水利工程泵站结构设计及流道优化设计研究

杨彬

摘 要 泵站结构设计需考虑多方面影响因素，结合施工及使用运行情况，注重把握关键问题。此外，应注意对流道加以优化，实现水利工程综合作用。

关键词 水利工程;泵站结构设计;流道优化设计

引言

河洪泛滥严重影响到沿岸居民的生活、河道通航及沿线城镇经济发展，因此，需要通常采用新建水利枢纽工程对河道进行整治。常用的河道治理工程措施包括：堤防、大坝、泵站等。针对城镇发展情况，以及水路运输需要，可修建船闸以改善通航条件。

1泵站结构设计原则

一是，泵站结构设计要坚持适当原则，泵站结构设计应该满足当前的工程实际和施工技术水平，以此来确保泵站结构设计的可行性，要尽量控制泵站结构的合理性，受力的明确性，真正实现泵站结构设计的安全与经济等目标。二是，泵站结构设计要坚持安全原则，在泵站结构设计中要通盘考虑地基的稳定性、土壤性质，避免出现泵站结构施工中大量挖掘和填埋，在妥善利用地形地利的情况下，做到泵站结构的安全。三是，泵站结构设计要坚持优化选型原则，要通过泵站结构设计工作来控制整个泵站的结构尺寸，减少泵站结构出现过多的裂缝影响结构功能，同时提高泵站结构对震动、温差、负荷的抵抗能力，确保泵站结构的强度。四是，泵站结构设计要坚持经济性原则，泵站结构设计过程中应该结合施工当地的特点，采用因地制宜的措施与方法，控制泵站结构建设的成本，例如：在泵站结构设计中要注意到材料的选择，通过就地取材来降低泵站结构的建设造价，从成本上进行深入的控制和合理的设计[1]。

2水利工程泵站结构设计策略

设计工作中应根据泵站混凝土结构的特点做好各方面的处理和强化，做到对腐蚀作用的有效防治。一方面要做好泵站混凝土结构溶解性腐蚀的防治设计，要在设计中控制混凝土pH值，避免在pH值超标而出现腐蚀性离子的溶解，预防泵站混凝土结构外部的“泛硷”，控制腐蚀性离子对钢筋、混凝土结构的腐蚀，确保泵站混凝土结构的强度与耐久性。另一方面要做好泵站混凝土结构周围土壤腐蚀的防治设计，在设计中根据土壤中存在的硫酸根、碳酸根、氯酸根离子的特点，采用化学防护和物理保护相结合的措施，确保混凝土结构的性能，控制钢筋腐蚀的速度，做到从设计的角度实现泵站混凝土结构的高抗腐蚀性能。此外，在设计中可以应用防腐涂料来对抗混凝土腐蚀问题，例如：可以在设计中增加喷涂防腐涂料——环氧粉末，以此来达到提高泵站混凝土结构的抗渗性和防腐性，使泵站混凝土结构对盐碱、水分、二氧化碳等腐蚀性物质的抵御能力大幅度提升，做到对混凝土结构的保证，进而从设计的角度提高了泵站结构抗腐蚀性能。最后，在设计中还可以通过规范施工技术来做到对防腐蚀性能的提升，例如规范施工环境，加强混凝土表面等方式都可以实现对腐蚀的有效防治[2]。

3水利工程流道优化设计策略

（1）进水流道优化。在进水流道，水体的流速在不同断面会发生变化，不同断面的流速分布存在不均性。在弯道，水流由于受到惯性与离心力的共同作用，内侧流速要高于外侧，到达直线断面时，流速经过调整会重新分布。在直线上升段，水流由于在平面方向发生扩散，流速会降低，流速分布进一步得到调整。在流道进口处，如果处于弯曲段，水流会受到惯性的影响，因此水流在直线上升段的流速要高于下部。在驼峰区域，为提升水流的挟气能力，降低虹吸发生时间，可以借助优化增加流速，进一步调整直线上升段。在驼峰的入口处，要保证断面处的流速分布均匀。设计中还要考虑到流体经过驼峰断面，存在离心力作用，中下部流速要高于上部。由于在流道的下降区域，水体惯性与边壁发生的共同作用，流道内外侧水体流速要高于内侧水体，流速处于平缓变化中，很少发生旋涡或脱流现象。泵站投入运行后，水流要从引渠流入到前池，经进水流道到达叶轮室，在设计时要考虑到边界条件，分析位置是否合适。进口边界条件的速度优化可以适用于不可压缩流体，在设计时要注意不要让速度受到影响。因此，要避免进口处存在流体的影响，将流体流速分布情况加以优化。借助计算分析流道的边界条件，借助模型分析水流道数值的变化，优化流场的进口断面，前池距离进水流道的进口要足够远。流道进口如果与水流方向相垂直，可以认为流速在断面分布均匀，流量计算要结合进口边界，可以将进口速度作为边界条件。为准确计算上出口的边界条件，优化中要结合流场，对沿出流方向进水流道出口直径加以延长，以保证流动性充分扩展，自由流边界条件得以满足。在优化流场中，计算可将进水前池的底壁、边壁看作固壁，边界条件可结合固壁定律加以处理，固壁存在的边界条件要对各个固壁处的节点采用无滑移条件优化。优化还要结合紧靠固壁区域的节点缩流，对固壁函数加以优化处理，以降低近固壁区域节点数量。进水池表面由于为自由水面，可以忽略水面存在的切应力，对于端流动能与自由面的速度采用对称平面处理优化。

（2）出水流道邊界条件优化。为了准确测定进口存在的边界条件，针对出水流道的优化计算可以借助流场的变化，将出水流道在进口处的断面沿逆水流方向加以等直径延伸。流场进口断面计算可以采用距离圆管直径2倍的地方流道。水流速的计算视为均匀分布。计算中将流量作为已知条件，计算流场进口边界条件，研究进口速度是否可以满足边界条件。计算出水流道的流场，出口界断面的选择为垂直于水流方向，设置在距离出水流道出口处水流平稳的区域，针对水流方向的优化以保证水流动的充分性，可以借助自由出流边界条件。针对流场的计算，还要结合出水池底壁、流道远壁及导叶出口的边壁等因素。对于边界条件的处理可以依据固壁定律。针对固壁边界的处理是对固壁处的节点加以优化，以保证无滑移条件。

4结束语

泵房结构设计，要全面分析参数指标，结合受力条件对结构加以优化设计，设计方案的优化对于泵房后期的运行发挥着关键作用。此外，针对流道也要加以优化，各个影响系数加以分析，确保结构设计方案的合理性。

参考文献

[1] 黄良勇，吴忠，张啸，等.大型双向流道泵装置优化匹配与试验研究[J].灌溉机械工程学报，2016（7）：602-607.

[2] 喻弼群，邱安萍.大型泵房设计与运行的回顾及探讨[J].城市公用事业，2018（6）：13-14.