考虑运营参数影响下清隆桥泵站进水水流水力特性研究

庄梦如 李 朦 沈 蔚

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005)

1 概 述

泵站作为引、调水工程中的重要载体，其运营可靠性与进、出水流水力特性密切相关[1-2]，如何确保泵站进、出水流安全，是泵站设计不可回避的重要课题。彭远春[3]、潘世虎等[4]为研究泵站结构渗流演化特征，采用了水工物理模型试验方法，按照泵站实际情况建立泵站模型，并在实验室开展不同设计方案下的泵站运营分析，探讨不同设计方案下泵站运营参数的合理性，对工程建设具有一定的参考价值。由于泵站建筑涉及的水工结构较多，一些过流或控流的设施会影响泵站运营安全，徐波等[5]、李蕴升等[6]通过数值计算方法，对泵站的闸门、消能结构以及导流墙等开展了多维度多方案下的对比分析，根据泵站内流速、压强等水力参数对比结果，评价泵站内各部分水工结构设计优化性，极大丰富了泵站设计成果。进水前池是泵站重要组成部分，也是泵站进水的重要通道，胥维纤等[7]、王琪等[8]基于此，开展了泵站进水前池的渗流场计算，分析了前池体型参数、运营参数等对泵站宏观运营条件的影响，提出了泵站前池结构设计合理性方案。本文针对改扩建后清隆桥泵站的单面进水特征，从淹没水深、进水流量两个影响因素入手，分析了进水泵站水力特性与淹没水深、进水流量之间的关联性，为泵站设计运营提供依据。

2 研究方法

2.1 工程概况

清隆桥泵站是淮安城区里运河重要的节制枢纽，控制着京杭大运河淮安段、里运河、淮河入海水道以及二河等地表干流，承担着城区防洪排涝等水利职责，对淮安防洪安全、供水等均有重要作用，该泵站计划扩建，建成后将成为集灌溉供水枢纽、防洪排涝重要蓄洪枢纽、城区水利景观中心枢纽“三枢纽”于一体的综合性水利设施。清隆桥泵站原设计为20年一遇洪水排涝模数4.65m3/(s·km2)，设计抽排流量6m3/s，泵站进、出水池水位分别设计为8.6m、9.5m，共有2台机组，单机设计流量0.6m3/s，配套电机功率110kW。由于清隆桥泵站运营期超过了30年，泵站设施老化较严重，无法有效按照设计标准运营，且部分防渗系统已出现渗漏侵蚀危害，泵站进水池尤为显著。为此，计划对清隆桥泵站进行改扩建(见图1)，改建后采用潜水轴流泵，扬程设计8.5m，共4台机组，单机功率设计270kW，排涝流量设计12.5m3/s，设计中的清隆桥泵站(见图2)增加了两个自流闸室，减少了泵站上游泥沙淤积。相关设计资料表明，扩建后清隆桥泵站将面临里运河、淮河入海水道的进水流量差异化影响，尤其是泵站进水池内流体运动特征差异影响，导致进、出水结构水力运营参数出现变化，影响引、调水效率。

图1 扩建清隆桥泵站平面布置特征

图2 泵站设计平面特征

2.2 设计方法

扩建后清隆桥泵站为单面进水结构，包括进水前池、进水闸室、进水通道以及出水池等部分，前池截面体型参数经多轮方案优化后已确定，长度、宽度、高度分别为35m、22m、11.5m，底板高程较前池运行水位差距4.5m，进水闸室的底板高程于前池底板高程一致，均为18.5m，闸室进水口高度为11.9m。

进水通道采用弧形面体型设计(见图3)，通道长度XL、下游挡水墙距XT分别为9.5m、4.5m，进水通道高度Hj、喉管高度HB、泵机控水高度Hw、弧面影响高度HL分别为2.8m、1.5m、3.2m、1.2m，出口直径D1、喉管进水通道直径DL、湖面圆弧半径R1、喉管下圆弧半径R2分别为1.9m、2.8m、7.8m、5m，喉管最高点距离弧形面影响范围距离BL为0.6m。上述各体型设计参数，是在多轮次水利仿真计算中，经优化后获得的，且每一个进水闸室内均是如此，本文后续研究不改变上述体型设计参数。

