非对称式泵站前池流态及整流措施研究

周虹均，任红蕾

(1.安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230088；2.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引言

在泵站工程总体布置时，应结合地形、地质、内外水系及周边相关红线等因素，先根据工程任务和规模选定主要建筑的型式，再考虑各建筑物结构尺寸进行平面布置，必要时对征地移民、环境影响、施工组织、工程投资多方面进行技术经济比较，选择布置合理、效益显著、工程安全、投资较省、运管便利的方案[1-3]。前池作为上游渠道和水泵进水流道的衔接结构，主要功能是调整上游来水，平稳且均匀地扩散到进水流道，保障机组的高效运行。GB 50265—2022《泵站设计标准》规定[4]：泵站前池布置应使水流顺畅、流速均匀、池内不得产生涡流的要求，采用正向进水的开敞式前池扩散角单侧宜小于15°。实际工程受周边环境制约，上游引水渠与泵房轴线呈一定的夹角，采用单侧扩散非对称式布置的前池，将会产生一定的不良流态，形成旋涡回流区，造成前池内泥沙淤积，且因水泵进水口流态紊乱，影响装置运行效率，引起机组和泵房振动。目前，针对上述问题主要通过水工模型试验解决，张雪[5]等根据水流运动相似率和物理模型设计原则，开展了某侧向进水泵站的模型试验，对底坎、导流墙、“Y”型导流墩等多种整流措施整流效果进行比较。近年来，随着计算机技术和数值模拟方法的快速发展，数值分析技术得到了长足进步，基于有限体积法的RNG k-ε紊流模型已成为当前水动力研究的重要分析方法。本文以枞阳县大砥含站为例，先采用规范方法进行建筑物规模设计，再利用二维数值模型对大砥含站运行期进水流态进行模拟，定性定量分析不同导流措施的整流效果。

1 工程概况

原大砥含站为工业园区主要外排泵站，按农排标准设计，设计流量为3.99m3/s。由于现状泵站存在排涝标准较低、运行水位偏高、抽排规模较小、泵站设施陈旧、运行管理方式落后等问题，造成园区洪涝灾害频繁，尤其2016、2020年汛期受灾严重，区内防洪、治涝工程抗灾能力薄弱的问题日趋突出。为有效解决园区的洪涝问题，充分发挥圩内防洪排涝基础设施工程效益，提高入驻企业防洪御涝能力和经营信心，为工业园区的进一步发展打下坚实的基础，对大砥含站进行拆除重建。

大砥含站采用闸站分离堤后式布置，设计抽排流量为21.7m3/s，总装机2700kW，选用6台1200HLB3.81型立式混流泵，效率为86%，配YL630-16型立式异步电动机。泵站主要建筑物包括：引渠衔接段、拦污进水闸、进水前池、站身及压力水箱、控制闸、排涝穿堤出水涵等。引渠衔接段沿泵轴线方向投影长35m，为钢筋砼U型槽，平面呈梯形扩散布置，上下游通过圆弧形同排涝沟矩形槽和进水闸边墩衔接，底部净宽11.0～17.5m，底高程6.20m。进水闸同上游排涝沟中心线距离约8.0m，引渠衔接段与上游大沟中心夹角17°。前池平面上呈直角梯形扩散状，顺水流向长度22.0m，右侧翼墙沿水流向“一”字型布置，左岸翼墙呈29°角度向外扩散，垂直水流净宽17.0～29.4m，池底以斜坡方式与进水池底相连，底板顶面高程6.20～3.10m。进水池平面上呈矩形布置，顺水流向长度15.0m，净宽与站身进水室同宽，为29.4m，底板顶面高程3.10m。泵站平面布置情况如图1所示。

图1 泵站平面布置(单位：m)

2 水力设计

为确定进水闸规模和前池平面尺寸，需进行过流能力和进水池容积计算。

2.1 进水闸过流能力

进水闸闸室结构采用宽顶堰型式，底板高程6.20m，在设计抽排水位8.70m工况条件下，过闸落差取0.1m，过流能力按照高淹没度堰流公式计算。

(1)

