北疆某一級(jí)泵站前池及進(jìn)水池布置型式比選研究

高 鑫

(水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 概 述

泵站前池、進(jìn)水池是連接引渠(或引水箱涵))和泵站機(jī)組進(jìn)水流道的建筑物，為水泵創(chuàng)造必要的進(jìn)水條件[1]。許多試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明, 前池的回流可能波及進(jìn)水池, 前池中形成的漩渦也會(huì)隨水流方向游動(dòng), 甚至將空氣帶入水泵中, 使池中水流紊亂, 進(jìn)水條件惡化, 水泵效率降低, 嚴(yán)重時(shí)將引起水泵汽蝕、振動(dòng)和噪聲等[2]。因此，良好的前池及進(jìn)水池結(jié)構(gòu)，對(duì)保證泵站穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

目前，許多學(xué)者對(duì)于泵站進(jìn)水流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)。徐磊等[3]和陳松山等[4]對(duì)大型泵站裝置進(jìn)水流場(chǎng)進(jìn)行了模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，分析了進(jìn)水流場(chǎng)的流動(dòng)特性。Kadam 等[5]觀測(cè)了前池和進(jìn)水管的流動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)過大的前池?cái)U(kuò)散角和過小的淹沒深度導(dǎo)致進(jìn)水流態(tài)惡劣。王雷等[6]用模型試驗(yàn)觀測(cè)了惠南莊泵站各工況進(jìn)水池內(nèi)外流態(tài)，介紹了主副回流區(qū)、漩渦發(fā)生位置和水面波動(dòng)情況。

本文以北疆某一級(jí)泵站為研究對(duì)象，對(duì)泵站前池、進(jìn)水池布置型式進(jìn)行比選研究，分析推薦方案的合理性，并通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證此方案的可行性，以期為同類泵站的設(shè)計(jì)和更新改造提供參考。

2 泵站前池、進(jìn)水池布置型式比選研究

該泵站設(shè)計(jì)流量為13.0 m3/s，設(shè)計(jì)總揚(yáng)程為186 m。采用6臺(tái)(4用2備)臥式雙級(jí)雙吸離心泵，水泵單機(jī)設(shè)計(jì)流量為3.25 m3/s。泵站所在位置地形較平緩，地勢(shì)開闊，不存在空間上的限制，具備布置正向前池、進(jìn)水池的條件，同時(shí)參照國(guó)內(nèi)其它類似大型泵站的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本泵站采用正向進(jìn)水的前池布置方式。前池、進(jìn)水池用于連接上游分水閘與泵房，根據(jù)泵站前池與分水閘布置及結(jié)構(gòu)型式的不同，分別擬定3個(gè)方案即整體式箱涵方案、扶壁擋墻無蓋方案、直接連分水閘方案，進(jìn)行方案的比選。

2.1 整體式箱涵方案

分水閘后為引水埋涵，前池與引水埋涵相接。引水埋涵長(zhǎng)度為30 m，為C35鋼筋混凝土整體式箱涵結(jié)構(gòu)。通常情況下，在擴(kuò)散段增設(shè)導(dǎo)流墩，可以適度調(diào)整兩側(cè)水流的方向，減小前池有效擴(kuò)散角，避免擴(kuò)散段水流的脫流，從而達(dá)到水流均勻擴(kuò)散的目的[7]。因此為避免各臺(tái)水泵進(jìn)水的相互影響，保證進(jìn)水流態(tài)的穩(wěn)定性，前池由1孔逐漸分隔成6孔，各臺(tái)水泵單獨(dú)進(jìn)水。

前池采用C35鋼筋混凝土整體式箱涵結(jié)構(gòu)，在平面上為漸變擴(kuò)散式，由起點(diǎn)凈寬4 m逐漸擴(kuò)散成末點(diǎn)凈寬80.5 m，底板高程由527.52 m漸變?yōu)?19.30 m，長(zhǎng)度為66.251 m，縱坡為1∶8.06。末點(diǎn)斷面分為6孔，每3孔設(shè)一道結(jié)構(gòu)縫[8]。前池后接進(jìn)水池，進(jìn)水池長(zhǎng)度為21.5 m，結(jié)構(gòu)型式與前池相同。整體式箱涵方案布置圖見圖1。

圖1 整體式箱涵方案布置圖

2.2 扶壁擋墻無蓋方案

此方案中，前池、進(jìn)水池采用分隔式結(jié)構(gòu)，前池、進(jìn)水池兩側(cè)采用扶壁擋墻結(jié)構(gòu)，底板為分離式底板結(jié)構(gòu)。前池、進(jìn)水池頂部未設(shè)置蓋板。 前池左右側(cè)C35鋼筋混凝土扶壁式擋土墻高度5.480～13.2 m，墻身厚度0.5～1 m，墻背坡度1∶0.6；底板寬度4.781～11.220 m，厚度1～1.5 m；肋板間距3.5 m，厚度0.6～0.8 m[9]。前池底板采用厚0.5～1.5 m的 C35混凝土護(hù)底。前池后接進(jìn)水池，進(jìn)水池長(zhǎng)度為21.5 m，結(jié)構(gòu)型式與前池相同。扶壁擋墻無蓋方案布置圖見圖2。

