胡良明，柴端伍

（1．鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州450001；2．中國(guó)電建西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，陜西西安710065）

泵站是跨流域與區(qū)域調(diào)水、農(nóng)業(yè)灌溉與排澇、城市供水與排水等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)設(shè)施；而我國(guó)是世界上泵站數(shù)量最多、規(guī)模最大、類型最豐富的國(guó)家［1］。泵房進(jìn)水流道的流速分布狀態(tài)直接影響泵站的安全及高效運(yùn)行。近年來(lái)國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)泵站的進(jìn)水流道流速分布進(jìn)行了研究，李禮等［2］研究了泵房吸水喇叭口兩種不同的導(dǎo)流阻渦設(shè)施對(duì)其流速分布的影響；高學(xué)平等［3］利用多島遺傳算法研究了不同類型的側(cè)式進(jìn)、出水口體型對(duì)其流速分布不均勻系數(shù)、流量不均勻系數(shù)和總水頭損失系數(shù)的影響；徐磊等［4］研究了豎井式進(jìn)水流道長(zhǎng)度、寬度、高度對(duì)進(jìn)水流道流速分布、流速加權(quán)平均角度及水頭損失的影響；王紫陽(yáng)等［5］研究了加裝整流罩對(duì)泵站進(jìn)水流道出口水流平均偏流角度的影響；葉鵬等［6］研究了進(jìn)水流道不同的后壁形狀對(duì)出口斷面的流速均勻度、流速加權(quán)平均角度的影響；陳松山等［7］研究了30°斜式進(jìn)水流道對(duì)不同橫斷面出口斷面的流速均勻度以及速度加權(quán)平均角度的影響。目前對(duì)泵站進(jìn)水流道堵塞之后在不同水位條件下的流速分布狀況還未進(jìn)行深入的研究，為此，筆者采用物理模型試驗(yàn)手段，研究不同水位條件下進(jìn)水流道板框?yàn)V網(wǎng)完全堵塞之后，對(duì)泵房進(jìn)水流道流速分布的影響，為泵房?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行提供依據(jù)。

1 工程概況

某核電站供水泵房以海水為水源。泵房由兩條對(duì)稱的進(jìn)水流道組成，每條進(jìn)水流道上沿水流方向依次布置板框?yàn)V網(wǎng)、濾網(wǎng)反沖洗泵、海水淡化取水泵、廠用水泵、循環(huán)水泵（以下簡(jiǎn)稱循泵）。泵房進(jìn)水流道物理模型布置見(jiàn)圖1。

本文主要研究在100 a一遇低潮位、平均低潮位、100 a一遇高潮位3種水位條件下泵房進(jìn)水流道單側(cè)完全堵塞時(shí)的流速分布狀況。

圖1 模型平面布置示意（單位：cm）

2 物理模型設(shè)計(jì)

2．1 模型比尺及模擬范圍

根據(jù)國(guó)內(nèi)有關(guān)規(guī)范［8-11］，參照國(guó)外類似試驗(yàn)規(guī)程［12］，模型設(shè)計(jì)以重力相似為主，泵房流道模型選用1∶8的正態(tài)模型，其中循泵、海水淡化水泵、濾網(wǎng)反沖洗水泵、廠用水泵單泵的原型、模型流量見(jiàn)表1，水位見(jiàn)表2。

表1 原型、模型流量換算

表2 原型、模型水位換算 m

模型吸水喇叭口處的雷諾數(shù)：

型韋伯?dāng)?shù)：

式中：D為水泵吸水喇叭口直徑，D＝2．0 m；u為對(duì)應(yīng)吸水喇叭口處平均軸向流速，u＝1．41 m／s；v為水的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，當(dāng)模型水溫約為20℃時(shí)，v＝1．01×10-6m2／s；σ為水的表面張力系數(shù)，σ＝0．072 8 N／m；ρ為水的密度，ρ＝1 000 kg／m3。

由式（1）、式（2）可知模型的雷諾數(shù)、韋伯?dāng)?shù)遠(yuǎn)大于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［8］中提出的Re＞6．0×104、We＞240 的要求。

泵房進(jìn)水流道原型糙率為 0．012～0．014，按比例相應(yīng)的模型流道的糙率為0．008 5～0．009 9，模型采用一級(jí)透明有機(jī)玻璃（糙率為0．008 8）進(jìn)行加工制作，符合糙率要求。

