正向进水泵站前池流态改善模型试验研究

(1.宁波市三江河道管理局，浙江 宁波 315020； 2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092； 3.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098)

1 研究背景

前池是泵站进水建筑物的重要组成部分，泵站前池的布置应满足水流顺畅、流速均匀和池内不得产生涡流的要求[1-2]。实际工程往往因受地形条件限制或进水前池的形状、尺寸设计不合理，容易在池内形成不良流态，造成前池内泥沙淤积、泵站进水水流紊乱，降低装置效率，从而引起机组和泵房的振动等问题[3-5]。为了给泵站提供良好的进水条件，保证泵站能够安全高效运行，国内外学者对泵站前池流态进行了大量的研究[6-8]。徐辉等针对侧向进水泵站前池水流流态的改善问题，概括了当前侧向进水泵站前池整流技术在流动特征、研究方法和整流措施等方面的研究进展[9]；许健等针对某闸站工程前池的流态，通过模型试验探讨了泵站运行过程中前池内水流的流动规律[10]。

化子闸泵站拟建于慈江干流化子闸南侧(右岸)，是慈江上新建3座梯级抽排闸站的中间一级，承担着承上启下的重要功能。泵站规划设计排涝流量为150.0 m3/s，选用了4台流量为37.5 m3/s的竖井贯流泵。工程主要由上游引渠、前池、进水池、泵房段、出水池以及下游出水渠等组成，在平面上成长条状顺序连接。前池连接上游引渠与水泵进水池，采用正向进水形式，前池总长为15 m，底高程由-1.870 m过渡至-5.525 m。进水池长为24 m，底高程为-5.525 m。化子闸泵站为超大流量泵站(单机流量达到37.5 m3/s)，运行时，前池水流条件较一般泵站更为复杂，因此，有必要专门对其加以研究分析，以保证设计科学合理，工程安全有效。本文主要针对化子闸正向进水泵站前池开展了水工模型试验研究。

2 模型试验

2.1 模型比尺

2.2 模型设计与制作

模型范围包括引河、前池、进水池、水泵、上游进水头部以及下游出水尾部等几个主要部分(见图1)。

对模型按照设计图进行正态等比例制作；对河道部分采用断面板法制作，用水泥砂浆抹面；对构筑物部分采用有机玻璃制作，并满足糙率比尺要求。模型制作精度及标准主要是执行《水工(常规)模型实验规程SL155-2012》的有关规定。

模型中所采用的模型泵按流量比尺来模拟流量。试验前，采用直角三角堰对模型泵进行逐台率定，以保证各泵的流量相同。制作的化子闸泵站水工模型如图1所示。

图1 化子闸泵站水工模型Fig.1 Hydraulic model of Huazi pumping station

2.3 试验量测

(1)模型试验中,需要量测水位、流速、流量等相关参数，为此，所采用的量测方法[13]，是根据《水工(常规)模型实验规程SL155-2012》中推荐的量测方法。其中，水位量测采用的是水位测针，其量测精度为±0.1 mm。量测流速采用的是多点自动流速采集系统同步测量。量测水泵流量采用的是双阀控制：一个阀用于控制启闭，另一个阀用于控制流量，每台泵的流量均由直角三角量水堰单独率定。模型水位采用插板式尾门进行调节。

(2)测点、断面布置中，沿泵站中线在泵站的上、下游各设置有2个水位测点，用于控制模型水位以及测量沿程水位的变化情况。模型的上游布置有4条流速流向测量断面，分别位于模型上游进口附近、模型上游的中段、上游的防冲槽处以及泵站的前池(池底水平段中部)，并将其依次编号为1～4号断面。

2.4 试验方案

试验中，根据机组的运行方式(4台机组运行、3台机组运行、双机运行、单机运行)、上游水位(高、中、低水位)不同的组合方式设计出了多种工况进行模型试验。表1给出了4台机组同时运行时的几种工况组合条件。

表1 4机同时运行试验工况组合条件Tab.1 Combination conditions of simultaneous operation test conditions of 4 units running

