陳　偉，孫　瀚，王鐵力，陳立冬

(江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0　引　言

泵站工程是將電能轉(zhuǎn)化為水能進(jìn)行灌溉、供水、排澇以及調(diào)水的綜合性水利工程[1]。水閘是一種既能擋水又能泄水的水工建筑物，通過(guò)閘門(mén)啟閉來(lái)控制水位和流量，以滿(mǎn)足防洪、灌溉、排澇等的需要[2]。在工程實(shí)際運(yùn)用中，受地形條件及工程投資的影響，常常采用泵站和水閘合建的布置方式，以滿(mǎn)足工程運(yùn)用的多種要求。當(dāng)閘站結(jié)合工程布置于堤后時(shí)，需要通過(guò)穿堤涵洞用于排澇時(shí)排水以及灌溉時(shí)引水。泵站前池進(jìn)水方式可分為正向進(jìn)水和側(cè)向進(jìn)水，側(cè)向進(jìn)水前池容易在水泵進(jìn)水池中產(chǎn)生漩渦、回流等不良流態(tài)，對(duì)水泵的安全、穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響[3-5]。本文通過(guò)數(shù)值模擬穿堤涵洞與泵站引水前池不同的連接設(shè)計(jì)下的不同流態(tài)，確定較合理的連接設(shè)計(jì)，以期對(duì)以后同類(lèi)型工程設(shè)計(jì)提供參考。

1　工程概況

泰興市是江蘇省省直管縣級(jí)市之一，屬泰州市行政轄區(qū)。泰興市位于江蘇省中部、長(zhǎng)江下游北岸。

根據(jù)《泰興市治澇規(guī)劃》以江平公路為界，分為高沙土區(qū)和沿江圩區(qū)兩大澇區(qū)。江平公路以西為沿江圩區(qū)，根據(jù)地面高程又可分為兩片，沿江高等級(jí)公路以東地面高程3.5～4.5 m，為沿江地區(qū)與高沙土區(qū)過(guò)渡帶，沿江高等級(jí)公路以西片地面高程為2.0～3.5 m。虹橋鎮(zhèn)位于沿江高等級(jí)公路以西片，由于該區(qū)域地面高程較低，暴雨后極易形成內(nèi)澇。主要存在問(wèn)題如下：

(1)現(xiàn)狀排澇標(biāo)準(zhǔn)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不相適應(yīng)。 隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展，泰興市加快現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)，進(jìn)行農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，發(fā)展高效農(nóng)業(yè)，但區(qū)域治理滯后，澇區(qū)通江口門(mén)外排出路不足，內(nèi)部河道淤積與行水能力下降，現(xiàn)狀排澇標(biāo)準(zhǔn)不足10年一遇，局部洼地不足2年一遇。另外城市快速開(kāi)發(fā)建設(shè)，建成區(qū)面積不斷擴(kuò)大，打亂了現(xiàn)狀的水系，下墊面及工情、水情發(fā)生了變化，原有的排灌的河道、泵站，已不能適應(yīng)全面建成小康社會(huì)和率先基本實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的要求。

(2)沿江圩區(qū)抽排動(dòng)力不足，因洪治澇尤為突出。沿江圩區(qū)地勢(shì)低洼、暴雨后易形成內(nèi)澇，汛期常受臺(tái)風(fēng)、江潮頂托，常引起因洪致澇。由于外排動(dòng)力不足，現(xiàn)有排澇泵站老化失修、帶病運(yùn)行，排澇效益低，區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀泵站排模僅0.36 m3/(s·km2)，排澇標(biāo)準(zhǔn)不足5年一遇。

為了提高虹橋鎮(zhèn)排澇和引水，新建泰興市四橋港閘站工程。泰興市四橋港閘站位于虹橋鎮(zhèn)四橋港與長(zhǎng)江堤防交匯處，閘站的主要功能為排澇，兼顧區(qū)域生態(tài)引水，且預(yù)留自排或自引通道。拆除原泵站，新建閘站，設(shè)計(jì)流量6 m3/s。

2　初始方案與流態(tài)計(jì)算分析

2.1　初始方案設(shè)計(jì)

泵站采用堤后式布置，泵站中心線(xiàn)與大堤垂直。站身布置在內(nèi)河側(cè)，通過(guò)穿堤涵洞與長(zhǎng)江連接。根據(jù)泵站功能要求，站身采用閘站結(jié)合型式。泵站安裝2臺(tái)套機(jī)組，單機(jī)設(shè)計(jì)流量為3.0 m3/s，中間布置閘孔，用于自排和自引。泵站布置閘孔兩側(cè)，用于泵排和泵引。

泵身共一塊底板，底板長(zhǎng)20.1 m，寬14.0 m，邊墩和中墩厚1.0 m，底板底面高程-1.70 m，站身頂部高程根據(jù)長(zhǎng)江側(cè)200年一遇水位確定7.00 m。水泵葉輪中心高程-1.30 m。

