城市泵站调节池流态改善措施研究

佟宏伟，王晓升

(1.上海城投水务工程项目管理有限公司，上海 201103；2.河海大学水利水电学院，南京 210098)

城市供排水泵站和提升泵站中，为调节不同区域、不同时段的用水需求，保障供排水管网在特殊工况下的平稳运行，泵站进水泵房前常常布置有调节池[1,2]。由于泵站调节池容量相对较大，水流流速相对较低，当泵站输运的水流中泥沙含量较多时，调节池和泵站前池中易产生泥沙淤积，这势必会减小调节池的调蓄容量，并改变泵站的进水条件，对泵站的安全、高效运行产生不利影响。

市政工程中，防止泵站调节池泥沙淤积的方法主要有2种：一种是采用机械设备如曝气设备和搅拌设备等防止泥沙沉积，这种方法通常安装、检修复杂，且建造、管理和维护的成本相对较高；另一种方法是采用特种形式的调节池布置，通过水流自身运动携带泥沙运移，这种调节池建造、维护费用较低，但若调节池设计不合理时，可能会产生局部淤积、泵站进水流态恶化等问题，对泵站进水系统水力设计的要求更高。

在调节池中布置槽道，通过槽道增加水流流速，从而增强水流的挟沙能力，是一种通过水力条件防止泥沙淤积的调节池布置形式。目前，针对泵站前池水力特性及其流态改善的研究，前人已开展了较多的工作[3-8]，而对泵站调节池水力特性及其对泵站进流的影响研究则较少。本文结合某典型城市泵站，对含有槽道式调节池的泵站进水系统进行研究，采用物理模型试验的方法，对泵站调节池的水力特性进行分析，提出改善泵站进水流态的整流措施，以保证泵站的安全、高效运行。

1 模型的建立

1.1 研究对象

上海某典型输水泵站，设计规模为240 万m3/d，装设8台水泵机组，通过2根配水管向2座调节池配水，调节池有效容积约1 万m3，池内由导流墙分割为若干槽道，每座调节池分别对应一座前池，为保证均匀的前池进流条件，调节池槽道末端与前池正向相接，前池向4台水泵配水，每台水泵单独设进水池。2座调节池及前池呈对称布置，本文以其中一个泵站调节池及前池作为研究对象，调节池及前池平面布置见图1。图1中尺寸单位为mm，高程单位为m。

图1 泵站调节池及前池布置

1.2 物理模型设计

泵站调节池、前池内水流主要受重力支配，故模型采用重力相似准则设计，综合考虑水流流态及量测精度的需要，选取模型线性比尺λl=10，相应的其他主要物理量的相似比尺为：流速比尺λV=λ1/2l=101/2=3.16，流量比尺λQ=λ5/2l=105/2=316.23，糙率比尺λn=λ1/6l=101/6=1.47。模型采用自循环开敞式的试验装置，由调节水库、进水管、调节池、前池、进水池、模型泵机组、出水管路、回水渠、控制及量测系统等组成。泵站物理模型试验装置见图2。

图2 泵站物理模型平面布置

试验主要对调节池沿程槽道的流速分布、调节池沿程水面落降及前池的流速分布等进行量测，根据调节池内的流速大小和流速分布分析调节池内的泥沙淤积情况，根据调节池沿程水面落降和前池流速分布评价泵站调节池流态的优劣。流量由安装在水泵出水管后的量水堰进行量测，水位用测压管量测，流速采用多普勒三维剖面点式流速仪(ADV)量测，文中流速分布给出水流前进方向的流速分量Vx。

调节池流速测点布置在沿程槽道中，主要量测槽道底部流速(模型中距池底约1 cm位置)；前池流速测点布置在前池扩散段，主要为分析调节池流态对前池流态的影响，流速测点在立面方向上均匀布置5层，文中给出垂线平均流速，调节池及前池流速测点布置见图3。为便于数据对比，本文流速测点标注尺寸及流速数据均为模型值换算后对应的原型值。

图3 泵站调节池及前池流速测点布置(单位：mm)

1.3 试验条件

选择前池水位为高水位、设计水位及低水位运行作为试验条件，相应的流量、开泵台数及组合等见表1。本文主要对调节池内的流态及其整流措施效果进行分析研究，不同的开机组合尽管对泵站前池流态影响较大，但对调节池流态的影响则相对较小，前池流速分布仅作为评价调节池流态优劣的因素，因而各运行工况选取相同的开机台数和开机组合，不同开机组合对前池的流态影响本文不作分析。