模擬范圍包括：取水隧洞、匯水池、板框?yàn)V網(wǎng)、前池、旋網(wǎng)反沖洗泵、海水淡化水泵、廠用水泵、循泵及其之間的流道。

2．2 測(cè)量設(shè)備

模型循泵流量采用電磁流量計(jì)測(cè)量，測(cè)量誤差＜0．5%，海水淡化水泵、濾網(wǎng)反沖洗水泵、廠用水泵流量采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量，測(cè)量誤差＜1．5% 。渦角采用中國(guó)水利水電科學(xué)研究院研制的旋度計(jì)測(cè)量。流速測(cè)量采用三維超聲多普勒流速儀，測(cè)量誤差范圍為測(cè)量值的±0．5%。模型整體布置見(jiàn)圖2。

圖2 模型整體布置

2．3 流速測(cè)點(diǎn)布置

流速測(cè)點(diǎn)布置在流道循泵吸水管中心線上游1．5D（D為循泵吸水喇叭口直徑）斷面、3D斷面處，每一斷面各布設(shè)5根水平測(cè)線，分別為1、hc（與水泵吸水喇叭口處于同一高度）、2、3、4，每根水平測(cè)線等距布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為 A1、A2、A3、A4，A5，B1、B2、B3、B4、B5（A為1．5D斷面，B為3D斷面）；進(jìn)水池?cái)嗝娴染嗖荚O(shè)7個(gè)水平測(cè)點(diǎn)，分別為 C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7。 測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置示意（單位：cm）

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本試驗(yàn)研究了在3種不同的水位條件下，且進(jìn)水流道取水流量相同，均為2臺(tái)循泵、2臺(tái)廠用水泵（兩條流道各開(kāi)1臺(tái)）、2臺(tái)濾網(wǎng)反沖洗水泵、1臺(tái)海水淡化水泵（只在左側(cè)流道開(kāi)啟）開(kāi)啟的工況下，不同水位對(duì)進(jìn)水流道單側(cè)完全堵塞后的流速分布狀況的影響。

3．1 100 a一遇低潮位流速分布

泵房進(jìn)水流道內(nèi)的控制水位為0．754 m時(shí)，循泵中心線上游1．5D斷面、3D斷面及進(jìn)水池?cái)嗝娲瓜蛄魉俜植挤謩e見(jiàn)圖4、圖5、圖6。

圖4 100 a一遇低潮位1．5D斷面流速分布

圖5 100 a一遇低潮位3D斷面流速分布

圖6 100 a一遇低潮位進(jìn)水池?cái)嗝媪魉俜植?/p>

由圖4、圖5、圖6可以看出，在100 a一遇低潮位時(shí)，若左側(cè)進(jìn)水流道板框?yàn)V網(wǎng)完全堵塞，則左側(cè)進(jìn)水流道1．5D、3D斷面在靠近水面處的流速明顯增大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：左側(cè)進(jìn)水流道板框?yàn)V網(wǎng)堵塞之后與不堵塞時(shí)相比，其進(jìn)水流道寬度減少了一半，其過(guò)流面積減小，故流速增大。進(jìn)水池?cái)嗝嬖谧髠?cè)流道板框?yàn)V網(wǎng)完全堵塞之后，流速由對(duì)稱分布變?yōu)椴粚?duì)稱分布。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：左側(cè)進(jìn)水流道板框?yàn)V網(wǎng)堵塞時(shí)，只有左側(cè)流道開(kāi)啟的一臺(tái)海水淡化水泵對(duì)流速分布產(chǎn)生影響，此時(shí)循泵旋度計(jì)旋轉(zhuǎn)114圈，渦角為8．71°＞ 5°，不能滿足循泵規(guī)范運(yùn)行要求［8］。

3．2 平均低潮位流速分布

進(jìn)水流道內(nèi)的控制水位為0．915 m時(shí)，循泵中心線上游1．5D、3D斷面及進(jìn)水池?cái)嗝娲瓜蛄魉俜植挤謩e見(jiàn)圖 7、圖 8、圖 9。

圖7 平均低潮位1．5D斷面流速分布

圖8 平均低潮位3D斷面流速分布

圖9 平均低潮位進(jìn)水池?cái)嗝媪魉俜植?/p>

由圖7、圖8、圖9可以看出，在平均低潮位時(shí)，若左側(cè)進(jìn)水流道板框?yàn)V網(wǎng)堵塞，則左側(cè)進(jìn)水流道1．5D、3D斷面在靠近水面處的流速增大，但與100 a一遇低潮位相比，增大幅度明顯減小。進(jìn)水池?cái)嗝嬖谧髠?cè)流道板框?yàn)V網(wǎng)堵塞后流速大體呈對(duì)稱分布，與100 a一遇低潮位相比對(duì)稱性明顯增強(qiáng)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：進(jìn)水流道水位升高，過(guò)流面積增大，流速減小，更加有利于進(jìn)水流道的流速分布狀況的調(diào)整。此時(shí)循泵旋度計(jì)旋轉(zhuǎn)27圈，渦角為2．08°＜5°，滿足循泵規(guī)范運(yùn)行要求［9］。

