(1.寧波市三江河道管理局,浙江 寧波 315020; 2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海 200092; 3.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)
前池是泵站進(jìn)水建筑物的重要組成部分,泵站前池的布置應(yīng)滿足水流順暢、流速均勻和池內(nèi)不得產(chǎn)生渦流的要求[1-2]。實(shí)際工程往往因受地形條件限制或進(jìn)水前池的形狀、尺寸設(shè)計(jì)不合理,容易在池內(nèi)形成不良流態(tài),造成前池內(nèi)泥沙淤積、泵站進(jìn)水水流紊亂,降低裝置效率,從而引起機(jī)組和泵房的振動(dòng)等問(wèn)題[3-5]。為了給泵站提供良好的進(jìn)水條件,保證泵站能夠安全高效運(yùn)行,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泵站前池流態(tài)進(jìn)行了大量的研究[6-8]。徐輝等針對(duì)側(cè)向進(jìn)水泵站前池水流流態(tài)的改善問(wèn)題,概括了當(dāng)前側(cè)向進(jìn)水泵站前池整流技術(shù)在流動(dòng)特征、研究方法和整流措施等方面的研究進(jìn)展[9];許健等針對(duì)某閘站工程前池的流態(tài),通過(guò)模型試驗(yàn)探討了泵站運(yùn)行過(guò)程中前池內(nèi)水流的流動(dòng)規(guī)律[10]。
化子閘泵站擬建于慈江干流化子閘南側(cè)(右岸),是慈江上新建3座梯級(jí)抽排閘站的中間一級(jí),承擔(dān)著承上啟下的重要功能。泵站規(guī)劃設(shè)計(jì)排澇流量為150.0 m3/s,選用了4臺(tái)流量為37.5 m3/s的豎井貫流泵。工程主要由上游引渠、前池、進(jìn)水池、泵房段、出水池以及下游出水渠等組成,在平面上成長(zhǎng)條狀順序連接。前池連接上游引渠與水泵進(jìn)水池,采用正向進(jìn)水形式,前池總長(zhǎng)為15 m,底高程由-1.870 m過(guò)渡至-5.525 m。進(jìn)水池長(zhǎng)為24 m,底高程為-5.525 m。化子閘泵站為超大流量泵站(單機(jī)流量達(dá)到37.5 m3/s),運(yùn)行時(shí),前池水流條件較一般泵站更為復(fù)雜,因此,有必要專門對(duì)其加以研究分析,以保證設(shè)計(jì)科學(xué)合理,工程安全有效。本文主要針對(duì)化子閘正向進(jìn)水泵站前池開(kāi)展了水工模型試驗(yàn)研究。
模型范圍包括引河、前池、進(jìn)水池、水泵、上游進(jìn)水頭部以及下游出水尾部等幾個(gè)主要部分(見(jiàn)圖1)。
對(duì)模型按照設(shè)計(jì)圖進(jìn)行正態(tài)等比例制作;對(duì)河道部分采用斷面板法制作,用水泥砂漿抹面;對(duì)構(gòu)筑物部分采用有機(jī)玻璃制作,并滿足糙率比尺要求。模型制作精度及標(biāo)準(zhǔn)主要是執(zhí)行《水工(常規(guī))模型實(shí)驗(yàn)規(guī)程SL155-2012》的有關(guān)規(guī)定。
模型中所采用的模型泵按流量比尺來(lái)模擬流量。試驗(yàn)前,采用直角三角堰對(duì)模型泵進(jìn)行逐臺(tái)率定,以保證各泵的流量相同。制作的化子閘泵站水工模型如圖1所示。
圖1 化子閘泵站水工模型Fig.1 Hydraulic model of Huazi pumping station
(1)模型試驗(yàn)中,需要量測(cè)水位、流速、流量等相關(guān)參數(shù),為此,所采用的量測(cè)方法[13],是根據(jù)《水工(常規(guī))模型實(shí)驗(yàn)規(guī)程SL155-2012》中推薦的量測(cè)方法。其中,水位量測(cè)采用的是水位測(cè)針,其量測(cè)精度為±0.1 mm。量測(cè)流速采用的是多點(diǎn)自動(dòng)流速采集系統(tǒng)同步測(cè)量。量測(cè)水泵流量采用的是雙閥控制:一個(gè)閥用于控制啟閉,另一個(gè)閥用于控制流量,每臺(tái)泵的流量均由直角三角量水堰單獨(dú)率定。模型水位采用插板式尾門進(jìn)行調(diào)節(jié)。
