平山堂泵站進(jìn)水池泥沙淤積成因研究

陳 偉 陳冠通 李尚紅

(1.江蘇省江都水利工程管理處,江蘇 揚(yáng)州 225200;2.江蘇省泗洪縣水利局,江蘇 泗洪 223900)

平山堂泵站工程于2014年9月9日開工建設(shè),2015年9月建成,工程概算投資10969萬元。工程布置于江蘇省揚(yáng)州市邗江區(qū)揚(yáng)子江路與農(nóng)科院之間,泵房東側(cè)邊線距揚(yáng)子江路邊線約32m。進(jìn)水通過434m長(zhǎng)雙排頂管穿越平山堂路和揚(yáng)子江北路,連接瘦西湖支流家禽河;出水通過沿平山堂西路北側(cè)新開850m河道(包括200m頂管和120m箱涵)與原沿山河頭部相連。泵站設(shè)計(jì)流量10m3/s,配備4臺(tái)900ZLB-85立式軸流泵,單臺(tái)裝機(jī)容量為180kW。工程平面布置圖見圖1。該泵站是揚(yáng)州城區(qū)“清水活水”工程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程,可將瘦西湖活水引入沿山河,使東部水系與西部水系徹底打通,實(shí)現(xiàn)邵伯湖→古運(yùn)河→瘦西湖→沿山河→新城河水系和趙家溝水系的水系聯(lián)通。平山堂泵站在日常運(yùn)行中,機(jī)組運(yùn)行到3000多臺(tái)時(shí)就出現(xiàn)了振動(dòng)、噪聲較大的現(xiàn)象;經(jīng)水下檢查發(fā)現(xiàn),進(jìn)水池淤積較嚴(yán)重;水泵解體檢查發(fā)現(xiàn)各部件磨損嚴(yán)重,與水體含沙量高有關(guān)。因此有必要采用CFD技術(shù)對(duì)進(jìn)水池內(nèi)的流態(tài)進(jìn)行泥沙淤積的數(shù)值模擬,總結(jié)出泥沙淤積的過程,分析出泥沙淤積的原因,進(jìn)而為減淤措施提供思路。

圖1 平山堂泵站平面布置

1 泥沙淤積對(duì)泵站運(yùn)行的危害

泥沙問題是我國(guó)河流的突出問題,河流中所含的泥沙顆粒將會(huì)給泵站的運(yùn)行、管理造成諸多困難與問題[1]。挾沙水流中的泥沙容易在泵站前池或進(jìn)水池淤積,導(dǎo)致過水?dāng)嗝鏈p小,引起水流流向改變,使得進(jìn)水流態(tài)進(jìn)一步惡化。其結(jié)果一方面會(huì)降低水泵的運(yùn)行效率,導(dǎo)致輸水耗能和成本的增加;另一方面在進(jìn)水池內(nèi)淤積的泥沙可能會(huì)使得進(jìn)水?dāng)嗝婵s減,減少喇叭管懸空高度,使得實(shí)際運(yùn)行狀況遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),產(chǎn)生吸氣旋渦進(jìn)入水泵,導(dǎo)致機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng),水中挾帶的大量泥沙顆粒還會(huì)進(jìn)入軸頸與軸承間隙導(dǎo)致軸頸與軸承嚴(yán)重磨損。

2 平山泵站水樣分析

依據(jù)平山堂泵站長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù),選取了低含沙量期和高含沙量期的水樣進(jìn)行比對(duì)分析,采樣位置位于泵站出水側(cè)河道水流平緩處。

經(jīng)分析,低含沙工況含沙量為440g/m3,高含沙工況含沙量為650g/m3,顆粒分析成果見圖2和圖3。

圖2 低含沙工況粒徑分布

圖3 高含沙工況粒徑分布

根據(jù)實(shí)際采取的水樣,換算出低泥沙濃度工況下泥沙的體積分?jǐn)?shù)為0.000176,高泥沙濃度工況下泥沙的體積分?jǐn)?shù)為0.00026。

3 設(shè)計(jì)水位組合下的模擬計(jì)算

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于泵站含沙水流有許多研究[2-3],陸林廣等[4]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)泵站進(jìn)水流道的流態(tài)進(jìn)行了研究,分析了流道高度、圓錐角、彎曲段形狀等因素對(duì)流態(tài)的影響。Ansar等[5]將泵站進(jìn)水池流動(dòng)的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了無論泵站是正向還是側(cè)向進(jìn)水,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均基本一致,能滿足實(shí)際運(yùn)用需求。高傳昌等學(xué)者[6-10]采用雷諾時(shí)均N-S方程結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流等模型對(duì)泵站前池與進(jìn)水池整流方案進(jìn)行了數(shù)值模擬,并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證取得了明顯成效。

