近闸布置斜向进流泵站进水流态及改善措施试验研究

高炜杰，朱贲贤，陈银鲁

（浙江省宁波市水利水电规划设计研究院，浙江宁波315192）

近闸布置斜向进流泵站进水流态及改善措施试验研究

高炜杰，朱贲贤，陈银鲁

（浙江省宁波市水利水电规划设计研究院，浙江宁波315192）

靠近已建水闸新建的排涝泵站工程布置一般均偏置与河道主流一侧，受场地限制引渠长度及转弯半径往往无法满足规范要求，造成泵站进流不均，影响泵站正常运行。通过宁波市印洪碶泵站模型试验，分析“斜向进水“泵站进水建筑物进水流态及其改善措施。实验研究表明：其不良流态表现为新开河段凹岸侧回流和右侧翼墙后的绕流；独立进水池的隔墩约束导顺作用可有效改善泵站进水横向流速分布不均问题；采用减小引渠扩散角、采用直立岸墙断面代替直立+斜坡断面与前池平顺连接可有效消除前池入口左侧回流区。

斜向进流；泵站；进水流态；改善措施

宁波市位于浙江省东部沿海，根据自身排涝条件，排涝方式一般采用“自排为主、抽排为辅”方式进行。而近年来，随着城市的高速发展以及强降雨的频发引起的城市内涝日益加剧，排涝泵站建设进入了一个高潮。在新建泵站选址时，内河出口处既有水闸一般均为正对河道主流布置，故在新建泵站轴线只能偏置于水闸一侧，而受上游其他市政设施、土地征用等因素影响引渠布置受到很大限制，引渠转弯半径及顺直段长度很难满足泵站设计规范的相关要求，使进水前池呈现出“斜向进流”的情况。排涝泵站机组流量较大，对进口流态要求高，内河来流斜向进入泵站前池，在前池近闸侧可能产生较大的回流区，造成泵站进流不均，影响其安全正常运行。故如何合理布置此类“斜向进流”泵站的进水建筑物，降低“斜向进流”不良流态的影响，对其正常安全运行至关重要。本文结合工程设计实例及物理模型试验成果，对“斜向进流”泵站的进水流态及改善措施进行探讨。

1 项目概况

印洪碶河是宁波市江东区鄞西南平原涝水外排甬江出海的重要出口。现状印洪碶河入甬江河口位置建有2003年外移后的印洪碶闸。印洪碶闸上约85 m为甬江大道，甬江大道至甬江堤防岸线间为甬江公园绿地，宽度约130 m。根据防洪治涝规划，印洪碶河入甬江河口，尚需建设设计排涝流量为30 m3/s的排涝泵站。根据城市用地规划及于其他市政设施的关系，新建印洪碶泵站仅能布置于现状印洪碶闸左岸。根据泵站选型，最终采用3台1600 QZB潜水轴流泵站机组，单机设计流量10.0 m3/s，单台机组独立进水池宽为4.8 m。

印洪碶强排泵站工程内河侧新开河道受场地限制，弯道终点与前池进口之间直线段长度较短，小于河道水面宽度的8倍，且内河侧右岸翼墙与现状印洪碶闸左岸相接呈不规则形态，泵站正向排水时，水流条件复杂，出现典型的近闸布置斜向进流状态。可能造成泵站进水水流紊乱，降低装置效率，引起机组和泵房的振动，严重时甚至造成水泵启动困难。

2 初步布置及试验成果

考虑到上述原因，印洪碶泵站在初步布置时采用以下措施来克服场地限制可能带来的水流问题：

（1）采用基坑垂直支护手段使泵站顺水流方向轴线与现有排涝闸轴线尽量靠近，以减小引渠转角；

（2）采用厂房顺水流方向较短的立式机组来增加引渠长度；

（3）采用由隔墩完全隔离的独立进水池,调整进水前池内流速分布，改善水泵吸入口水流条件；

初步布置详见图1

对初步布置成果采用水工物理模型试验进行验证。模型试验采用Froude相似准则，设计为正态模型，模型主要包括引水渠、前池、进水流道、泵房段及出水口，上游模拟至泵站上游120 m范围（跨内河桥南侧），下游模拟到水泵入口，模型几何比尺为1∶10。

图1 印洪碶泵站初步平面布置

图2 左侧凹岸及右岸近闸侧回流区

图3 测速剖面布置

在模拟工况选取上，考虑到同等水泵开启低水位情况作为重点研究工况，并进行不同单泵流量的对比分析。

2.1 内河引渠流态及流速分布

根据实验结果，内河侧上游来流较为平顺，来流水流顺直，基本顺原河道方向流向印洪碶闸，在闸前向泵站一侧偏转，在引渠左侧凹岸及右岸近闸部分产生回流，3台泵同时运行低水位工况下回流边界基本沿左岸岸侧底边线，实侧最大回流流速约0.2 m/s；当其中两台或一台机组开启时，河道来流流速有所降低，水流相对易于扩散转向，回流边界向凹岸侧有所回缩。

