6斷面沿泵中軸線以及斷面中點布設(shè)7條垂線，每條垂線布測5個測點。進口含沙量量測斷面與測流斷面LV-2一致。水位量測共布置2個斷面：位置與測流斷面LV-2、LV-6一致。

圖2 流速量測斷面位置圖Fig.2 Location of flow velocity measurement section

3 試驗數(shù)據(jù)與分析

泵站正向進水前池其水流方向與泵的進口方向一致，前池中心線與引渠中心線相重合或平行，擴散角的大小是影響正向進水前池水流流態(tài)及池長的主要因素，擴散角的確定應(yīng)以不發(fā)生邊壁脫流、有利于減少前池泥沙淤積及工程布局協(xié)調(diào)為基本原則，前池擴散角是關(guān)鍵。相關(guān)設(shè)計規(guī)范明確正向進水前池擴散角角度不應(yīng)大于40°，一般取20～40°之間。

進水前池擴散角對水流流態(tài)以及前池工程量影響很大。擴散角度較小時，其水流條件好、泥沙淤積小、有利于改善水泵進水條件和提高泵站裝置效率，但前池較長，占地面積多、工程量大；擴散角較大時，容易在兩側(cè)形成脫流、水流條件差、更容易淤積泥沙、影響水泵良好運行，但前池較短、占地面積較少，工程量較大。本次泵站前池正向進水試驗進行了擴散角20°、25°、30°及35° 4種方案，以下分別對四種方案進行了模型試驗。

所有試驗方案的布置形式均為6臺泵(5大+1小)的裝機形式。

3.1 擴散角20°方案

底坡為一坡到底(i=16.57)，渠道底寬1.5 m，坡度為1∶1.5，漸變段長度為10 m；閘室長度為5 m，總寬度8 m，分為兩孔，單孔凈寬3.75 m，邊墩厚0.8 m，中墩厚0.5 m，閘底板高程為1 233.72 m。前池總長63.5 m，后端寬度為51.3 m。吸水口底板高程為1 230.13 m，寬度為4 m，大泵直徑為1.626 m，喇叭口長度為1.79 m，泵中心線安裝高程為1 232.40 m；小泵直徑為0.914 m，喇叭口長度為1.334 m，泵中心線安裝高程為1 232.775 m。

3.1.1 清水試驗

試驗工況共5組，詳見表1。試驗對各工況下前池內(nèi)流態(tài)進行觀測并對各斷面的流速分布進行測量。各工況的流速均偏向左側(cè)、池內(nèi)產(chǎn)生順時針回流情況下測量的。

表1 擴散角20°方案清水試驗工況表Tab.1 Water test condition table with diffusion angle 20 ° scheme

工況1：前池主流偏左側(cè)，池內(nèi)形成一個順時針方向回流，各水泵的吸水口前表面為側(cè)向流，水流流速為0.43～0.44 m/s。LV-2～LV-4左側(cè)以及LV-5斷面局部時有非貫通表面回流漩渦，表現(xiàn)為方向不定、大小不一的針狀漩渦群；1號泵中軸線附近時有間歇性漩渦，分析原因為LV-5斷面為側(cè)向進流，水流在1號泵附近為順時針偏流的緣故。

工況2：與工況1基本相似，前池主流偏左側(cè)，池內(nèi)形成一個順時針方向回流，各水泵的吸水口前表面為側(cè)向流，水流流速為0.41～0.50 m/s，LV-2～LV-4左側(cè)以及LV-5斷面時有方向不定、大小不一的針狀渦旋群。

工況3：與工況1、2基本相似，流速值減??；前池主流偏左側(cè)，池內(nèi)形成一個順時針方向回流，各水泵的吸水口前表面為側(cè)向流，水流流速為0.37～0.47 m/s，LV-2～LV-3左側(cè)斷面時方向不定、大小不一的有針狀渦旋群。

工況4：流速值最小，前池主流偏左側(cè)，池內(nèi)形成一個順時針方向回流，各水泵的吸水口前表面為側(cè)向流，水流流速為0.33～0.37 m/s。LV-2～LV-4左側(cè)斷面時有方向不定、大小不一的針狀渦旋群。