在設(shè)計(jì)水位組合下,泵站4臺(tái)機(jī)組全開,單機(jī)流量2.5m3/s,泵站站身進(jìn)水側(cè)水位4.062m,出水側(cè)水位7.838m。運(yùn)用MESH劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格尺寸采用0.15m。

通過Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,分析了含沙工況、設(shè)計(jì)水位組合下計(jì)算區(qū)域的流速分布、流線分布、泥沙淤積位置等信息,研究平山堂泵站進(jìn)水側(cè)的水流條件。軟件計(jì)算時(shí)參數(shù)設(shè)置為瞬態(tài)。采用Tecplot進(jìn)行結(jié)果的后處理。

運(yùn)用Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬,通過記錄不同運(yùn)行時(shí)間后底層泥沙體積分?jǐn)?shù)后,得到在設(shè)計(jì)水位組合下,高、低兩種含沙濃度水流工況下泥沙的淤積變化過程,見圖4和圖5。

圖4 設(shè)計(jì)水位組合低泥沙工況下泥沙淤積變化

圖5 設(shè)計(jì)水位高泥沙工況泥沙淤積變化

在設(shè)計(jì)水位低泥沙工況下運(yùn)行1200s的結(jié)果為:內(nèi)側(cè)進(jìn)水結(jié)構(gòu)內(nèi)泥沙淤積面積為23.83m2、質(zhì)量為2462.1kg,外側(cè)進(jìn)水結(jié)構(gòu)內(nèi)泥沙淤積面積為23.50m2、質(zhì)量為2330.0kg。

在設(shè)計(jì)水位高泥沙工況下運(yùn)行1200s的結(jié)果為:內(nèi)側(cè)進(jìn)水結(jié)構(gòu)內(nèi)泥沙淤積面積為31.05m2、質(zhì)量為3421.5kg,外側(cè)進(jìn)水結(jié)構(gòu)內(nèi)泥沙淤積面積為32.97m2、質(zhì)量為3422.5kg。

基于設(shè)計(jì)水位組合下兩種不同泥沙濃度的泥沙淤積變化圖,可以得到以下的泥沙淤積規(guī)律:

a.當(dāng)水位組合相同時(shí),水流含沙濃度越高,淤積就越加嚴(yán)重。

b.在低泥沙濃度工況與高泥沙濃度工況下,泥沙淤積規(guī)律基本一致,即:泥沙先從沉井處開始淤積,隨著水泵的運(yùn)行,沉井處的泥沙被水流沖向進(jìn)水箱涵段,隨著水泵的進(jìn)一步運(yùn)行,箱涵里的泥沙因?yàn)樗鞯臎_刷在箱涵的分叉處產(chǎn)生分離,泥沙更多地向內(nèi)側(cè)箱涵淤積。隨著水泵的進(jìn)一步運(yùn)行,圓弧中心處的泥沙被水流沖刷到箱涵的尾部,但由于進(jìn)水池底坎的存在,大部分的泥沙在此處堆積。當(dāng)水泵繼續(xù)運(yùn)行時(shí),箱涵內(nèi)的泥沙從向箱涵的尾部逐步向箱涵的頭部淤積。隨著水泵的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,淤積范圍變大,淤積程度加重。

c.泥沙的淤積位置主要集中在進(jìn)水箱涵的圓弧段。

將原始方案在設(shè)計(jì)水位組合下的模擬結(jié)果經(jīng)Tecplot軟件進(jìn)行圖像處理后,得到底層斷面流線圖,見圖6。

圖6 設(shè)計(jì)水位工況下底層斷面流線(H=0m)

通過底層斷面流線圖、斷面流速圖可以清楚地發(fā)現(xiàn):

a.在進(jìn)水管與沉井連接處存在一定范圍內(nèi)的回流區(qū)。

b.進(jìn)水箱涵圓弧段的流線較為稀疏,并且箱涵內(nèi)側(cè)的流線比箱涵外側(cè)的流線更加稀疏,箱涵內(nèi)的外側(cè)流速比內(nèi)側(cè)流速高。

c.第一道進(jìn)水箱涵的內(nèi)側(cè)邊壁存在一個(gè)底層漩渦。

d.平山堂泵站存在偏流問題。

4 校核水位工況下的模擬計(jì)算

運(yùn)用Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬,通過記錄不同運(yùn)行時(shí)間后底層的泥沙體積分?jǐn)?shù),得到在校核水位組合下,高、低兩種含沙濃度水流工況下泥沙的淤積變化過程,見圖7和圖8。

