紀鳳杰 劉 攀 王 朝 郭連峰 張 楚
(1.徐州市水利建筑設計研究院有限公司,江蘇 徐州 221000;2.鹽城市水利勘測設計研究院有限公司,江蘇 鹽城 224055)
水利工程是我國重要的基礎工程,建設水利工程對社會的穩(wěn)定發(fā)展有重要意義[1]。因為水利工程的建設規(guī)模在不斷擴大,所以要合理配置水資源,確保水利工程發(fā)揮作用。泵站水閘是水利工程的重要組成部分,在建設過程中,如果不能有效處理會對水利工程正常運行造成影響[2-3]。在擴大改建輸水泵站的工程中,泵站改擴建工程不僅要考慮工程實際需求,還要考慮泵站的實際條件,因此方案比選階段十分重要,對工程后續(xù)建設過程和工程投入等方面起到?jīng)Q定性作用[4]。為進一步提高輸水泵站擴大改建方案比選水平,該文以黃河故道鄭集站為例,深入分析輸水泵站擴大改建方案比選要點。
鄭集站位于銅山區(qū)鄭集鎮(zhèn)東側(cè),鄭集河下游,由東、西兩座泵站組成,是江水北調(diào)工程的第九級翻水站,承擔湖西地區(qū)豐、沛、銅3 縣1000km2農(nóng)田灌溉和防洪排澇任務,現(xiàn)狀設計總流量為50m3/s。鄭集東泵站建于1995 年,安裝10 臺36ZLB2.8-6.7 型軸流泵,設計流量為25m3/s。在2009 年大型泵站更新改造中拆除鄭集西站進行重建,設計流量為25m3/s。經(jīng)過多年運行,工程主要問題如下:主副廠房伸縮縫處的不均勻沉降較嚴重,泵房漏雨,水泵的汽蝕破壞嚴重,效率低,主電動機老化嚴重,變壓器和電氣設備使用年限過久,老化嚴重。
鄭集站主要問題如下:1)泵站廠房與檢修間連接點沉降,最大沉降超過20mm,主副廠房伸縮縫處不均勻沉降較嚴重。2)進水池檢修門槽質(zhì)量差,檢修閘門嚴重漏水,封堵困難。3)進水涵洞混凝土閘門砼剝落,露筋嚴重;止水損壞導致漏水嚴重。4)水泵的汽蝕破壞嚴重。葉片正面和背面均有不同程度汽蝕,背面范圍更大,程度更嚴重,汽蝕面積約占葉片表面積的15%~30%,葉片運行4000h,多處接近穿孔,屬于嚴重汽蝕。另外,機組間隙汽蝕也比較嚴重,葉片外緣已呈鋸齒狀,葉輪室蝕帶寬10cm~18cm,在運行過程中多次出現(xiàn)葉輪室四周嚴重穿孔現(xiàn)象,甚至導致喇叭管脫落。
鄭集東站進水涵洞基礎底高程為26.20m,位于③層壤土上。站身基礎底高程為23.06m,位于④層含砂姜壤土上,允許承載力為260kPa。承載力滿足要求,采用天然基礎。出水池基礎底高程為29.80m,出水涵洞基礎底高程為29.20m,均位于②層粉砂夾壤土,該層夾粉砂較多,局部呈互層狀或團塊狀,局部夾壤土、淤泥質(zhì)土薄層,土質(zhì)不均勻、飽和以及松散,允許承載力為100kPa。下臥層為淤泥質(zhì)砂壤土,該層土質(zhì)軟弱、壓縮性高、承載力低、易流變及產(chǎn)生不均勻沉降,允許承載力為65kPa,須進行地基處理。
該工程屬于沂沭泗流域南四湖水系。南四湖由南陽、獨山、昭陽和微山4 個湖泊組成,周邊與濟寧市任城區(qū)、魚臺縣、滕州市、薛城區(qū)、徐州市沛縣及銅山區(qū)接壤。南四湖湖形狹長,南北長125km,東西寬6km~25km,湖面面積為1300km2,流域面積為31400km2,其中湖西為21600km2,湖東為8500km2,是我國第六大淡水湖,有調(diào)節(jié)洪水、蓄水灌溉、發(fā)展水產(chǎn)、航運交通和改善生態(tài)環(huán)境等作用。
黃淮氣旋多發(fā)生在6~9 月,其中7 月最多。該流域的大范圍、長歷時降水多數(shù)由接連出現(xiàn)切變線和低渦造成。該工程采用水溫計算有關排水模數(shù),如公式(1)所示。
式中:M為排水模數(shù),m3/s·km2;R為設計凈雨量,mm;F為流域面積,km2。
根據(jù)計算,得出鄭集東站排水模數(shù),見表1。
表1 鄭集東站排水模數(shù)
設計流量與水位見表2。
表2 鄭集東站設計流量與水位
原鄭集東站設計流量25m3/s,安裝10 臺36ZLB2.8-6.7 軸流泵。通過安全鑒定得知,土建結(jié)構(gòu)為3 類,可以對其進行加固處理;機電設備為4 類,須全部更新。在老舊泵站的位置進行改建,拆除原鄭集東站,在原址建設一座流量為55m3/s 的新泵站,安裝6 臺1850ZLQ 型軸流泵,水泵效率為84%,進水采用肘型流道,出水流道采用平直管出流,拍門止逆。根據(jù)進水形式及站室布置,重建泵站可以采用A、B、C 這3 種方案。具體方案見表3。
表3 鄭集東站站比選方案
