泵站大扩散角前池楔形导流墩设置方案优化试验研究

曲振军，邝爱玲

(中国城市建设研究院有限公司，北京 100120)

1 工程背景

某泵站建成于上世纪60年代，是一座大型排灌泵站，对促进灌区农业发展起到了十分重要的作用。历经50多年的运行之后，泵站的病害情况日渐突出，严重影响到其排灌功能的发挥。基于此，当地政府筹措资金，进行泵站的改建工程。按照工程的设计，改建后的泵站设置4台排灌机组，同时采用扩散角为55°的大扩散角前池。前池在泵站设计中的重要作用和价值，一旦出现不良流态，就会造成水泵的进水条件严重恶化，不仅会造成机组的振动和噪声增大，还会缩短其运行的安全稳定性[1]。基于此，本文通过水工模型试验的方式，探讨楔形导流墩的流态改善效果，同时进行设置方案的优化研究，为工程设计和建设提供必要的支持和借鉴。

2 试验装置与方法

2.1 试验装置

泵站前池的水流是具有不可压缩性的黏性液体运动，因此选择模型的相似性准则极为必要[2]。鉴于此次模型试验中的实际工程和模型之间不存在周期性的水流运动，因此并不需要考虑斯特劳哈尔数，由于欧拉数并非独立量，而雷诺数在紊流情况下已经超出一定的界限，其变化不会对试验结果产生明显影响，因此仅需要使模型和原型之间的佛汝德数相等即可[3]。根据有关的研究成果和资料，小尺度的模型可以用于水力试验研究，在此次试验过程中，取模型的比尺为1∶1.5。

模型试验按照背景工程的设计资料进行设计，为了方便研究的进行，试验中设计一个包括引河、前池、进水池、进水管等结构的大扩散角前池模型[4]。整个模型试验系统主要由闸阀、水泵、流量计、水箱以及试验模型段构成。为了获取试验断面的图象，便于观察前池的水流流态，模型的进水池和引渠采用厚度为8 mm的有机玻璃制作。为了防止试验装置产生变形，需要在模型的引渠和进水池上安装固定框架[5]。模型的管道系统可以在垂直平面上形成循环回路，分别使用直径50和100 mm的有机玻璃管和PVC管。试验中在每个泵对应的管道中安装一个电磁流量计测量流量，通过闸阀调节，保证每个泵的流量基本相同。

2.2 试验方法

在试验过程中，水流首先通过水管由水池放至水箱并自流进引渠，利用闸阀控制水泵的流量并汇入总水管。此次试验中，使用可以悬浮在水流表面的悬浮粒子岩石前池表层水流的流态[6]；在模型的底部粘贴丝线演示底层水流流态，以便能够清楚地显示出水流中存在的回旋和漩涡[7]。为了研究和对比不同整流方案对前池进水流态的影响，试验中选择前池的关键断面进行流速的测定。由于试验中流速的测点较多，为了便于安装和试验中的调节，选择LGY-Ⅱ型直读流速仪测量流速[8]。

3 试验结果与分析

由于背景工程的原始设计方案没有采用任何前池整流措施，因此前池的水流流态相对较差。原始设计方案的模型试验结果显示，在上游水流进入前池时出现比较明显的水流集中现象，前池内的水流难以有效扩散，边壁部位出现脱壁水流，并产生较大的漩涡进入进水池[9]。同时，前池的1号和4号进水池前端水流速度较慢，且出现大范围的漩涡区，存在较为明显的偏流现象。如果前池长时间的运行，必然会在漩涡部位产生比较显著的泥沙淤积，使机组的进水条件进一步恶化[2]。基于此，拟在泵站的前池内设置楔形导流墩，并对导流墩的位置、角度和大小等参数的调整，达到改善前池流态的目的。

针对模型试验发现的问题，提出前池整流优化设计方案1：在前池内设置调整水流流态的楔形导流墩，以引导池内高速水流的扩散。导流墩的高度为水深的0.2倍，顶角为55°；底宽为水泵吸水直径D的2.4倍，以引导高速水流的扩散，其设计平面尺寸和布置示意图见图1。对方案1进行模型试验，结果显示导流墩可以发挥出较好的分流作用，水流在引导区分成两股高速水流，并消除了前池两侧的漩涡。根据试验数据计算，获取流速分布均匀度和加权平均角，见表1。由计算结果可以看出，受到楔形导流墩导流作用的影响，1#和4#进水池的断面流速均匀度和流速加权平均角显著增大，但是2#和3#进水池的这两个指标明显减小。由此可见，方案1仍需要进一步的优化。