表1 试验运行参数

2 泵站调节池流态分析

泵站初始设计方案下，调节池池底高程为0 m，调节池槽道宽度为4.20～5.05 m，泵站设计流量为14.862 m3/s；当泵站前池在高水位运行时，调节池水深为5.80 m；假设调节池槽道内流速分布均匀，则槽道平均流速约为0.50～0.60 m/s，大于通常条件下城市泵站悬浮物颗粒的起动流速，基本可以防止调节池内的泥沙淤积。

图4、图5为泵站在高水位运行条件下的泵站调节池表面流态及流速分布。由试验结果可知，水流从调节池进口经沿程槽道流入前池的过程中，需经2个90°转弯和7个180°转弯，调节池槽道数量较多，宽度较窄，调节池槽道内的水流流速较大，使得水流在转弯处存在显著的流动分离，且在转弯后较大范围内存在窄长形的回流区，各槽道内的水流明显偏向弯道外侧，内侧局部区域流速偏低，对调节池的防止泥沙沉积不利。另一方面，调节池末端出流不均，使得泵站前池进流条件恶化，前池流速分布显著不均，前池右侧为回流区域，前池水流条件较差。

图4 调节池及前池表面流态

图5 调节池及前池流速分布(单位：m/s)

另一方面，当泵站在前池低水位(1.80 m)条件下运行时，由于调节池槽道流速较大，调节池局部水力损失较大，调节池沿程水面落降显著增加，水流由调节池流入前池时，槽道水流由缓流过渡为急流，且在前池进口区域存在有明显的水跃现象。试验中，控制前池水位逐渐上升，前池进口水流由急流逐渐过渡为临界流和缓流，实测前池水位在2.30 m时，前池进口水流接近临界流状态，此时调节池沿程水面落降为1.46 m。前池进口区域水流流态演化见图6。

图6 前池进口区域流态演化

可见，对于初始设计方案的泵站调节池来说，尽管考虑了高水位运行条件下的调节池泥沙沉积问题，但由于调节池槽道数量较多，宽度较窄，一方面，受槽道隔墙绕流影响，槽道内流速分布不均，局部存在回流区和低速流区，对调节池防泥沙沉积不利；另一方面，当前池在设计水位和低水位条件下运行时，调节池槽道内流速分布不均、水力损失过大，进而影响到泵站前池的进流条件，对泵站的安全、稳定、高效运行不利。

3 调节池流态改善措施研究

针对调节池中存在的水力损失过大、偏流、回流等问题，通过调整调节池的布置形式和增设局部整流措施对其进行针对性的试验，研究能有效降低调节池水力损失、防止调节池泥沙沉积、改善泵站前池进流条件的调节池优化布置方案。

3.1 分流槽道式调节池

为了减小调节池槽道流速，降低调节池水力损失，通过适当调整调节池槽道宽度及隔墙位置，形成分流槽道式调节池方案，见图7(高程单位为m，尺寸单位为mm)。分流方案通过在槽道中间布置隔墙，将水流一份为二，2股水流经不同的槽道，在最后一个槽道内汇流，分流前的槽道宽度为7.80 m和8.40 m，水流分流后的槽道宽度为4.00 m，水流汇合后的槽道宽度为8.40 m。

图7 调节池加宽槽道和分流槽道布置

调节池调整为分流槽道式布置形式后，槽道单位宽度的过流量减小，槽道转弯处的局部水力损失显著减小，调节池沿程水面落降得到了显著的降低，前池在低水位(1.80 m)运行时，调节池沿程水面落降为0.82 m，调节池槽道中的水流平稳，无急流流态。由于流速降低，槽道转弯处的回流区显著减小，槽道内流速分布相对较为均匀，两股水流交汇后，最后一条槽道基本无明显的偏流现象，流速分布均匀，这为前池均匀进流提供了较好的边界条件。其中，前池在设计水位(3.80 m)运行时的调节池流态见图8。尽管如此，由于槽道单位宽度过流量减小，前池在高水位(5.80 m)条件下运行时，调节池槽道内流速相对较低，平均流速约在0.32 m/s左右，不利于调节池内的泥沙输移，需作进一步的优化。