3．3 100 a一遇高潮位流速分布

進(jìn)水流道內(nèi)的控制水位為1．359 m時(shí)，因模型在100 a一遇高潮位時(shí)封堵了1．5D斷面的測(cè)速口，故只測(cè)量了3D斷面與進(jìn)水池?cái)嗝娴牧魉俜植迹?jiàn)圖10、圖11。

由圖10、圖11可以看出，在100 a一遇低潮位時(shí)，若左側(cè)進(jìn)水流道板框?yàn)V網(wǎng)堵塞，與前兩種水位相比，則左側(cè)進(jìn)水流道3D斷面在靠近水面處的流速增大幅度最小，進(jìn)水池?cái)嗝嬖谧髠?cè)流道板框?yàn)V網(wǎng)堵塞后，流速分布對(duì)稱性增強(qiáng)。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：進(jìn)水流道水位最高，過(guò)流面積最大，流速最小，更加有利于進(jìn)水流道的流速分布狀況的調(diào)整。此時(shí)循泵旋度計(jì)旋轉(zhuǎn)11圈，渦角為 0．85°＜ 5°，滿足循泵規(guī)范運(yùn)行的要求［8］。隨著進(jìn)水流道水位的上升，旋度計(jì)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)越來(lái)越小，渦角越來(lái)越小。

3．4 3種水位的水力性能

進(jìn)水流道的水力性能指標(biāo)包括流速分布不均勻度V、流速加權(quán)平均角度θ(［13］，流速不均勻度、流速加權(quán)平均角度理想值分別為1與90°。3種水位下其水力性能特征見(jiàn)表3、表4、表5。

圖10 100 a一遇高潮位3D斷面流速分布

圖11 100 a一遇高潮位進(jìn)水池?cái)嗝媪魉俜植?/p>

表3 100 a一遇低潮位的流速分布特征

表4 平均低潮位的流速分布特征

表5 100 a一遇高潮位的流速分布特征

由表3、表4、表5可以看出，左側(cè)流道板框?yàn)V網(wǎng)完全堵塞后，在100 a一遇低潮位時(shí)，左側(cè)流道1．5D斷面流速不均勻度降低了16．1%，流速加權(quán)平均角度降低了6．7%；3D斷面流速不均勻度降低了30．8%，流速加權(quán)平均角度降低了17．4%；進(jìn)水池?cái)嗝媪魉俨痪鶆蚨冉档土?5．5%，流速加權(quán)平均角度降低了28．8%。在平均低潮位時(shí)，左側(cè)流道1．5D斷面流速不均勻度降低了2．0%，流速加權(quán)平均角度降低了3．3%；3D斷面流速不均勻度降低3．4%，流速加權(quán)平均角度降低了7．4%；進(jìn)水池?cái)嗝媪魉俨痪鶆蚨冉档?0．9%，流速加權(quán)平均角度降低了2．3%。在100 a一遇高潮位時(shí)，堵塞之后3D斷面流速不均勻度降低了1．5%，流速加權(quán)平均角度降低了1．0%；堵塞之后進(jìn)水池?cái)嗝媪魉俨痪鶆蚨冉档土?．3%，流速加權(quán)平均角度降低了2．2%。

4 結(jié) 論

（1）左側(cè)進(jìn)水流道板框?yàn)V網(wǎng)完全堵塞后，在100 a一遇低潮位時(shí)不能滿足循泵運(yùn)行要求，隨著進(jìn)水流道內(nèi)水位上升至平均低潮位或100 a一遇高潮位，均能滿足循環(huán)泵運(yùn)行的要求。

（2）左側(cè)進(jìn)水流道板框?yàn)V網(wǎng)完全堵塞后，進(jìn)水流道水位由100 a一遇低潮位上升到100 a一遇高潮位時(shí)，1．5D、3D以及進(jìn)水池?cái)嗝娴牧魉俜植疾痪鶆蚨取⒘魉偌訖?quán)平均角度，與進(jìn)水流道不堵塞時(shí)相比，下降幅度越來(lái)越小，流速分布狀況得以改善。