图1 方案1平面布置示意图

表1 方案1和原方案评价指标计算结果

针对方案1在模型试验中出现的问题，将楔形导流墩的顶角由55°减小到30°，同时减小导流墩的底宽至水泵吸水直径D的1.5倍，其余参数保持不变，获得优化设计方案2，其平面布置示意图见图2。对方案2进行模型试验，根据试验结果计算获取进水池的流速分布均匀度和加权平均角，结果见表2。由试验现象和计算结果可以看出，由于导流墩顶角的减小，有效压缩了进水池进口隔墩部位的底部低流速区，进水条件有所改善。但是，由于顶角的减小造成分流作用的减弱，前池两侧的漩涡与原方案相比没有明显的变化，在1#和4#进水池中仍旧出现了比较严重的偏流现象。从表2的计算结果来看，1#和4#进水池的两个指标有一定的优化，但是并没有显著的改善效果，仍需要进一步的优化改进。

图2 方案2平面布置示意图

表2 方案2评价指标计算结果

针对优化设计方案2存在的问题和不足，将导流墩的顶角由30°扩大至90°，底宽进一步减小到1.2D，其余参数保持不变，得到优化设计方案3，其平面布置示意图见图3。对方案3进行模型试验，根据试验结果计算获取进水池的流速分布均匀度和加权平均角，结果见表3。由试验现象和计算结果可以看出，在该方案下，前池的水流可以较为平顺地进入1#和4#进水池。

图3 方案3平面布置示意图

表3 方案3评价指标计算结果

但是，由于导流墩的尺寸本身偏小，因此边壁部位出现了一定范围的低速区。在2#和3#进水池中，虽然低速区的面积有一定的减小，断面的流速均匀度指标有所提高，但是偏流问题仍旧比较突出。

针对方案3存在的问题，在泵站前池的进口部位对称设置两个楔形导流墩，其水平断面改为直角三角形形状，其中一条直角边平行于水流方向[10]。导流墩的顶角为45°，底宽为水泵进水管直径的1.2倍，得到优化设计方案4，其平面布置示意图见图4。对方案4进行模型试验，根据试验结果计算获取进水池的流速分布均匀度和加权平均角，结果见表4。由计算数据和试验现象可知，该方案可以在不影响中间两个进水池流态的同时，显著压缩前池内漩涡的范围，漩涡区的面积明显缩小，水流可以较为均匀和平顺地进入进水池。由表4中的结果可知，1#和4#进水池的两个指标显著增大，进水池的流态显著改善。但是，该方案的漩涡区并没有被完全消除，表层水流仍旧存在一定的偏流现象，仍未达理想的整流效果。

图4 方案4平面布置示意图

表4 方案4评价指标计算结果

针对方案4存在的问题，将两个导流墩向下游方向平移，距离为进水管直径的2倍，得到优化设计方案5，见图5。利用构建的有限元计算模型，对方案5进行模型试验，根据试验结果计算获取进水池的流速分布均匀度和加权平均角，结果见表5。由表5中的计算数据和试验现象可知，各个进水池的两个指标均有所增加，其中1#和4#进水池增加幅度较大，4个进水池的数据比较接近。水流在进入前池之后，可以在导流墩的引导下快速扩散，较好地贴合在两侧的边壁上，漩涡区完全消失，可以均匀、平顺地进入各个进水池，取得了良好整流效果。

图5 方案5平面布置示意图

表5 方案5评价指标计算结果

4 结 语

在泵站的设计和建设过程中，前池是极为关键的组成部分，合理地设计可以保证水流平顺地进入机组，保证机组的安全、稳定运行。此次研究以某泵站改造工程为例，利用室内试验的方式研究和分析楔形导流墩对前池水流流态改善的作用和价值，并通过对其参数的优化设计，获得最佳设置方案。最终的优化方案可以保证水流平顺地进入前池，保证泵站机组的稳定工作。研究成果表明，对背景工程和相关类似工程的设计建设具有一定的指导和借鉴意义。当然，此次研究没有考虑楔形导流墩高度因素的影响，在今后的研究中需要做进一步分析，以获取更好的设计方案。