工況5：與工況4相比，流速值增大；前池主流偏左側(cè)，池內(nèi)形成一個順時針方向回流，各水泵的吸水口前表面為側(cè)向流，水流流速為0.40～0.46 m/s。LV-2左側(cè)斷面時有方向不定、大小不一的針狀渦旋群。

3.1.2 泥沙淤積試驗

泥沙淤積試驗共進行3種含沙量、兩種級配3個組次試驗詳見表2。

不同組次前池淤積物高程等值線圖見圖3。

組次1：前池流態(tài)為左偏流，前池內(nèi)淤積形態(tài)屬于平鋪式，且靠近左側(cè)形成主流溝，左側(cè)淤積厚度小于右側(cè)。

組次2：前池流態(tài)為左偏流；含沙量大、泥沙顆粒相對較粗，靠近左側(cè)主流處于超飽和狀態(tài)，泥沙很快落淤。前池內(nèi)淤積厚度明顯增加，同一斷面左右淤積厚度相差不大，前池內(nèi)淤積厚度沿程是增加趨勢，最大淤積厚度為2.9 m。

組次3：前池流態(tài)為左偏流；隨著池內(nèi)泥沙淤積厚度的增加，池內(nèi)水深減小，靠近左側(cè)主流帶流速增加。由于該組水沙中，含沙量較小，主流帶水流處于不飽和狀態(tài)，將靠近左側(cè)底淤積泥沙帶走，形成明顯的沖溝，而池中其他部位泥沙淤積厚度略有增加。

表2 擴散角20°方案泥沙淤積試驗工況表Tab.2 Sediment test conditions of 20 ° diffusion angle scheme

圖3 擴散角20°方案前池內(nèi)淤積物高程等值線圖(組次1～3)Fig.3 Contour chart of elevation of sediment in the pool before diffusion angle 20 °(group 1 to 3)

3.2 擴散角25°方案試驗

正向進水前池底坡為先平后坡，同時將閘前漸變段長度由10 m增長為15 m。該方案下前池總長50.4 m，較擴散角20°方案縮短13.1 m，其余尺寸和布置形式未變。

3.2.1 清水試驗

試驗工況與擴散角20°方案相同。

工況1：前池水流較穩(wěn)定，主流位于前池中部，左側(cè)形成逆時針方向回流、右側(cè)形成順時針方向回流；居中主流流速0.50～0.60 m/s，較左右兩側(cè)回流區(qū)流速大；LV-5斷面為側(cè)向進流，左右流速基本一致。

工況2：前池內(nèi)水流流態(tài)與關(guān)2號相似，前池水流較穩(wěn)定，主流位于前池中部，左側(cè)形成逆時針方向回流、右側(cè)形成順時針方向回流；居中主流流速與關(guān)2號基本相同，LV-5斷面為側(cè)向進流，左右流速基本一致。

工況3：前池內(nèi)水流流態(tài)與關(guān)2號、5號相似，整體流速值減小，前池水流較穩(wěn)定，主流位于前池中部，左側(cè)形成逆時針方向回流、右側(cè)形成順時針方向回流；居中主流流速較關(guān)2號、5號減小，流速值范圍為0.35～0.45 m/s；LV-5斷面為側(cè)向進流，左右流速基本一致，流速值在0.40 m/s左右。

工況4：主流位于前池中部，左側(cè)形成逆時針方向回流、右側(cè)形成順時針方向回流，該工況為50%流量、設(shè)計水位，故流速值為最小的一組。居中主流流速值0.25～0.40 m/s；LV-5斷面為側(cè)向進流，左右流速基本一致，流速值在0.35 m/s左右。

工況5：主流位于前池中部，左側(cè)形成逆時針方向回流、右側(cè)形成順時針方向回流，該工況為50%流量、最小水位，與工況4相比，流速值偏大。居中主流流速值0.40～0.50 m/s；LV-5斷面為側(cè)向進流，左右流速基本一致，流速值在0.35 m/s左右。

3.2.2 泥沙淤積試驗

試驗工況與擴散角20°方案相同。不同組次前池淤積物高程等值線圖見圖4。

組次1：前池中部淤積厚度小于左右兩側(cè)，如閘下30 m斷面中部淤積厚度為0.20 m，左右兩側(cè)最大淤積厚度0.70 m。而泵站吸水口附近，由于2號泵關(guān)閉、1號泵流量小，在1號、2號前淤積厚度大于其他泵前淤積厚度。

