浅析东雷二期抽黄工程下寨泵站吸水池消涡措施

李存仓，崔耀武

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

各种压力进水口前极易产生漩涡，如泵站进水口、倒虹输水管道进口、水电站进水口等。漩涡的存在特别是吸气漩涡，对工程的结构会产生危害，且漩涡的运动规律很复杂，自由表面漩涡可分为吸气漩涡和不吸气漩涡两大类。按其发展过程可具体分为表面漩丝、表面漩涡、纯水漩涡、挟物漩涡、间歇吸气漩涡、贯通吸气漩涡等。表面漩丝、漩涡(如图1(a)所示)表现为水面轻微凹陷，基本不吸气，对进水管道及机组没有危害；间歇吸气漩涡(如图1(b)所示)水面下凹较深，形成带有尾部的漩涡，间歇性成串气泡带入，对机组有一定的危害性影响，应尽力消除；贯通式漩涡(如图1(c)所示)为贯通连续的空气通道，尾部经常吸气，形成挟气涡流带甚至气囊，进水口后积聚的气囊对流动具有阻滞作用，气囊在低压区会突然膨胀，气囊的存在，使得水力机械部件受力不稳，诱发机械振动，影响机组的安全运行，应严禁这种漩涡的发生。

图1 进水口旋涡分类示意图

不同类型的漩涡对工程的影响是不同的，进水口漩涡的影响体现为：减小进流量，降低流速系数；引起机组或建筑物的振动；降低机组效率；卷吸漂浮物、堵塞或损坏拦污栅等。消除进水口漩涡具有十分重要的现实意义，笔者通过东雷二期抽黄工程下寨泵站吸水池进水流道的改造对消涡措施进行了初步探讨。

1 工程现状

下寨泵站属于东雷二期抽黄灌区三座枢纽站之一，控制灌溉面积80.5万亩，本级灌溉面积11.94万亩。下寨站设计上水面高程435.62 m，设计下水面高程382.35 m，净扬程53.27 m，总扬程60.3 m，灌溉设计流量28.0 m3/s。泵站进水建筑物包括进水扭面、进水闸、开敞流道、分水闸、压力箱涵流道、及吸水池六部分。

下寨泵站更新改造工程于2014年9月开工，2015年1月完成了两台1 200 LW立式蜗壳泵及电动机改造安装，并在当年冬、春、夏灌中投入试运行。经几次试运行，新安装水泵机组仍存在设计水位及最低水位时出现气蚀声，流量衰减、效率较低及机组振动和噪音问题的问题。新安装机组运行时，在水泵吸水池压力箱涵式进水流道口有吸气式漩涡产生，水泵吸水池内水流上下翻滚，水流紊动严重，流态太差，影响到水泵进水管道中水流的稳定性和水泵抽水的稳定性。

2 进水流道改造

下寨泵站进水流道为2.5 m×2.0 m的压力箱涵，压力箱涵出口与吸水池底部连接。由于压力箱涵进口淹没不充分，进口水位在设计水位及以下时，水面不断旋转，常常发生漏斗型汽柱进入箱涵。流入椭圆形吸水池的水体大量掺汽，池内水流上下翻滚，少部分气体排出，仍有大量掺汽水体进入水泵。水流紊动严重，流态太差，影响到水泵进水管道中水流的稳定性和水泵抽水的稳定性，造成水泵汽蚀、振动破坏、噪声超标。根据下寨三级站多年运行经验，水泵必须在流道前高水位(高于设计水位1.0 m)情况下才能正常运行，当进水水位降至设计水位及以下时，压力箱涵进口出现旋涡就难以运行。

进水流道由压力箱涵改为明流箱涵后，流道进口产生吸气旋涡的条件消失了，水流流态发生了变化，进入水泵吸水池的水流速度变小，吸水池中水流液态平稳，有利于水泵机组的平稳运行。

3 CFD数值模拟

3.1 流道改造前CFD数模结论

本次对改造前的进水流道及改造后的进水流道均进行了CFD数值模拟。对改造前进水流道CFD数值模拟后发现，在原压力进水流道前进水池底部存在低流速区。由于进入流道的水体中含有一定量的泥沙，当水挟带的泥沙进入低流速区就会沉积下来，由于泥沙的沉积，压力流道前进水池底板就会逐渐抬高，则压力箱涵进口的淹没水深逐渐减小，进口淹没水深达不到淹没深度要求，压力箱涵进口产生间歇吸气或贯通式旋涡。水流从箱涵进水流道中高速流出，快速的进入道进水管道中，在吸水池内部，底部处于高速流动区，上部处于低速流动区，水流从箱涵式进水流道高速流出后，大部分的流量直接快速进入水泵进水管路中。大量的空气进入到箱涵式进水流道后，在吸水池内部来不及排出气体，便会直接进入到水泵进水管路中，从而进入水泵，引起水泵性能的下降，产生流量衰减等现象。

3.2 流道改造后CFD数模结论

流道改造对进水池及吸水池的结构尺寸均未改变，仅将进水流道由压力篚涵改为明流箱涵。由CFD数模计算可知：压力箱涵改为明流后，进水池中速度较为均匀，底部的低速流动区的范围明显减少，进水池中的泥沙淤积将会明显的缓解。因此由箱涵式引水流道改为明渠引水后，进水池中的泥沙淤积问题也将明显缓解。

4 结语

水利工程中进水建筑物的结构形状、尺寸对水流液态有着较大的影响，特别对泵站吸水池的进水建筑物，必须确保进入吸水池中的水流顺畅、流速均匀、不得产生涡流。对于影响吸水池流态的进水口，应通过CFD数值模拟进行分析验证，合理确定进水口型式。