式中，Q—过闸流量，m3/s；μ0—淹没堰流的综合流量系数；B0—闸孔总净宽，m；H0—计入行进流速水头的堰上水深，m；hs—自堰顶算起的下游水深，m。

拟定进水闸为3孔5.0m开敞式结构，总净宽15.0m，经计算，进水闸设计过流能力为49.1m3/s，满足设计流量21.7m3/s的要求。

进水闸孔口尺寸除按上述公式核算外，还需根据排涝进水闸清污方式，满足过栅流速要求。考虑机械清污时过栅流速可取0.6～1.0m/s，假定栅格空隙占整个过流断面的65%。经计算，设计水位条件下过栅流速0.89m/s，过流能力满足要求。排涝工况下进水闸过流能力和过栅流速计算结果见表1。

表1 闸下消能防冲计算成果表

2.2 进水池容积

前池平面上呈非对称的直角梯形布置，顺水流向长度22.0m，净宽17.0～29.4m，池底底高程6.20～3.10m；进水池平面上呈矩形布置，顺水流向长度15.0m，净宽与站身进水室同宽，为29.4m，底高程3.10m，抽排前池设计运行水位8.60m，最低运行水位7.60m。

为满足泵站连续正常运行的需要，大砥含站进水池水下容积1984.5m3为设计流量的91倍；另根据刘德明[6]等研究，大中型泵站应复核进水段部分的储水容积，本工程抽排工况下进水前池(含前池)有效容积960.1m3(设计运行水位至最低运行水位容积)为泵站设计流量21.7m3/s的44倍。进水前池平面尺寸合适，满足规范关于秒换系数的要求。

3 整流方案设计

整流措施设计原则：能够引导水流平稳入池，减小水面波动，减少各工况下回流区范围；有效改善池内流态，消除进水池或进水流道口旋涡，保证机组的正常运行；池内流速适中能有效减小泥沙淤积；结构简单，工程量少，便于施工，投资较省等[7-9]。

本工程上游来水经水闸墩墙整流后有明确的主流方向，拟采取以“导”为主的整流方法，即在池内沿水流向布置导流墩或导流墙，分割疏导来流向设计的方向扩散。两种整流方案如图2所示。

图2 泵站前池整流方案示意图(单位：m)

3.1 方案一：“川”字型导流墙

导流墙位于前池斜坡段，顺水流扩散布置，水平投影长8.0m，厚0.5m，底部与前池底板固结，顶部高程7.40m，前端距进水闸4.0m；从右至左编号1#、2#、3#墩，其中1#墩端部与闸墩边墙相距2.0m，3#墩端部与边墙相距1.5m，2#墩与进水闸闸孔中心线对齐，墩身中心线水平夹角分别为171°、170°、160°。

在前池端部设置“川”字形的导流墙，可通过调配流量，调整水流流向，优化池中流态，避免在池内产生回流和涡流等不良水利现象。本工程前池左侧扩散角29°，角度较大，边侧导墙沿3#孔中心线外侧布置，束窄了外侧过流通道，增大断面流速，不仅能避免回流及偏流，还能防止泥沙沉积[10-11]。

3.2 方案二：弧形导流栅

本方案利用导流栅叶栅绕流效应，在进水前池中部均匀布置5道弧形导流栅，栅墙呈流线型布置，各墙间距5.0m，墙体尾部距流道进口处轴线距离10.0m，轴向长度分别为13.6、12.3、11.0、9.6、8.4m，栅墙顶高程7.4m。

在前池弯折段设置导流栅可为入池水流提供转向的离心力，从而有效地抑制弯道内侧水流因扩散效应所引起的脱流。同时导流栅等措施还可以从结构上阻断弯道水流的横向环流，防止断面上的二次回流，抑制前池中的螺旋流动[12]。该类型导流栅几何形状复杂，设计及施工较为复杂，特殊工况下栅后易产生卡门涡街，诱发水泵进口处产生旋涡。

4 数值模拟

4.1 控制方程

数值模拟运用CFD计算软件Fluent作为分析工具。采用RNG k-ε紊流模型进行数值模拟，连续性方程、动量方程、紊动能和耗散率方程如下。

连续性方程：

(2)

