組合式整流墩改善魏村樞紐泵站進水條件研究

蘇葉平 徐文俊 徐靜 李學德

摘要：在常州市魏村樞紐原設計方案中，閘站導流墻側泵站邊機組前方易形成大尺度回流、旋渦等，以致引起邊機組前方水流流動紊亂、降低機組運行效率，甚至會引起水泵振動。針對上述不良流態(tài)的影響，通過CFD數值模擬方法，分析了3種不同整流方案對該閘站樞紐泵站不同工況的水流整流效果，總結了不同方案的水流流動規(guī)律。在上述分析成果的基礎上，提出了組合式整流墩布置方案，并分析了其整流機理。計算結果表明：組合式整流墩布置方案能大幅度降低邊墩機組側向大尺度回流強度，回流現象基本消失，有效地改善了不同工況下泵站進水的不良流態(tài)，提高了箱涵流道進水效率，達到了預期整流效果。組合式整流墩布置方案已被魏村樞紐泵站初步設計、施工圖設計采納應用。研究成果可為其他類似大型閘站工程設計提供技術參考與借鑒。

關 鍵 詞：閘站樞紐; 不良流態(tài); 整流效果; 組合式整流墩; 魏村樞紐; 常州市

中圖法分類號： TV675

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.023

0 引 言

為了發(fā)揮平原地區(qū)大型水利樞紐排澇、引水的功能，在設計中會廣泛采用閘站結合布置的形式。涵閘和泵站進出水通道一般均會采用導流墻隔開，從而在結合處易形成較大尺度的回流、斜流等不良流態(tài);導流墻側的泵站邊孔回流、斜流容易在流道進口處形成旋渦，影響到流道的進水效率，甚至會引起水泵振動[1-4]。

閘站樞紐進水流態(tài)改善措施主要包括：采用不同長度及體型的導流墻、整流墩及組合式整流墩等。其中，整流墩結構簡單、布置靈活，結合采用導流墻整流則效果更佳，這種方式在閘站樞紐中應用比較廣泛。

關于閘站樞紐導流墻、整流墩及組合式整流墩整流機理方面，傅宗甫等[5]對平面對稱的閘站樞紐展開了水工模型試驗研究，整理了導流墻附近流場規(guī)律，提出了導流墻體型的適宜長度范圍及計算公式。嚴忠民[6]、趙苗苗[7]、羅燦[8]以及許建[9]等開展了CFD數值模擬和試驗驗證，基于計算、驗證結果，通過在泵站前池、閘站樞紐導流墻側泵站邊孔增設一道整流墩，消除了大尺度回流和旋渦等不良流態(tài);而且邊孔機組流道進水較為均勻，整流墩整流流態(tài)效果較佳，能提高導流墻泵站邊孔進水流速分布均勻度。徐波等[10-11]在對閘站工程進行CFD數值模擬和試驗的過程中，重點研究了不同開孔尺寸的導流墻的組合方案，研究認為：在最優(yōu)開孔尺寸方案下能減小泵站前池及閘前水流回流區(qū)域的面積，整體水流流態(tài)會得到較大改善。部分學者已將組合式整流墩應用到新孟河拓浚工程骨干節(jié)點工程——界牌水利樞紐的設計中，并通過水工模型試驗驗證了樞紐的整體進水條件[12-14]。

對于低揚程、大流量泵站機組的閘站樞紐而言，單一的整流墩整流往往不能滿足改善閘站進水流態(tài)以及泵站機組運行的要求，需要對組合式整流墩布置型式下泵站進水條件的整流機理開展研究，以使其能在實際閘站水利樞紐設計中得到應用。

1 工程概況

位于江蘇省常州市通江航道德勝河的魏村樞紐，距長江夾江約1.5 km?，F狀樞紐已不能滿足內河運輸船型大型化發(fā)展的要求，亟需進行擴容改造;同時，為了提高防洪排澇效益，也需要改善太湖流域的水環(huán)境[15]。魏村樞紐擴容改造工程主要由船閘、泵站及節(jié)制閘工程組成。其中，泵站與節(jié)制閘并排，導流墻隔開，導流墻原方案長為56 m;泵站排澇流量為160 m3/s，引水流量為90 m3/s;泵站共裝有5臺“X”型流道機組，單臺泵的設計流量為32.0 m3/s，單塊底板上分別布置3臺雙向機組和2臺單向機組，泵站總寬度為54.8 m;節(jié)制閘凈寬為40 m，共4孔，設計過閘流量為296 m3/s。圖1和圖2分別為魏村樞紐鳥瞰圖和站身剖面圖。