在流體力學中遵循的流動守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律,描述流動守恒定律被稱為控制方程[5]。其中質(zhì)量守恒方程又被稱為連續(xù)方程,其描述的主要是在單位時間內(nèi),微元中的質(zhì)量增加量與流入微元的靜質(zhì)量相等,通常將水視為不可壓縮流體,質(zhì)量守恒方程如公式(2)所示。
式中:u、v、w為時均速度分量,m/s。
動量守恒定律又被稱為動量守恒方程,主要描述微元中,流動產(chǎn)生的動量在時間尺度上的變化率與外界在微元上作用的力相等,黏性為常數(shù)的不可壓縮流體如公式(3)~公式(5)所示[6]。
式中:Su、Sv、Sw為廣義源匯項。
進水口內(nèi),水的流動為復雜的三維湍流流動形式,在該形式下,水流呈現(xiàn)漩渦、回流等現(xiàn)象,因此在流體力學的流動守恒定律基礎上,需要考慮線流彎曲、二次流和流動分析等方面,模型控制方程除了連續(xù)方程與動量守恒方程外,還須考慮雷諾平均N-S 方程、湍動能方程以及湍動能耗散率方程。其中湍動能方程又被稱為k方程,如公式(6)所示[7]。
湍動能耗散率方程又被稱為ε方程[8],如公式(7)所示。
克羅內(nèi)克函數(shù)如公式(8)所示。
該文主要對方案A 與方案C 進行數(shù)值模擬,進一步明確側(cè)向引水、側(cè)向出水以及進、出水水流流態(tài)。模擬計算主要采用有限體積法對控制方程進行離散化處理,同時對壓力、動量以及湍動能等內(nèi)容進行二階離散格式。該工程計算區(qū)域較為復雜,數(shù)值計算主要采用分塊網(wǎng)絡生成方法,將計算模型劃分為水泵吸水管和進水池內(nèi)部2 個部分,整體模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,根據(jù)計算工作的側(cè)重點,將模型中流動較為劇烈的進水口內(nèi)部區(qū)域網(wǎng)格單獨細化,在準確計算的前提下,盡可能降低計算難度,發(fā)揮計算機最大功效。模型完成后,計算區(qū)域中的歪斜率均<0.97,總體網(wǎng)格質(zhì)量較好。在整體模型中,流道部分網(wǎng)格總數(shù)為16308 個,流場計算區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)為35025 個。
在該文建立的模型中,計算區(qū)域認為流體可充分發(fā)展,計算入口邊界條件中的湍動能k以及湍流強度I的計算如公式(9)和公式(10)所示[9]。
湍動能耗散率如公式(11)所示。
式中:Cμ為湍流模型經(jīng)驗常數(shù),取0.09;l為湍流長度尺寸,m。
流暢出口邊界條件如公式(12)所示。
對方案A 與方案C 進行數(shù)值模擬計算,方案A 進水流場初步數(shù)值模擬如圖1 所示,方案C 進水流場初步數(shù)值模擬如圖2 所示。在方案A 中,最大水流發(fā)生在進水通道內(nèi),最大水流能滿足建設需求,方案B 并未拆除現(xiàn)有泵站,是在原本泵站的基礎上增設鄭集東站,增設后主要水流在鄭集東站內(nèi)部,鄭集東站內(nèi)部分為3 條進水通道,最大水流在左側(cè)通道內(nèi)。2 個方案進水水流流態(tài)均較好。
圖1 方案A 進水流場初步數(shù)值模擬圖
圖2 方案B 進水流場初步數(shù)值模擬圖
根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果,結(jié)合工程造價和工程建設規(guī)模等內(nèi)容對比3 個方案,分析結(jié)果見表4。通過對方案進行經(jīng)濟技術綜合比較,確定該階段選用方案A,其優(yōu)點是泵站運行水流流態(tài)較好,泵站裝機效率較高,常年運行費用低,平面布置緊湊和管理運行方便,缺點是工程建設投資較大,但為保證泵站高效運行及管理區(qū)整體布局美觀,選取合建方案A。
表4 方案優(yōu)缺點對比
為進一步提高輸水泵站擴大改建方案比選工作質(zhì)量,該文以黃河故道治理工程中鄭集站的改擴建工程為研究對象,深入分析輸水泵站擴建工程方案比選方式,得出以下結(jié)論:1)數(shù)值模擬分析結(jié)果表明方案A 與方案B在進水水流流態(tài)方面均能滿足設計需求,但從長遠角度看,綜合考慮建筑經(jīng)濟、維護效益等方面,選擇方案A 作為建設方案。2)研究分析了綜合水流控制方程、湍動能方程以及湍動能耗散率方程的泵站水流數(shù)值模擬方法以及相應的邊界條件等。該文研究內(nèi)容對后續(xù)泵站擴改建工作方案比選工作有參考意義。