組次2：前池淤積量明顯增加，且池內(nèi)淤積形態(tài)仍然表現(xiàn)為池中部淤積厚度略小于兩側(cè)。

組次3：如果泵站持續(xù)引大含沙量渾水，一定時間后，再連續(xù)引小含沙量渾水或清水，前池內(nèi)總體淤積形態(tài)仍然為中部薄兩側(cè)厚。

3.3 擴散角30°方案試驗

正向進水前池底坡為先平后坡，進水閘前漸變段長度仍然為15 m，前池長度縮短到41.5 m，較擴散角25°體型縮短8.8 m，其余尺寸與泵站布置方式同25°方案。

3.3.1 清水試驗

試驗工況共3組，工況條件分別為表1中的工況1、2、5。

工況1：前池內(nèi)水流流態(tài)較穩(wěn)定，水流主流位于池的中部，左側(cè)形成一個逆時針方向回流，右兩側(cè)形成順時針方向回流；渠道LV-1斷面平均流速為1.21～1.50 m/s，左右閘室流速接近，居中主流流速0.83～0.86 m/s，較25°方案流速值明顯增大；左右兩側(cè)回流區(qū)流速值較主流流速值小，與25°方案相比，流速值明顯增大；水泵吸水口前為側(cè)向進流，流速約為0.40～0.50 m/s，與25°方案側(cè)向進流流速接近。

工況2：前池內(nèi)水流流態(tài)與關(guān)2號類似，水流主流位于池的中部，左側(cè)形成一個逆時針方向回流，右側(cè)形成順時針方向回流；渠道LV-1斷面平均流速為1.21～1.46 m/s，居中主流流速與關(guān)2號接近；左右兩側(cè)回流區(qū)流速值較主流流速值小，與25°方案相比，流速值明顯增大；水泵吸水口前為側(cè)向進流，流速值在0.45 m/s左右。

圖4 擴散角25°方案前池內(nèi)淤積物高程等值線圖(組次1～3)Fig.4 Altitude contour of sludge in the pool before diffusion angle 25 °(group 1 to 3)

工況3：前池內(nèi)水流流態(tài)與關(guān)2號、5號類似，由于流量減小，前池內(nèi)各斷面流速相應(yīng)減小，水流主流位于池的中部，左、右兩側(cè)形成回流；渠道LV-1斷面平均流速為0.71～1.08 m/s，居中主流流速流速值在0.65 m/s左右，與同工況25°方案相比，流速值明顯增大；水泵吸水口前為側(cè)向進流。

擴散角30°方案中，由于前池尺寸縮短，前池水流流態(tài)表現(xiàn)為主流位于前池中部，左側(cè)形成逆時針方向回流、右側(cè)形成順時針方向回流的正向進水特征進一步突出。

3.3.2 泥沙淤積試驗

試驗工況與擴散角20°方案相同。不同組次前池淤積物高程等值線圖見圖5。

圖5 擴散角30°方案前池內(nèi)淤積物高程等值線圖(組次1～3)Fig.5 Altitude isogram of sludge in the pool before the 30 ° dispersion angle scheme(group 1 to 3)

組次1：該水沙條件下，前池內(nèi)泥沙主要落淤在前池左側(cè)回流、右側(cè)回流區(qū)，厚度大于中部，如閘下20 m斷面中部淤積厚度為0.20 m，左右兩側(cè)最大淤積厚度0.65 m。

組次2：從該組水沙條件前池淤積情況看，由于水流含沙量較大，前池內(nèi)泥沙落淤量明顯增加。從橫斷面落淤情況看，總體表現(xiàn)為兩側(cè)淤積厚度大于中部，如閘下20 m斷面中部淤積厚度為0.40 m，左右兩側(cè)最大淤積厚度1.0 m。

組次3：對小含沙量水沙，前池內(nèi)泥沙主要落淤在前池左側(cè)回流、右側(cè)回流區(qū)，厚度大于中部，如閘下20 m斷面中部淤積厚度幾乎為0，左右兩側(cè)最大淤積厚度0.52 m。