2 數學方程

2.1 控制方程

對于魏村樞紐閘站進水流動區(qū)域的三維數值模擬，采用的是三維雷諾時均N-S方程，以描述其不可壓縮向湍流流動。方程式如下[16]：

連續(xù)性方程：

（ρu-i）/xi=0（1）

雷諾時均N-S方程：

ui-t+uj-ui-xj=-1ρp-xi+xj（ν+νt）uixj+ujxi（2）

式中：ρ為流體密度;t為時間;ui（i=x，y，z）為速度沿i方向的分量;p為壓力;ν為流體的運動黏性系數。

2.2 可實現k-ε模型方程

選擇realizable k-ε湍流模型方程來進行計算。該方程對于旋轉流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離、強流線彎曲、漩渦和旋轉、二次流均有很好的表現[16]。

ρkt=xjμ+μtσkkxj+Gk+Gb+ρε-YM（3）

ρεt=xjμ+μtσtεxj+ρC1Sε-ρC2ε2k+νε+C1εεkC3εGb（4）

式中：C1=max0.43，ηη+5，η=Sk/ε。

3 CFD計算模型與評價指標

3.1 CFD數值計算模型

魏村樞紐原設計方案的計算模型包括：引河、泵站前池、泵站清污機橋墩、進水流道、節(jié)制閘及導流墻等。在不同工況下，排澇、引水來流進口為速度進口，出口為自由出流，水流自由表面波動小，因此采用剛蓋假定平面，計算迭代收斂級數為1×10-4。圖3為魏村樞紐內河側、長江側閘站原方案的幾何計算模型（內河排澇，長江引水）。

3.2 流速分布均勻度評價指標

為了更好地描述魏村樞紐泵站機組箱涵流道進口的流速分布的均勻性，引入了流速分布均勻度水力優(yōu)化目標函數并通過編程進行簡捷快速計算。流速分布均勻度公式如下[17]：

Vu=1-1ua（uai-ua）2ΔAiA×100%（5）

式中：ua為進口斷面的平均軸向速度;uai為進口斷面各單元的軸向速度;ΔAi為進口斷面第i個網格單元面積;A為進口斷面面積。

關于魏村樞紐泵站的運行方式：當內河排澇時，分別關閉內河側上菲閘門、長江側下菲閘門;當內河引水時，分別關閉內河側下菲閘門、長江側上菲閘門。流道機組進口取內河側下菲閘門所在的流速斷面，其中4號和5號機組靠近導流墻，機組進口斷面分布情況如圖4所示。

4 流場流動規(guī)律與整流方案研究

4.1 計算工況

魏村樞紐初步設計任務急，設計成果交付時間短，有關閘站設計中水流流態(tài)整流措施，經慎重考慮，選擇了CFD數值模擬方法進行比選。魏村樞紐泵站的排澇、引水計算水位工況的選取如表1所列。

4.2 原方案流場規(guī)律

原方案是以魏村樞紐初步設計方案為基礎，通過CFD數值模擬，總結該樞紐閘站水流流動的基本流場信息，以為后續(xù)優(yōu)化方案提供思路，進而提出改善流態(tài)的措施。

由圖5可以看出：原方案排澇設計工況下4號和5號機組側形成了大尺度回流不良的流態(tài)，回流長度接近于導流墻長度，回流流速達0.1～0.3 m/s（圖中數值為水流流速，下同）;邊機組側水流流態(tài)惡劣，對邊機組的運行效率影響極大。圖6為原方案排澇設計工況下泵站側回流范圍內的速度剖面云圖，由圖6可以看出，來流流速隨水深深度平均分布，在回流區(qū)范圍內，隨水深深度速度分布有了適度的變化。根據類似工程布置的馬甸水利樞紐竣工驗收后運行結果可知，該工程泵站的邊機組側流態(tài)不佳，抽水流量達不到額定流量，需要加大電機功率。原方案引水設計工況下只有3臺機組，3臺機組的進水流態(tài)較好，但是在導流墻側形成了巨大的回流漩渦，對3號機組進水存在一定的影響;而引水工況運行結果較好，無須對該工況進行流態(tài)整流。