圖2 扶壁擋墻無蓋方案布置圖

2.3 前池直接連分水閘方案

從縮短前池長(zhǎng)度、降低水流擴(kuò)散影響的角度考慮，擬定方案三，采用前池直接與分水閘相接的方法，即取消連接涵洞，前池寬度80.5 m不變。前池采用C35鋼筋混凝土整體式箱涵結(jié)構(gòu)，斷面分為6孔，每3孔設(shè)一道結(jié)構(gòu)縫，單孔孔口尺寸寬11.913 m，高13.20 m，邊墻、中墩、底板、頂板厚度均為1.5 m。每一孔底板高程由527.52 m漸變?yōu)?19.30 m，保證水流的平順連接。前池直接連分水閘方案布置圖見圖3。

圖3 前池直接連分水閘方案布置圖

2.4 方案比選分析

見表1。

表1 方案比選分析表

2.5 方案比選結(jié)果

從表1可以看出，方案二(扶壁擋墻無蓋方案)結(jié)構(gòu)型式最簡(jiǎn)單、投資最少，但是池中無導(dǎo)墻、擴(kuò)散角大，存在較大的滯流、偏流、回流現(xiàn)象；北疆冬季氣溫低，前池?zé)o蓋水面為露天開敞式，存在冬季水面極易結(jié)冰的問題；泵站處于沙漠地區(qū)，平常風(fēng)沙較大，開敞式結(jié)構(gòu)的前池、進(jìn)水池水面較寬，水體容易受到沙塵污染。方案三(前池直接連分水閘方案)取消了連接涵洞，縮短了泵站前的輸水距離，但是由于前池寬度大，體型龐大，造價(jià)較高，同時(shí)因?yàn)榍安繜o控制閘門，檢修時(shí)將影響其它方向的正常供水。方案一(整體式箱涵方案)多孔箱涵結(jié)構(gòu)雖然投資稍多，但是設(shè)置了隔墩而減小水流擴(kuò)散角，各臺(tái)水泵單獨(dú)進(jìn)水，較大改善了水流條件，泵站效率較高。北疆冬季氣溫低，設(shè)置蓋板后，水面上部封閉冬季不結(jié)冰，水體不容易受到沙塵污染，優(yōu)勢(shì)較為明顯。

本工程是北疆長(zhǎng)距離調(diào)水工程，建筑物級(jí)別為1級(jí)，而泵站是在輸水中起承前啟后的作用，位于整個(gè)線路的中部，位置非常重要。因此綜合考慮，選擇方案一(整體式箱涵方案)為泵站前池、進(jìn)水池的推薦方案。

3 模型試驗(yàn)

為了驗(yàn)證推薦方案合理性，我院委托其他單位通過模型試驗(yàn)對(duì)前池、進(jìn)水池、進(jìn)水流道在各主要運(yùn)行工況下水流流態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)可能存在的影響水泵進(jìn)流的不良流態(tài)提出改進(jìn)方案，并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，確定在各種流量下的最佳水泵組合方式，以便于指導(dǎo)今后的運(yùn)行管理。

模型試驗(yàn)結(jié)果顯示：①不同開機(jī)組合及部分泵運(yùn)行對(duì)前池流態(tài)的影響亦在流槽中逐漸消除，至前池中部，各流槽水流已較為均勻平順，不同開機(jī)組合對(duì)進(jìn)水池進(jìn)流無明顯不良影響。②各工況水泵進(jìn)水喇叭口周向進(jìn)流且較為均勻，進(jìn)水池內(nèi)未觀測(cè)到回流、旋渦、渦帶等不良流態(tài)，水泵進(jìn)流條件良好。③泵站前池和進(jìn)水池調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，能有效消除來流不均及不同開機(jī)數(shù)量、不同開機(jī)組合的影響，各試驗(yàn)工況下，進(jìn)水池水位變化平穩(wěn)。正常運(yùn)行工況前池表面流態(tài)見圖4，増負(fù)荷運(yùn)行4m n 見圖5。

圖4 正常運(yùn)行工況前池表面流態(tài)

圖5 増負(fù)荷運(yùn)行4臺(tái)泵同時(shí)啟動(dòng)進(jìn)水池水位變化過程

4 結(jié) 論

通過綜合比選和模型試驗(yàn)，證明該泵站前池和進(jìn)水池采用整體式箱涵方案較為合理?；谀Ｐ驮囼?yàn)成果，對(duì)泵站運(yùn)行管理提出以下建議：①泵站增負(fù)荷建議采取1～4臺(tái)水泵順序開啟，間隔不小于4.5 min，適當(dāng)加大開泵時(shí)間間隔，有利于減小瞬時(shí)水面落降。②設(shè)計(jì)運(yùn)行工況下,單個(gè)分水方向甩負(fù)荷，分水池、泵站前池及進(jìn)水池水面波動(dòng)的最高水位均低于設(shè)計(jì)最高水位，且有一定余量，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。