图3 弧形面进水通道几何特征

为确保研究结果的可靠性，在开始进行泵站进水通道的水力参数计算前，按照设计方案原型尺寸，进行了物理模型与数值计算的对比，图4(b)为其中单个闸室的单面进水泵站模型。原型试验中，进水前池、闸室以及弧形进水通道截面尺寸按照1∶5进行设定，流量、流速比尺分别为1∶3000、1∶2500，数值计算模型中糙率设定为0.002[9]，在相同进水流量250m3/h工况下，分析进水通道相同截面处的流速特征，结果表明数值计算结果可靠性较强，最大误差不超过1.5%，见图4(b)，精度满足水力参数分析要求[10]。

图4 泵站模型试验与数值计算

为此，采用Gambit-CFD开展单面进水泵站水力参数计算，考虑进水闸室的相似性，仅以其中一个闸室进水通道内水力参数作为分析对象。在图4(a)计算模型中，设定网格划分尺寸，为六面体单元网格，模型边界为10层边界网格，以减少边界网格对模型网格计算结果干扰。根据水力损失与网格数量关系，确定单面进水泵站模型网格数为586382个，进水闸室、进水通道内网格数量占比为82.5%。模型的进、出口均设置为速度边界条件，进水前池、闸室内水面边界条件为压力出口，模型光滑接触面均服从湍流模型流体运动。对应模型研究目的，分别设置有淹没水深与进水流量研究组，淹没水深A组按照进水池底板高程，分别设定为1.2m、1.4m、1.6m、1.8m、2m；进水流量B组分别设定为150m3/h、300m3/h、450m3/h、600m3/h、750m3/h、900m3/h。基于上述两组不同研究方案，分别开展单面进水泵站的水流特性分析，探讨进水水流的流场与涡流特征。

3 不同淹没水深下泵站进水段水力特性

3.1 流态流速特征

为对比单面进水泵站进水通道内水力特征，划分了泵站从进口至出口沿线全断面计算特征点，全断面总长80m，其中进水通道长度15m，各计算点间距设定为4m(见图5)。

图5 淹没水深对断面流速影响变化

由图5可知，在不同淹没水深方案下，全断面流速变化具有相似性，在进水前池、进水闸室以及进水通道三个特征段上，流速分别呈“递增、递减、二次递增”变化特征。在淹没水深1.2m方案时，进水前池段上断面0～28m处流速分布于1.54～2.05m/s，从进水口至进水闸室口断面流速提高了33.2%，平均增幅为4.2%；当处于进水闸室内时，流速处于递减状态，淹没水深1.2m方案下，断面上流速降幅为23.1%，而进水通道上流速再次从1.52m/s增长至1.6m/s。当淹没水深增大至1.8m时，虽进水前池、进水闸室以及进水通道全断面流速变化基本与前者一致，但各特征段上的流速变幅发生较大改变，进水前池流速平均增幅可达12.4%，而进水闸室内断面流速分布于1.3～0.35m/s，进水通道上流速平均提高了36.5%。分析可知，淹没水深不会影响单面进水泵站内断面流速变化趋势，但会改变断面上流速变化，淹没水深越大，断面上流速变幅受约束越显著。

对比淹没水深与流速量值水平关系可知，整体上淹没水深越大，流速越低，此种现象在进水通道特征段上更为明显。在淹没水深1.2m时，泵站全断面平均流速为1.75m/s，其中进水通道上峰值流速为1.6m/s，而淹没水深为1.6m、2m下断面平均流速较前者分别减少了23.3%、52%，进水通道断面上峰值流速相对降低了13.1%、33.9%。整体上看，随淹没水深每增大0.2m，进水通道上峰值流速平均减少了9.8%，全断面平均流速降幅为16.6%。淹没水深增大，会减少非稳态流体，降低突变流线对泵站内稳定渗流的影响。

在流量300m3/h工况下，淹没水深1.6m、2m在进水通道弧形断面处流线梯度明显，而在喉管两侧流体受约束明显，淹没水深2m下流体约束性高于水深1.6m，这也是产生流速量值以及流速变幅差异性的根源(见图6)。当流量为900m3/h时，进水通道弧形断面的流线均较平顺，梯度变化规律性较明显，而在喉管处会形成一定的涡流，不同淹没水深下涡流影响范围有所差异。从流线分布特征可知，淹没水深会改变进水通道流体稳定性，形成差异性漩涡分布，影响宏观流速变化[11]。

图6 进水通道上断面流态对比(左、右两图分别为淹没水深1.2m、1.4m)