圖7為泵站各設計工況下機組進口速度分布的云圖。由圖7可以看出：在排澇設計工況下，3～5號機組的進口流速分布在前方回流、偏流影響下，流速與水流方向成斜向分布，1號和2號機組的進口流速分布基本上與水流方向平行;在引水設計工況下，1～3號機組的進口流速分布基本上與水流方向平行。

由圖8可以看出：在排澇設計工況下，受箱涵流道上菲閘門水流遇阻的影響，流道進口流速分布均勻度數值整體不高，最大不超過0.7。平面進水流態(tài)大尺度回流對4號和5號機組的進口流速分布均勻度的影響較大，其均勻度普遍要低于其他機組。

4.3 導流墻長度對閘站水流流動影響

方案1是在分析原設計方案水流流場規(guī)律的基礎上，擬設置不同導流墻長度進行分析，長度分別設為66，76，86和96 m。

由圖9可以看出：魏村樞紐閘站平面流態(tài)在4號和5號機組側形成了大尺度回流區(qū)，回流長度幾乎等同于導流墻的長度，最大寬度接近于2組機組的寬度，回流流速為0.1～0.3 m/s。隨著導流墻長度的增加，節(jié)制閘側進水水流的側向流動明顯，流線彎曲程度越大，4號和5號機組前方大尺度回流區(qū)的范圍就越廣。計算結果表明：導流墻長度增加并不能起到很好的整流效果，反而會加大導流墻兩側進水水流的側向流動影響，將惡化泵站側向機組的進水流態(tài)。

4.4 單一整流墩對閘站水流流動影響

方案2是在導流墻末端設置單一長度為20 m的整流墩，順水流方向，整流墩對應清污機橋第一個橋墩（泵站機組側），垂直水流方向，整流墩中點對應導流墻端部。方案1（a）的導流墻總長度為66 m，導流墻過短難以布置整流墩;方案1（d）的導流墻總長度為96 m，導流墻過長導致泵站邊機組側回流范圍更大，流態(tài)更加惡劣。方案2在方案1的基礎上取長度分別為76 m和86 m的導流墻結合單一整流墩為計算模型。

由圖10可以看出：方案2（a）～（b）整流墩側局部小范圍的回流對整體進水流動沒有產生實質影響;4號和5號機組側的回流范圍大幅減小，流線彎曲程度也明顯減弱，在一定程度上改善了4號和5號機組的進水流態(tài)。由圖11可以看出：方案2（a）～（b）1～4號機組的進口流速分布均勻度與方案1相比較有了一定的提高（提高幅度很?。?，5號機組的進口流速分布均勻度還有一定小幅度的下降。說明單一的整流墩整流效果仍然難以達到預期目的。

5 組合式整流墩水力優(yōu)化

5.1 組合式整流墩布置

根據方案2計算結果，方案3取導流墻長度為80 m，在清污機橋前方導流墻側布置組合式整流墩：在順水流方向，各整流墩對應清污機橋橋墩;在垂直水流方向，20 m長的整流墩中點對應導流墻端部。方案3的計算模型示意如圖12所示。

5.2 組合式整流墩對閘站水流流動的影響

由圖13可以看出：組合式整流墩對閘站進水流動影響顯著，極大地改善了泵站進水流態(tài)。排澇設計工況下，5號機組前方的回流基本消失，水流流動較為均勻;排澇校核工況下，5號機組前方存在著范圍較小的回流，但影響有限。由圖14可以看出：5號機組進口流速分布均勻度比上述方案均有了較大的提高，1～5號機組進口流速分均勻度大小基本一致。整體而言，組合式整流墩整流效果更佳，基本上達到了閘站水力優(yōu)化的效果。

綜上所述，魏村閘站樞紐上下游導流墻設計長度均為80 m，內河側組合式整流墩結構布置型式在很大程度上改善了閘站樞紐工程進水水流的流態(tài)，避免了在運行機組正向進水口位置出現高強度回流。同時，設計水位工況、校核水位工況均未考慮清污機橋格柵對水流流態(tài)的影響。根據類似工程經驗，清污機橋格柵對水流具有一定的整流作用，預計排澇校核工況下，對靠近導流墻側邊墩機組前方的小范圍回流區(qū)將會具有一定的改善作用。