动量方程：

(3)

紊动能方程：

(4)

紊动能耗散率方程：

(5)

(6)

式中，ui—速度分量，m/s；ρ—水密度，kg/m3；P—压强，Pa；μ、μt—动力黏度系数、湍动黏度系数，N·s/m2；k—湍动动能，m2/s2；ε—湍动能耗散率，m2/s3；Gk—紊动能的时均速度梯度产生项；σk、σε—湍动能和耗散率对应的普朗特数，取1.00，1.39；Cε1、Cε2—常量，取1.42，1.68。

4.2 网格划分及边界条件

本次数学模型计算范围自进水渠至水泵进水流道，含引渠衔接段、进水闸、前池、进水池，流道，顺水流长约100m。模型主要选用结构化网格，前池扩散段以非结构化网格加密，平均单元尺寸0.25m×0.25m。

模型边界条件主要包括：进水闸为自由出流设定模型进口为流速边界条件；下游出口设置在流道口，采用自由出流条件；边壁为无滑移边界条件。几何模型网格划分及边界条件如图3所示。

图3 几何模型网格划分及边界条件示意图(无整流措施)

4.3 无整流措施

设计工况下，上游总来水流量21.7m3/s，控制泵站各机组同时运行，分流比一致。流速及流线分布如图4所示。

图4 泵站上游侧流速及流线分布图

计算表面，机组运行后，来水经进水闸闸墩导流后能够较为平顺进入前池，但由于边墙单侧扩散，右侧水流能够顺势流入进水池，左侧主流难以有效扩散，边壁部位出现脱壁水流，在前池产生较大的回流区。前池内主流受回流区的压迫明显偏向右侧，左侧进水池进口流态产生偏斜，以最左侧机组(6#机组)最为严重。3#—6#号机组的进水流道区域也存在较为明显的偏流现象，有间歇性的小漩涡出现。

如果前池长时间的运行，会在漩涡部位产生泥沙淤积，使机组的进水条件进一步恶化。针对此类前池的水力学问题，可通过工程措施解决，增设构筑物改善池内复杂的水流流态获取更加稳定的水力条件。

4.4 整流效果分析

流速均匀度是衡量各断面上速度分布情况的重要物理量，采用轴向速度均匀度Vu表示纵断面特征线上轴向速度分布的均匀程度，公式如下：

(7)

设计工况下，进水闸出口及流道进口速度均匀度见表2，两种方案流速及流线分布如图5—6所示。

表2 测流断面流速均匀度

图5 方案一泵站上游侧流速及流线分布图

图6 方案二泵站上游侧流速及流线分布图

计算表明，方案一入池水流经导流墙整流后，一方面在墩墙端部分割下泄，另一方面中心主流被迫转向，向进水池均匀扩散，起到了调整前池各断面流量和前池水流方向的双重作用。前池流态得到明显改善，左侧回流区明显缩小，池内迹线也更为顺直。

方案二，因导流栅导流作用，进水闸出口处流速均匀性有了明显提高，前池左侧回流消失；受栅墙隔流影响，进水池中部边侧水流流速较大，中部导流栅尾部产生旋涡，形成较大回流区并发展到进水流道口，4#、5#机组吸入条件恶劣，该断面流速均匀性最差。

经数值模拟对比分析，本工程在前池上游斜坡段布置“川”字导流墙对前池回流区抑制效果较好，各测流断面流速分布均匀度较大，该方案结构简单，便于施工，是一种较为理想的整流方案。考虑墙体对水流的导向作用，可将导墙上游做成圆弧形墩头，下游作成椭圆弧形墩头。

5 结论

数值分析软件基于CFD技术能够较好地模拟出水流在泵站前池中的流动状态，便于工程前期阶段比较不同整流方案的整流效果，为方案比选提供依据，该分析方法可供类似工程参考。

本工程前池采用单侧扩散非对称式布置，左侧主流难以有效扩散，边壁部位出现脱壁水流，在进水池内产生较大的回流区。进水闸下游侧前池斜坡段设置“川”字型导流墙能有效改善进水池流态，抑制回流范围，使各进水流道流速分布均匀。