泵站采用立式潛水軸流泵機(jī)組配“X”型流道的結(jié)構(gòu)型式。出水管采用拍門(mén)斷流。兩側(cè)泵站出水通過(guò)在墩墻上開(kāi)孔匯入中間閘孔。

閘孔采用胸墻式開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)。為了減小閘門(mén)高度，閘孔底板上設(shè)折線(xiàn)堰，底板面高程為-1.70 m，堰頂高程為-0.7 m。胸墻采用板式胸墻，底高程為2.0 m。

閘站出水通過(guò)穿堤涵洞與長(zhǎng)江側(cè)溝通，設(shè)計(jì)穿堤涵洞引水流量6 m3/s，采用單孔矩形箱涵結(jié)構(gòu)，為減少開(kāi)挖及投資，涵洞與閘孔同寬，孔徑4.0 m×3.0 m(寬×高)，涵洞底板頂面高程-1.7 m，長(zhǎng)29.0 m。結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖1～圖3。

圖1　初始方案閘站平面布置圖(單位:m)Fig.1 The layout of the initial scheme

圖2　初始方案站身縱剖面圖(單位:m)Fig.2 The sectional elevation of the initial scheme

圖3　初始方案水泵層平面圖(單位:m)Fig.3 The pump layout of the initial scheme

2.2　初始方案流態(tài)計(jì)算分析

2.2.1控制方程

隨著近二十多年來(lái)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法(CFD)的迅速發(fā)展和應(yīng)用，許多用于求解三維雷諾平均N-S方程和多種湍流模型方程組的專(zhuān)用軟件應(yīng)運(yùn)而生。本文數(shù)值模擬采用的是目前應(yīng)用廣泛的Fluent軟件。

控制方程采用用連續(xù)方程和Navier-Stokes方程對(duì)湍流的瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述?？紤]到湍流流動(dòng)的脈動(dòng)特性，目前廣泛采用了時(shí)均法，即把湍流運(yùn)動(dòng)看作是時(shí)間平均流動(dòng)和瞬時(shí)脈動(dòng)流動(dòng)的疊加。為了使方程組封閉，還需引入反映湍動(dòng)能的k方程和反映湍動(dòng)能耗散率的ε方程。k-ε模型中以標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型應(yīng)用最廣，試驗(yàn)證明，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)很多三維流動(dòng)都是適用的。對(duì)方程等具體表示形式已有很多文獻(xiàn)[6,7]作了介紹，本文不再贅述。

2.2.2泵站引水工況

(1)邊界條件[8]。計(jì)算流場(chǎng)的進(jìn)口設(shè)置在穿堤涵洞進(jìn)口處，由于涵洞較長(zhǎng)，進(jìn)口斷面認(rèn)為來(lái)流均勻分布。設(shè)計(jì)流量作為已知條件，流場(chǎng)進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件。

計(jì)算流場(chǎng)的出口設(shè)置在站身出口處，出口邊界垂直于水流方向。在這里，流動(dòng)是充分發(fā)展的，可采用自由出流邊界條件。

在計(jì)算流場(chǎng)中，前池底壁、進(jìn)水流道邊壁等，其邊界條件按固壁定律處理。固壁邊界條件的處理對(duì)所有固壁處的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用了無(wú)滑移條件，而對(duì)緊靠固壁處節(jié)點(diǎn)的湍流特性，則應(yīng)用了所謂對(duì)數(shù)式固壁函數(shù)處理之，以減少近固壁區(qū)域的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

前池的表面為自由水面，若忽略水面的風(fēng)所引起的切應(yīng)力及與大氣層的熱交換，則自由面可視為對(duì)稱(chēng)平面處理。

(2)數(shù)值模擬網(wǎng)格。應(yīng)用GAMBIT軟件對(duì)三維流動(dòng)計(jì)算區(qū)域的建模和網(wǎng)格剖分工作，三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的邊界及網(wǎng)格剖分情況見(jiàn)圖4。

圖4　初始方案引水工況計(jì)算邊界及網(wǎng)格剖分Fig.4 Calculation regions and grid drawings of the initial scheme water diversion condition

(3)數(shù)值模擬結(jié)果。在水泵設(shè)計(jì)流量下對(duì)引水工況的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，流場(chǎng)圖見(jiàn)圖5。

由圖5所示的流場(chǎng)圖可以看出，由于涵洞末端與閘孔同寬，泵站進(jìn)水池方式為側(cè)向進(jìn)水，在進(jìn)水池兩側(cè)邊壁產(chǎn)生漩渦，且貼近閘孔邊壁漩渦距離水泵喇叭口較近，不良流態(tài)容易影響水泵安全穩(wěn)定運(yùn)行。閘孔內(nèi)產(chǎn)生漩渦，但對(duì)水泵運(yùn)行無(wú)影響。

圖5　初始方案引水工況流場(chǎng)圖Fig.5 Flow pattern of the initial scheme water diversion condition

2.2.3泵站排澇工況

(1)邊界條件。計(jì)算流場(chǎng)的進(jìn)口設(shè)置在站身出口處，進(jìn)口斷面認(rèn)為來(lái)流均勻分布。設(shè)計(jì)流量作為已知條件，流場(chǎng)進(jìn)口采用速度進(jìn)口邊界條件。