3.2 涡量特征

由于单面进水泵站内各水力参数变化主要来自涡旋场变量影响，故基于数值计算数据处理，获得了泵站全断面上涡量变化特征(见图7)。由图7可知，泵站全断面上涡量分布变化也具有一致性，在进水前池、进水闸室及进水通道上，涡量呈“稳定、缓增、陡增”变化态势，最大变幅均集中于进水通道断面，且随淹没水深改变，各方案中断面涡量分布变化仍保持一致性。从各方案具体涡量分布来看，在淹没水深1.2m、1.6m时，进水前池内涡量稳定分布于2911.2s-2、3019.2s-2，而在进水闸室内涡量分别增加21.6%、44.5%，在进水通道断面上，涡量分布陡增明显，总体增幅分别可达52.3%、60.5%。相比之下，淹没水深越大，涡量分布变化幅度越大，淹没水深愈大，各部分水工建筑对水体水力势能影响越弱[12]，即涡旋场分布受抑制作用。

图7 淹没水深对断面涡量影响变化

对比涡量值可知，淹没水深越大，涡量值越高。在淹没水深1.2m、1.4m时，进水通道断面上峰值涡量分别为5453.6s-2、6330.4s-2，而随淹没水深每梯次递增0.2m，进水通道上峰值涡量平均提高了265.8s-2，增幅为4.8%。从增幅分布来看，进水通道上涡量值与淹没水深关系并不是均衡、稳定状态，在淹没水深1.8m后，进水通道上峰值涡量递增变弱，进水通道上涡量值实质上具有“饱和性”，淹没水深1.8m、2m后，峰值涡量均仅有10%左右变幅。分析可知，淹没水深会改变泵站内涡量分布，且以进水通道对影响变化最敏感，但淹没水深超过1.8m后，此种影响效应会逐步减弱。

4 不同进水流量下泵站进水段水力特性

由图8可以看出，不论进水流量是大是小，流线分布密集区均位于喉管进口处，且从左至右，流速梯度递增。当进水流量增大时，虽然流线分布密集区不会发生改变，但峰值流速分布区逐步靠近喉管出口，且峰值流速逐步提高。分析表明，进水流量会“诱发”进水通道流线分布于喉管出口，其中典型代表为峰值流速。

在不同进水流量下，进水通道内涡量分布变化进水通道内涡量分布会引起泵站宏观渗流场变化，在进水通道内划分出计算特征点，各点间距为1.5m，由图9可知，进水通道内涡量分布虽整体为递增变化，但细观上存在增长差异性。以进水流量450m3/h为例，在断面0～3m间增长处于稳定状态，涡量分布于5073.7～5953.9s-2，断面间各特征点平均增幅为8.3%，而断面3～15m间涡量分布具有跳跃性特点，时而递增，如断面6～9m，时而降低，如断面3～6m，具有“波浪式”上升特点。分析可知，泵站进水通道内涡量分布并不是持续性的稳定递增，而是具有波浪式增长特点，即进水通道靠近出口段漩涡场分布具有强、弱分布区[13]。另一方面，进水流量越大，进水通道内涡量值越高，当进水流量为150m3/h时，其峰值涡量为5567.7s-2，在进水流量每梯次变化150m3/h时，其峰值涡量平均提高了25.6%，且在不同流量工况间，增长幅度较为接近，如进水流量为300～450m3/h、750～900m3/h时，峰值涡量的增幅分别为26.4%、25.5%，与平均增幅基本接近。从清隆桥泵站建设方案考虑，进水流量对泵站漩涡场等的影响具有持续性，把握进水流量不超过运营设计值即可，而淹没水深会形成差异性漩涡分布，要控制水深处于合理区间，泵站内淹没水深不能过高或过低。

图9 进水通道内涡量分布变化

5 结 论

在泵站进水前池、进水闸室及进水通道上，流速分别呈“递增、递减、二次递增”变化，随着淹没水深增大，各特征段上流速变幅加大；淹没水深越大，流速越低，随淹没水深每增大0.2m，进水通道上峰值流速平均减少9.8%；进水通道喉管处会形成涡流，不同的淹没水深方案，涡流分布区各有差异；涡量呈“稳定、缓增、陡增”变化，以进水通道断面涡流分布最为显著；淹没水深越大，涡量分布变幅越大，且涡量值越高，但在淹没水深1.8m后，进水通道上涡量分布逐步趋于饱和。不同进水流量下，泵站进水通道上流线分布密集区均位于喉管进口处；进水通道内涡量变化具有“波浪式”上升特点；进水流量越大，进水通道内涡量值越高，且在不同进水流量方案间涡量值增幅较稳定均衡。