3 前池流态分析

3.1 原方案前池流态

上游水位较低时，泵站运行条件相对较差。本次试验中，最低上游水位为0.71 m(见表1工况4)，对应的工况为本文试验的最不利工况。现以该工况为主要对象，将试验得到的泵站上游流态的主要特征描述分析如下。

该工况下，试验过程中上游各位置的水流顺畅，无明显不良流态，泵站平面进流条件良好。从图2泵站上游垂线平均流速分布状态可以看出：① 模型进口河段1号断面处，河道顺直，水流平顺，具有较好的来流条件，流速变化范围为1.14～1.23 m/s;河道中部流速较两岸稍大，流速分布较为均匀，有利于上游河道的防护，保持河势稳定。② 模型中段位置2号断面中部的最大流速为1.23 m/s，左侧流速仅约为0.20 m/s。由于新开挖了泵站引渠，河道右侧宽度逐渐外扩，致使河道总宽度增加。泵站运行时，该河段来流主流靠右侧，较为顺直地流向泵站前池；左侧水流在化子闸上游河道内形成了一范围较大、强度很小的回流区域，其中少部分水流受化子闸前水体的顶托，逐渐转向流向前池，且转向顺畅，未由于绕流而在泵站前池进口处的左侧产生明显的不良流态。③ 3号和4号断面数据表明，泵站进水前池平面水流通畅，流向顺直，流速分布较为均匀，3号断面的垂线平均流速变化范围为1.21～1.55 m/s；4号断面的垂线平均流速变化范围为0.48～0.58 m/s，各机组的进流均较为均匀，进流条件良好。

在本试验过程中观测到，泵站前池上游各断面的流速沿垂向分布较为均匀，底、中、表流速方向一致，底部流速稍小。但是在泵站进水前池斜坡及池底水平段存在一定范围及一定程度的回流滞水区域，4号断面上部流速大于下部，底部为反向流速，如图3所示。由泵站上游近中心纵剖面流速分布情况可以看出，实测机组进口处的进流均为正向，表明该回流滞水区未发展至流道内。

图2 泵站上游垂线平均流速分布(4台机组，水位0.71m)Fig.2 Distribution of average vertical velocity in upstream of pumping station(4 units running, water level 0.71m)

在工况1，2，3条件下，泵站上游流态分布状况与工况4条件下的分布状况相似，前池斜坡及池底存在着回流滞水区。同时，由于不同工况下的水位升降变化而使得对应位置的流速相应减小或增加。

综上所述，原方案试验结果表明：化子闸泵站运行时，泵站上游的前池斜坡及底部区域存在着一定程度的回流滞水情况。因此，有必要对原设计方案进行优化调整，以改善泵站的运行条件以及保证工程的安全及效益。

图3 泵站上游近中心纵剖面流速分布(4台机组，水位0.71 m)Fig.3 Velocity distribution of upstream longitudinal section near the crosssection center of pumping station(4 units running, water level 0.71m)

3.2 方案的优化调整

3.2.1优化调整思路与方法

针对上述试验结果，根据水流运动规律[14]进行了分析。分析认为：泵站上游前池斜坡及底部区域存在回流现象的主要原因是由于引渠来流中心线与水泵进口中心线之间存在一定的高差，进水前池长度较短，导致斜坡坡度较大，使来流在垂向扩散不充分，从而产生了壁面分离流动。该回流滞水区的存在，减小了有效过水断面面积，在特殊情况下，可能会干扰到机组流道的进流。因此，本文结合以往工程经验，考虑通过变更进水前池斜坡坡度的方法对设计方案进行调整。

为了加快工作进度，本文利用数学模型便于修改、高效快速的优点[15-17]，采用数值模拟的方法来进行调整方案的初步比选。考虑到泵站前池水流的横向水平尺度要远大于垂向尺度，除侧壁附近以外，其余各纵剖面间的水流运动状态变化不大，具有明显的二维特征，因此选择了立面二维数学模型进行研究。