計(jì)算流場(chǎng)的出口設(shè)置在穿堤涵洞進(jìn)口處，出口邊界垂直于水流方向。在這里，流動(dòng)是充分發(fā)展的，可采用自由出流邊界條件。其余設(shè)置同引水工況。

(2)數(shù)值模擬網(wǎng)格。三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的邊界及網(wǎng)格剖分情況見(jiàn)圖6。

(3)數(shù)值模擬結(jié)果。在水泵設(shè)計(jì)流量下對(duì)排澇工況的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，流場(chǎng)圖見(jiàn)圖7。

由圖7所示的流場(chǎng)圖可以看出，由于排澇工況下泵站進(jìn)水池方式為正向進(jìn)水，在進(jìn)水池內(nèi)無(wú)漩渦等不良流態(tài)，水泵可以安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3　改進(jìn)方案與流態(tài)計(jì)算分析

3.1　改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

初始方案計(jì)算結(jié)果顯示：在泵站引水工況時(shí)，泵站進(jìn)水池內(nèi)產(chǎn)生漩渦等不良流態(tài)。需對(duì)方案進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)方案為在原涵洞與閘站之間增加一節(jié)過(guò)渡段，過(guò)渡段洞寬由穿堤涵洞洞寬漸變到閘站站身寬度。改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)圖8～圖10。

圖6　初始方案排澇工況計(jì)算邊界及網(wǎng)格剖分Fig.6 Calculation regions and grid drawings of the initial scheme drainage condition

圖7　初始方案排澇工況流場(chǎng)圖Fig.7 Flow pattern of the initial scheme drainage condition

圖8　改進(jìn)方案閘站平面布置圖(單位：m)Fig.8 The layout of the improvement scheme

3.2　改進(jìn)方案流態(tài)計(jì)算分析

3.2.1泵站引水工況

(1)數(shù)值模擬網(wǎng)格。三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的邊界及網(wǎng)格剖分情況見(jiàn)圖11。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果。在水泵設(shè)計(jì)流量下對(duì)引水工況的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，流場(chǎng)圖見(jiàn)圖12。

由圖12所示的流場(chǎng)圖可以看出，由于增加了一節(jié)過(guò)渡段，泵站進(jìn)水池內(nèi)流態(tài)較初始方案明顯改善，無(wú)漩渦等不良流態(tài)，水泵可以安全穩(wěn)定運(yùn)行。閘孔內(nèi)與初始方案相同產(chǎn)生漩渦，但對(duì)水泵運(yùn)行無(wú)影響。

3.2.2泵站排澇工況

(1)數(shù)值模擬網(wǎng)格。三維流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算的邊界及網(wǎng)格剖分情況見(jiàn)圖13。

(2)數(shù)值模擬結(jié)果。在水泵設(shè)計(jì)流量下對(duì)排澇工況的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，流場(chǎng)圖見(jiàn)圖14。

由圖14所示的流場(chǎng)圖可以看出，排澇工況下泵站進(jìn)水池方式為正向進(jìn)水，在進(jìn)水池內(nèi)無(wú)漩渦等不良流態(tài)，水泵可以安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4　結(jié)　論

本文通過(guò)對(duì)穿堤涵洞與閘站進(jìn)水池兩種連接方式下進(jìn)水池內(nèi)流態(tài)的數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

(1)初始方案穿堤涵洞與泵站進(jìn)水池連接形成側(cè)向進(jìn)水時(shí)，進(jìn)水池內(nèi)產(chǎn)生漩渦等不良流態(tài)，影響水泵安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖9　改進(jìn)方案站身縱剖面圖(單位：m)Fig.9 The sectional elevation of the improvement scheme

圖10　改進(jìn)方案水泵層平面圖(單位：m)Fig.10 The pump layout of the improvement scheme　　(2)改進(jìn)方案通過(guò)增加過(guò)渡段，改變了穿堤涵洞與進(jìn)水池的連接方式，形成正向進(jìn)水，進(jìn)水池內(nèi)無(wú)漩渦等不良流態(tài)，可以確保水泵安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖11　改進(jìn)方案引水工況計(jì)算邊界及網(wǎng)格剖分Fig.11 Calculation regions and grid drawings of the improvement scheme water diversion condition

圖12　改進(jìn)方案引水工況流場(chǎng)圖Fig.12 Flow pattern of the improvement scheme water diversion condition

圖13　改進(jìn)方案排澇工況計(jì)算邊界及網(wǎng)格剖分Fig.13 Calculation regions and grid drawings of the improvement scheme drainage condition

圖14　改進(jìn)方案排澇工況流場(chǎng)圖Fig.14 Flow pattern of the improvement scheme drainage condition

(3)通過(guò)初始方案與改進(jìn)方案的對(duì)比，在今后的類(lèi)似工程中應(yīng)盡量避免泵站進(jìn)水池采用側(cè)向進(jìn)水方式。

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