6 湍流動能（TKE）及整流機理

6.1 各方案下湍流動能（TKE）對比

由圖15可以看出：原方案回流區(qū)的湍流動能（TKE）主要分布范圍在0.015～0.035 m2/s2之間;方案1和方案2（導流墻長度均為76 m）的回流區(qū)湍流動能（TKE）分布區(qū)域有所擴大，方案2的尤為顯著;方案3的組合式整流墩基本上消除了泵站邊機組前方的回流，邊機組前方的湍流動能（TKE）在0.015～0.035 m2/s2范圍內的分布區(qū)域得以大幅縮小;各方案的湍流耗散率（TDR）均回歸到了0.005 m2/s3?？梢姡桨?的組合式整流墩極大地降低了泵站邊機組前方的回流強度。

6.2 整流機理

魏村樞紐閘站前方水流區(qū)域寬闊，水流流動遇水閘閘門關閉時，水閘前方會形成大尺度回流，水閘側水流的流線大曲率彎曲進入泵站機組，部分流線無法平順，且在導流墻泵站側形成脫流，最終演變成在邊機組前方形成大尺度回流。導流墻過長，泵站邊機組前方回流區(qū)域范圍廣，不利于整流消除;導流墻過短，不利于布置整流墩。在合適長度導流墻下，布置單一整流墩仍然難以使進入泵站機組的所有流線平順，且仍存在部分彎曲流線。因此，基于分析計算結果，布置組合式整流墩，對部分彎曲流線進行二次糾正，可以使最終進入泵站機組的水流具有正向進水特征，水流流態(tài)平順。

7 結 論

通過對魏村樞紐泵站進水流場進行CFD數值模擬分析以及對整流方案開展計算研究，分析了泵站進水流場的流動規(guī)律和水力特性，并總結了整流機理，得出結論如下。

（1） 閘站樞紐僅設置導流墻，難以消除泵站靠近導流墻邊墩機組前方的大尺度回流等不良流態(tài)。

（2） 通過設置單一整流墩，可以有效縮小泵站邊墩機組前方的旋渦;但是邊機組仍會存在回流現象，因而難以達到預期的整流效果。

（3） 組合式整流墩結合適宜的長度導流墻布置形式，可以基本消除泵站邊墩機組前方的回流現象，大幅度地改善進水流態(tài)，提高泵站機組的進水效率。

本文研究過程中，結合了相關工程經驗，并采用CFD數值模擬方法，將組合式整流墩應用在魏村閘站樞紐泵站進水水流整流布置方案中，并且在初步設計、施工圖設計中均得到了采納應用。目前，已交付該樞紐泵站的施工圖并已開工建設。

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（編輯：趙秋云）

Study on water inflow condition improvement of Weicun sluice-pump station by combined rectifier pier

SU Yeping1，XU Wenjun1，XU Jing2，LI Xuede1

（1.Jiangsu Surveying and Design Institute of Water Resources Co.，Ltd.，Yangzhou 225127，China; 2.Yangzhou Survey Design Research Institute Co.，Ltd.，Yangzhou 225127，China）

Abstract：

In the original design scheme of Weicun sluice-pump station in Changzhou City，a large-scale return and vortex easily formed in the front of the units on the diversion wall side，which could even cause the water flow disorder in front of the side units，reduce the operation efficiency of the units，and even cause the vibration of the water pump.For mitigating bad flow patterns，the water flow rectification effect of three different rectification schemes was analyzed by CFD numerical simulation method，and the water flow laws under different schemes were summarized.Based on the above analysis results，the rectification mechanism was analyzed.The calculation results showed that the combined rectifier pier could greatly reduce the lateral large-scale backflow strength of the side-pier unit，the backflow basically disappeared，the water inflow pattern of the pump station under different working conditions were effectively improved，and the water inflow efficiency of the box culvert channel was improved，achieving expected rectification effect.The layout scheme of integrated rectifier pier had been adopted and applied by the preliminary design and construction drawing design，which can provide technical reference for other similar large sluice-pump stations.

Key words：

sluice-pump station junction;bad flow pattern;rectification effect;combined rectifying pier;Weicun junction;Changzhou City