2.2 前池、泵房段沿程流态及流速分布

为了研究泵站前池、泵房段沿程流态及流速分布，本次模型试验在前池及泵房内设置了4个测速横剖面及3个测速纵剖面，测点见图3。

根据实验结果，从前池进口断面水流流速在横向分布上，受内河侧新挖河段凹岸回流的挤压作用，当机组全开或1#，3#机组对称开启工况下进入泵站前池的水流呈现出右侧大，左侧小的分布；而当靠左岸1#、2#机组同时开启时，前池水流又同时受下游侧和内河侧右岸翼墙扰流水流影响，在翼墙后形成回流，挤压入前池的主流向左偏转；单泵运行时，当靠左岸1#、2#机组开启时，前池断面流速分布均受右侧翼墙后回流影响，呈现右侧垂线偏小的分布，当开启右岸3#机组时，由于受下游水流的强制作用，呈现出右侧大，左侧小的分布情况。可见在前池断面上受左岸回流及右岸翼墙扰流回流影响，横向流速分布不均匀。

在机组全开工况下，在进口断面上，受上游左侧回流挤压影响，1#泵呈现右侧大左侧小的分布，2#泵流速分布较为均匀，3#泵受右侧翼墙后绕流影响，呈现出左侧大，右侧小的分布；在交通桥断面，流速横向分布已较为均匀，1#、2#泵垂线平均流速横向偏差小于10%，3#泵偏差小于20%。

两台机组开启情况下，在进口断面上，当1#、2#机组开启工况下，在进口断面上，受上游左侧回流挤压影响，1#泵呈现右侧大左侧小的分布，垂线平均流速横向分布最大偏差22%，2#泵流速分布较为均匀，但右侧沿垂线分布呈表面大，底部小的分布；当1#、3#机组开启时，受上游左侧回流挤压影响，1#泵呈现右侧大左侧小的分布，垂线平均流速横向分布最大偏差15%，3#泵受右侧翼墙后绕流影响，呈现出左侧大，右侧小的分布，左侧沿垂线呈表面大、底部小的分布；2#、3#泵开启工况下，在进口断面上，2#泵流速分布较为均匀，3#泵受右侧翼墙后绕流影响，呈现出左侧大、右侧小的分布，最大偏差达30%；

单泵运行工况下，各断面流速分布相对较好，主要表现为2#泵流速分布较为均匀，1#泵和3#泵分别存在隔墙和翼墙后绕流影响，呈现出左侧大，右侧小的分布。

在交通桥断面，受前池导顺作用，横向流速分布逐渐趋于均匀，除2#、3#泵开启工况下的3#泵垂线平均流速横向偏差小于15%外，其余各工况垂线平均流速横向偏差均小于10%。至流道吸入口，由于受到独立进水池隔墩导顺作用，各工况下吸入口左右两侧流速偏差基本已小于2%，仅个别工况3#泵流速偏差达到3%。

各工况下前池流速纵剖面分布在前池末端水流在垂向上扩散已较为充分，呈表面大、底部小的分布，垂线偏差小于30%，在前池底坡上未发现横轴回流，至交通桥断面垂线流速分布已较为均匀，对水泵运行影响不大。

限于篇幅，本文仅给出3台机组全开工况下前池入口、3#机组进水池入口、交通桥断面流速分布图及泵站吸入口断面流速分布图，见图4。

由实验结果可知，对泵房水流有所影响的主要不利流态表现为新开引渠凹岸侧的大范围回流和右侧翼墙后的绕流，受其影响在进水池进口断面上各工况垂线平均流速横向最大偏差普遍在10%～20%，个别工况最大偏差可达30%而至交通桥断面受进水池隔墩约束作用影响，除2#、3#泵开启工况下的3#泵垂线平均流速横向偏差小于15%外，其余横向流速偏差已均小于10%，至水泵吸入口断面时各工况下吸入口左右两侧流速偏差基本已小于2%，仅个别工况3#泵流速偏差达到3%。

可见独立进水池对水流较强的约束作用，保证了泵站吸入的横向流速均匀分布，但由于引渠布置“先天不足”，进水池入口仍存在较大横向流速不均及大范围回流区。

图4 机组全开工况沿程泵房流速分布

3 调整引渠线型方式优化布置及试验成果

从实验结果分析，初步布置理论上能够保证泵站机组在各工况下的正常运行。在实际运行中引渠大范围的回流区形成的漩涡可能会随水流向进水池方向移动，将空气带入进水流道中。进水池入口流速横向偏差较大，可能导致污物局部堆积影响水泵运行，故拟对方案做进一步优化。

优化试验主要考虑：左岸新开河段边线适度向河心内缩，减小左岸边线的转角；泵站与闸之间翼墙体型修改；必要时在新开河段设置一定的导流措施。

修改方案主要考虑以下三个方向：

（1）将连接段岸坡调整为直立岸坡，来改岸线与泵站左侧翼墙连接段不连续造成的左侧进口前的回流；

（2）原布置方案下左岸岸线转角过大，导致来流不能转向形成扩散段的大范围回流，而后回流又进一步挤压主流，故根据水流的自由扩散角，结合地形实际限制，将扩散角调整为25°,连接圆弧半径约25 m；