作为数学模型的初步校准，本文首先以原方案为对象，按照设计尺寸建立了前池中部剖面的立面二维水动力数学模型。数学模型采用四边形结构网格，网格尺度为5 cm。上下游边界条件给定相应的水位或流量特征值，自由水面采用刚盖假定[18-20]。采用所建数学模型对原设计方案的工况4进行了水动力数值模拟，图4给出了该条件下数值模拟所得到的流速分布状况。

图4 原设计方案剖面流速分布Fig.4 Profile velocity distribution of the original scheme

对比图3和图4 可以看出：原设计方案的数值模拟中，确实反映出有回流滞水区的存在，而且其范围与物理模型试验情况吻合，说明该数学模型的数值模拟结果较为准确，能够用于设计方案调整比选的初步研究。

3.2.2前池底坡比选调整方案及效果分析

前池底坡比选方案的设计，以改善泵站前池的进流条件、消除或减小斜坡及池底的回流滞水区为目的，以减小前池斜坡的坡度为目标，共考虑到了以下几种情况。

(1) 比选方案1。将前池清污机平台高程降低1.0 m，由原设计方案的-2.5 m降低为-3.5 m，从而使斜坡坡度从1∶4.00变为1∶5.60。

(2) 比选方案2。将前池斜坡坡脚向下游方向延伸5 m(即将池底水平段缩短为5 m)，从而使斜坡坡度从1∶4.00变为1∶5.43。

(3) 比选方案3。综合比选方案1及比选方案2的情况，将前池清污机平台高程降低1.0 m，由原方案的-2.5 m降低为-3.5 m，将前池斜坡坡脚向下游延伸5 m(即将池底水平段缩短为5 m)，从而使斜坡坡度从1∶4.00变为1∶7.60(见图5)。

图5 比选方案3设计调整(尺寸单位：mm)Fig. 5 Design adjustment of modified scheme 3

研究中，针对比选方案1，2和比选方案3，分别按几何尺寸构造体型，采用与原方案相同尺度的计算网格进行剖分；设定了统一的计算参数，分别进行立面二维水动力数值模拟。

数值模拟研究结果表明：比选方案1，2和比选方案3均可以基本消除原方案条件下的前池中存在的横轴回流现象。但是，比选方案1和比选方案2仍存在一定的低流速滞水区；比选方案3可以更为有效地改善流速的分布状况，并进一步消除滞水区域，改善进流条件。图6给出了比选方案3的水动力数值模拟结果。

图6 比选方案3剖面流速分布Fig.6 Profile velocity distribution of modified scheme 3

3.3 最终方案效果分析

由上述初步分析可知：比选方案3的效果最为理想，在此基础上，按照比选方案3进行了模型改建及重新试验。试验中观测到，泵站前池上游各断面流速沿垂向分布较为均匀，底、中、表流速方向一致，底部流速稍小。原方案中，前池底部进水口前的横轴回流现象已经得到了消除，与数值模拟结果一致。

与原方案相比，最终方案的调整主要位于前池内部，上游河道并未发生变动。因此，上游流态与原方案基本一致，分布规律也大体相同。上游各位置的水流顺畅，无明显的不良流态，泵站平面进流条件良好。

4 结 论

(1) 本文结合化子闸泵站工程实际情况，按照重力相似准则，设计构建了几何比尺1∶20的正态水工模型。原方案试验结果表明，泵站前池斜坡及底部区域存在着一定程度的回流滞水情况。

(2) 本文针对存在的流态问题，提出了调整进水前池斜坡坡度以改善前池水流流态的方案；并采用数值模拟对调整方案进行了比选。根据比选结果，选择出最为理想的调整方案进行模型试验加以验证，有效地解决了流态问题并缩短了试验周期，本研究方法可为类似工程的研究提供参考。

(3) 通过调整前池底坡坡度，原方案中的进水前池底部横轴回流现象得以消除。试验结果表明：最终方案的前池水流流态要优于原方案，说明调整前池底坡坡度对改善水流流态效果较为理想。