圖7 校核水位低泥沙工況泥沙淤積位置變化

圖8 校核水位高泥沙工況泥沙淤積位置變化過程

通過對(duì)校核水位低泥沙工況下運(yùn)行1200s的結(jié)果進(jìn)行分析,得出內(nèi)側(cè)進(jìn)水結(jié)構(gòu)內(nèi)泥沙淤積面積為22.48m2、質(zhì)量為2342.8kg,外側(cè)進(jìn)水結(jié)構(gòu)內(nèi)泥沙淤積面積為22.87m2、質(zhì)量為2272.9kg。

通過對(duì)校核水位高泥沙工況下運(yùn)行1200s的結(jié)果進(jìn)行分析,得出內(nèi)側(cè)進(jìn)水結(jié)構(gòu)內(nèi)泥沙淤積面積為28.68m2、質(zhì)量為3167.6kg,外側(cè)進(jìn)水結(jié)構(gòu)內(nèi)泥沙淤積面積為32.17m2、質(zhì)量為3320.3kg。

通過對(duì)校核水位組合下高、低兩種泥沙濃度下的數(shù)值模擬,分析得到泥沙淤積位置變化情況,可以看出:兩種水位組合下,泥沙的淤積規(guī)律基本一致。

對(duì)比分析兩種水位組合下的數(shù)值模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):相同水流含沙濃度不同的水位組合,水深越小,泥沙淤積就越嚴(yán)重。

將校核水位組合下的模擬結(jié)果通過Tecplot軟件進(jìn)行圖像處理,得到底層斷面流線圖,見圖9。

圖9 校核水位工況底層流線圖(H=0m)

5 泥沙淤積的成因分析

通過對(duì)數(shù)值模擬得出的泥沙淤積位置變化過程圖、底層流線圖進(jìn)行分析后,可以得出以下結(jié)論:

a.進(jìn)水管與沉井連接處的底層水流在靠近內(nèi)側(cè)邊壁存在回流形成死水區(qū),造成沉井內(nèi)測(cè)邊壁先出現(xiàn)泥沙淤積。

b.圓弧形的進(jìn)水箱涵導(dǎo)致底層水流流線稀疏,流速較小,引起了泥沙的沉降淤積。

c.水流在圓弧段產(chǎn)生了離心力,導(dǎo)致進(jìn)水箱涵段外側(cè)流線較為密集,流速較大,內(nèi)側(cè)流線稀疏流速較小,使得泥沙主要淤積在箱涵的內(nèi)側(cè)。

d.由于進(jìn)水池底坎的阻礙作用,使得工程在持續(xù)運(yùn)行過程中,泥沙難以進(jìn)入進(jìn)水池內(nèi),導(dǎo)致箱涵段泥沙淤積嚴(yán)重。

6 結(jié) 語

本文對(duì)平山堂泵站設(shè)計(jì)、校核兩種水位組合下高、低泥沙工況進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出了流速流線圖以及泥沙淤積位置變化的過程圖。通過分析,總結(jié)出了泥沙淤積的過程,即泥沙淤積從進(jìn)水箱涵的圓弧起點(diǎn)開始,隨著水泵的運(yùn)行,沿著水流方向發(fā)展,當(dāng)運(yùn)動(dòng)到底坎處后,因受底坎阻礙再反向蔓延;隨著水泵的運(yùn)行時(shí)間增加,淤積范圍逐步變大,淤積程度加重。此外得出了泥沙的淤積規(guī)律,即相同水位組合下,高含沙工況的淤積更為嚴(yán)重;相同泥沙濃度工況下,水深越大泥沙淤積越嚴(yán)重;同一進(jìn)水箱涵內(nèi),箱涵內(nèi)側(cè)淤積比外側(cè)嚴(yán)重;各個(gè)運(yùn)行工況下,泥沙淤積規(guī)律基本一致。本文為同類型的平原泵站進(jìn)水池淤積成因分析提供了思路,同時(shí)對(duì)含沙河流的泵站優(yōu)化研究有一定的參考價(jià)值。