（3）右侧泵闸之间翼墙适当上延，约束来流，增加前池前引河段水流调整长度，减小翼墙后的绕流强度。

分别拟定3种布置，并进行实验验证。

根据修改方案试验表明：

（1）调整左岸新开河段岸线，减小扩散角度对减小回流范围，削弱回流强度是有效的；

（2）左岸岸线采用直立挡墙与翼墙间平顺连接后，有效消除了前池入口前左侧的回流区；

（3）右侧泵闸翼墙上延，约束了水流，增加了引渠调整段，有效削弱了绕流范围和强度，虽然对3#流道进口还有一定影响，但在泵房内沿程不断调整后在交通桥位置其偏差已减小至20%以下，水泵吸入口断面流速分布已较为均匀，偏差小于10%，左右孔流量偏差小于2%，其影响已可以接受。

4 局部整流措施优化布置及试验成果

通过调整新开挖河段边界及边墙断面形状、上延泵闸隔墩等措施，取得了减小回流范围，削弱回流强度的效果，但对改善清污机断面及泵吸入口断面流速分布的均匀性无明显作用，因此进一步优化方向主要考虑：简化水流改善工程措施。简易整流设施尽量在前池内设置，以方便施工。故又进行了不同前池局部整流措施的效果比较试验，各方案布置详见图5。

三种前池整流措施下清污机断面流速分布偏差详见表1。

实验结果表明，从改善进水池入口横向流速偏差角度来看齐平隔墩布置效果较差，隔墩交错布置及隔墩交错布置+横梁可显著改善进水池入口横向流速分布，清污机断面流速分布偏差可控制到30%以下。但对于水泵吸入口而言但由于独立进水池导顺作用已足够明显，故并无显著改善。

图5 不同型式前池及右侧导墙及不同型式前池整理措施布置

表1 三机运行不同前池整流设施下清污机断面流速分布偏差（%）

6 结语

综合试验结果，泵站上游引渠左侧岸线扩散角及断面型式对泵站内河侧流态影响明显，最终印洪碶泵站采取调整左岸岸线转角至25°，前池侧转弯半径调整为30 m，上游侧外扩转弯半径调整为20 m，内河侧新开河段采用直立岸墙的布置方案。而前池内整流措施虽能够起到一定的调整进水池入口横向流速偏差作用，但前池内设置过于复杂的整流措施一方面影响到泵站的进口水头损失，一方面也影响到泵站的运行管理，故未采用。

通过本次设计、试验，针对进闸布置斜向进流泵站的进水建筑物布置可总结以下经验结论：

（1）近闸布置斜向进流泵站，在引渠弯道终点与前池进口之间直线段长度不满足规范要求时，主要不利流态表现为新开河段凹岸侧回流和右侧翼墙后的绕流；

（2）独立进水池的隔墩约束作用可起到较好的导顺水流作用，进水池入口较大横向流速偏差经进水池整流后已可基本消除；

（3）泵站上游引渠左侧岸线扩散角及断面型式对泵站内河侧流态影响明显，减小引渠扩散角、采用直立岸墙断面代替直立+斜坡断面与前池平顺连接可有效消除前池入口左侧回流区；但对于泵站进口交通桥断面及吸入口流速分布无显著影响；

（4）)前池采用局部整流措施，可改善清污机断面流速横向分布，尤其是交错布置隔墩+整流横梁方案或可使进水池入口断面横向流速偏差小于20%，但对于水泵吸入口而言，由于独立进水池导顺作用已较明显，故并无显著改善。

Experimental Study on Flow Pattern and Improvement Measures of Inclined Inlet Pumping Station of Near Gear Arrangement

Gao Weijie,Zhe Feixian,Chen Yinlu
（NingboWater resources and Hydropower Planningand Design Institute in ZhejiangProvince,Ningbo315192,Zhejiang）

The layout of new drainage pumping station engineering near the already built water gate are generally offset with the mainstream of the river side.The hidden ditch length and turning radius is often unable to meet requirements of the specification,resulting in pumping station uneven flowand affecting the normal operation of the pumping station.Through the model test of Yinhong pump station in Ningbo,the article analyzes the flowing pattern of inlet water in"inclined water"pump station and its improvement measures.The experimental results show that the poor flow is characterized by concave side backflowof the newriver section and the right side flowaround of the wing wall.The effect of the dike pier of the independent inlet can effectively improve the uneven flow velocity Problem.Eliminate spread angles of the approach channels and use of vertical wall section instead of vertical+slope section and the front pool smooth connection can effectively eliminate the left side ofthe return area at the front pool entrance.

Inclined inlet flow,pump station,inlet flowingstate and improvement measure

S27.92

B

1673-9000（2017）04-0106-04

2017-03-10

高炜杰（1983-），男，汉族，浙江嘉兴人，工程师，主要从事水利水电工程设计工作