图8 分流槽道式调节池流态

3.2 调节池局部整流措施

采用分流槽道式调节池布置方案后，调节池槽道流态和前池进流条件均得到了显著改善，中低水位条件下调节池沿程水面落降过大的问题得到了有效控制。但槽道转弯处，受隔墙绕流影响，槽道水流仍明显偏向弯道外侧，分流前的槽道转弯处尤其显著；同时，在前池高水位运行时，槽道内流速明显降低，平均流速约在0.32 m/s左右，对调节池的防泥沙沉积效果可能造成不利影响。为此，通过在调节池槽道中布置导流板和挡水板措施，以进一步改善调节池内的流态，同时为改善泵站前池、进水池的流态，在前池扩散段增设了导流墩及组合横梁的整流措施。调节池局部整流措施布置见图9(高程单位为m，尺寸单位为mm)。

图9 调节池局部整流措施布置

图10、图11为调节池增设导流板和挡水板后，前池高水位运行时的调节池流态和流速分布(由于调节池体形有所调整，调节池内流速测点进行了相应的调整)。由试验结果可知，在调节池槽道转弯处增设导流板，可以减小弯道处的水力半径，有效均化调节池槽道转弯处内外侧的流量分配，改善调节池槽道内偏流、回流的不良流态，调节池槽道内流速分布显著均化。在调节池槽道内布置挡水板后，当前池在高水位运行时，槽道底部流速显著增大，除弯道处小范围回流区和低流速区外，槽道内流速基本控制在0.45～0.60 m/s，基本可防止泵站高水位运行时的调节池泥沙淤积。调节池出口流速分布均匀，前池进流条件良好，同时经扩散段导流墩和组合横梁的作用，前池流速分布得到进一步优化，且增大了前池底部流速，有利于前池的防淤。

图10 优化方案调节池流态

图11 优化方案调节池及前池流速分布(单位：m/s)

将优化方案与初始方案各运行工况下的调节池沿程水面落降列于表2之中。由试验结果可知，调节池布置及局部体形优化后，调节池沿程水面落降显著下降，调节池槽道内增设挡水板尽管会增加高水位运行时的水头损失，但调节池沿程水面落降仍与前池设计水位运行时基本相当，对泵站的稳定运行影响较小。

表2 调节池沿程水面落降对比 m

4 结 语

本文对采用槽道布置形式的泵站调节池流态进行了系统的物理模型试验研究，结果表明：当调节池槽道布置不尽合理时，调节池中易产生偏流、回流、水力损失过大等流动问题，不但影响调节池的防泥沙沉积效果，也有可能危害泵站的安全、稳定运行。针对调节池中存在的水力问题，通过改变调节池布置形式和增设局部整流措施的方法进行了针对性的分析和研究，显著改善了调节池内的水流流态。

(1)采用分流槽道式的调节池布置方案，可有效改善调节池槽道内的流态和前池进流条件，降低中低水位条件下调节池的沿程水面落降。

(2)调节池中增设导流板能有效均化调节池弯道处的内外侧流量，减小水流过弯的转弯半径，从而减小槽道中的局部回流区，改善调节池槽道内的偏流、回流等不良流态。

(3)调节池中增设挡水板能有效增大高水位运行时调节池槽道的底部流速，显著改善高水位时调节池的防泥沙沉积效果。

□

[1] 王连来, 李洪清. 南水北调配套工程西河原水枢纽泵站调节池设计[J]. 中国给水排水, 2013,29(16):52-53.

[2] 楼少华, 袁武建, 张景波,等. 大型区域污水转输泵站及调节池工程设计[J]. 给水排水, 2014,(11):39-41.

[3] 田家山, 仲付维. 排、灌泵站前池流态及其改善措施的研究[J]. 河海大学学报(自然科学版), 1983,(2):41-53.

[4] 严忠民, 蒋传丰, 周春天,等. 侧向进水前池水流特性的试验研究[J]. 河海大学学报(自然科学版), 1991,(5):49-54.

[5] 冯建刚, 王晓升, 佟宏伟,等. 大型城市供水泵站前池流态改善措施研究[J]. 给水排水, 2010,36(11):51-54.

[6] 周济人,汤方平,刘 超.底坎在泵站前池流态改善中的应用[J].江苏农学院学报,1995,(2):37-40.

[7] 冯建刚,李 杰.大型城市水源泵站前池流态及改善措施试验[J].水利水电科技进展，2010,(4):70-74.

[8] 洪 磊,周春天,王晓升,等.城市排水泵站前池压水板的整流效果[J].江苏农业科学,2013,41(5):357-360.