3.4 擴散角35°方案試驗

進水前池底坡為先平后坡。該體型下前池長為34.9 m，較擴散角30°體型縮短6.7 m，其余尺寸與泵站布置方式同30°方案。

3.4.1 清水試驗

試驗工況同擴散角30°方案。

試驗結(jié)果表明，擴散角35°方案中，由于前池長度進一步縮短，其主流位于前池中部，左側(cè)形成逆時針方向回流、右側(cè)形成順時針方向回流的正向進水特征進一步突出。特別是左側(cè)形成逆時針方向回流、右側(cè)形成順時針方向回流，進一步加劇了兩側(cè)各水泵的吸水口前側(cè)向流的不利影響。

3.4.2 泥沙淤積試驗

該體型泥沙淤積共進行一種工況(關(guān)2號)不同水沙條件、不同歷時3個組次的試驗，詳見表3。不同組次前池淤積物高程等值線圖見圖6。

組次1：由于擴散角35°布置下左側(cè)形成逆時針方向回流、右側(cè)形成順時針方向回流流態(tài)進一步凸顯，前池內(nèi)泥沙主要落淤在前池兩側(cè)也更加明顯。

表3 擴散角35°方案泥沙淤積試驗工況表Tab.3 Sediment test conditions of 35 ° dispersion angle scheme

圖6 擴散角35°方案前池內(nèi)淤積物高程等值線圖(組次1～3)Fig.6 Altitude isogram of sludge in the pool before the 35° dispersion angle scheme (group 1 to 3)

組次2：前池泥沙淤積物分布仍然是兩側(cè)淤積厚度較中部厚。如閘下20 m斷面中部淤積厚度幾乎為0，左右兩側(cè)最大淤積厚度0.2 m。組次3：由于水流含沙量較大，前池內(nèi)泥沙落淤量明顯增加，淤積形態(tài)總體表現(xiàn)仍為兩側(cè)淤積厚度大于中部。如閘下20 m斷面中部淤積厚度為0.20 m，左右兩側(cè)最大淤積厚度0.70 m。

4 結(jié)論與建議

對正向進水方案前池不同擴散角方案下前池流態(tài)、流速分布以及淤積形態(tài)進行了量測，主要結(jié)論和建議如下：

(1)前池進口擴散角20°、25°、30°、35° 4種布置方案各工況下，前池水流流態(tài)基本平穩(wěn)，其中擴散角20°、25°布置下的前池，主流偏左現(xiàn)象明顯多見，池內(nèi)水流呈順時針方向大回流流態(tài)，其原因目前難以深入分析；擴散角30°、35°布置下的前池主流位于前池中部，左側(cè)形成逆時針方向回流、右側(cè)形成順時針方向回流的正向進水特征更加突出。

(2)在前池中心軸方向的水流是正向，而偏離中心軸后的前池末端均表現(xiàn)為側(cè)向水流，其中30°、35°較突出，35°為各工況最大。

(3)前池進口擴散角四種布置方案設(shè)計工況下，主流帶流速范圍分別為0.3～0.8、0.5～0.6、0.8～0.9、0.9～1.0 m/s，50%工況下主流帶流速范圍為0.2～0.5、0.5～0.6、0.6～0.7、0.7～0.75 m/s，主流帶流速值隨著擴散角增加增大。

(4)如果泵站引水含沙量小于4 kg/m3，則前池內(nèi)泥沙主要淤積在兩側(cè)；如果持續(xù)引含沙量高于6.94 kg/m3渾水，則前池內(nèi)普遍存在淤積，只是兩側(cè)淤積厚度大于中部，含沙量越大，前池淤積厚度越大。各擴散角的前池淤積形態(tài)均為前池兩側(cè)淤積厚度較中部厚，相同水沙條件、運行相同時間，擴散角越小淤積量越大。如30°方案前池泥沙淤積量大于擴散角35°方案。

(5)若泵站前池采用正向進水形式，前池擴散角25°和30°的布置較合理，水流、淤積等綜合表現(xiàn)較好，可以作為設(shè)計單位進一步優(yōu)化比選的方案。

(6)對試驗中出現(xiàn)的一些異常現(xiàn)象，還有待于今后進一步的深入研究與論證。

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