(2)測(cè)點(diǎn)、斷面布置中,沿泵站中線在泵站的上、下游各設(shè)置有2個(gè)水位測(cè)點(diǎn),用于控制模型水位以及測(cè)量沿程水位的變化情況。模型的上游布置有4條流速流向測(cè)量斷面,分別位于模型上游進(jìn)口附近、模型上游的中段、上游的防沖槽處以及泵站的前池(池底水平段中部),并將其依次編號(hào)為1~4號(hào)斷面。
試驗(yàn)中,根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行方式(4臺(tái)機(jī)組運(yùn)行、3臺(tái)機(jī)組運(yùn)行、雙機(jī)運(yùn)行、單機(jī)運(yùn)行)、上游水位(高、中、低水位)不同的組合方式設(shè)計(jì)出了多種工況進(jìn)行模型試驗(yàn)。表1給出了4臺(tái)機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí)的幾種工況組合條件。
表1 4機(jī)同時(shí)運(yùn)行試驗(yàn)工況組合條件Tab.1 Combination conditions of simultaneous operation test conditions of 4 units running
上游水位較低時(shí),泵站運(yùn)行條件相對(duì)較差。本次試驗(yàn)中,最低上游水位為0.71 m(見(jiàn)表1工況4),對(duì)應(yīng)的工況為本文試驗(yàn)的最不利工況?,F(xiàn)以該工況為主要對(duì)象,將試驗(yàn)得到的泵站上游流態(tài)的主要特征描述分析如下。
該工況下,試驗(yàn)過(guò)程中上游各位置的水流順暢,無(wú)明顯不良流態(tài),泵站平面進(jìn)流條件良好。從圖2泵站上游垂線平均流速分布狀態(tài)可以看出:① 模型進(jìn)口河段1號(hào)斷面處,河道順直,水流平順,具有較好的來(lái)流條件,流速變化范圍為1.14~1.23 m/s;河道中部流速較兩岸稍大,流速分布較為均勻,有利于上游河道的防護(hù),保持河勢(shì)穩(wěn)定。② 模型中段位置2號(hào)斷面中部的最大流速為1.23 m/s,左側(cè)流速僅約為0.20 m/s。由于新開(kāi)挖了泵站引渠,河道右側(cè)寬度逐漸外擴(kuò),致使河道總寬度增加。泵站運(yùn)行時(shí),該河段來(lái)流主流靠右側(cè),較為順直地流向泵站前池;左側(cè)水流在化子閘上游河道內(nèi)形成了一范圍較大、強(qiáng)度很小的回流區(qū)域,其中少部分水流受化子閘前水體的頂托,逐漸轉(zhuǎn)向流向前池,且轉(zhuǎn)向順暢,未由于繞流而在泵站前池進(jìn)口處的左側(cè)產(chǎn)生明顯的不良流態(tài)。③ 3號(hào)和4號(hào)斷面數(shù)據(jù)表明,泵站進(jìn)水前池平面水流通暢,流向順直,流速分布較為均勻,3號(hào)斷面的垂線平均流速變化范圍為1.21~1.55 m/s;4號(hào)斷面的垂線平均流速變化范圍為0.48~0.58 m/s,各機(jī)組的進(jìn)流均較為均勻,進(jìn)流條件良好。
在本試驗(yàn)過(guò)程中觀測(cè)到,泵站前池上游各斷面的流速沿垂向分布較為均勻,底、中、表流速方向一致,底部流速稍小。但是在泵站進(jìn)水前池斜坡及池底水平段存在一定范圍及一定程度的回流滯水區(qū)域,4號(hào)斷面上部流速大于下部,底部為反向流速,如圖3所示。由泵站上游近中心縱剖面流速分布情況可以看出,實(shí)測(cè)機(jī)組進(jìn)口處的進(jìn)流均為正向,表明該回流滯水區(qū)未發(fā)展至流道內(nèi)。
圖2 泵站上游垂線平均流速分布(4臺(tái)機(jī)組,水位0.71m)Fig.2 Distribution of average vertical velocity in upstream of pumping station(4 units running, water level 0.71m)
在工況1,2,3條件下,泵站上游流態(tài)分布狀況與工況4條件下的分布狀況相似,前池斜坡及池底存在著回流滯水區(qū)。同時(shí),由于不同工況下的水位升降變化而使得對(duì)應(yīng)位置的流速相應(yīng)減小或增加。
綜上所述,原方案試驗(yàn)結(jié)果表明:化子閘泵站運(yùn)行時(shí),泵站上游的前池斜坡及底部區(qū)域存在著一定程度的回流滯水情況。因此,有必要對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,以改善泵站的運(yùn)行條件以及保證工程的安全及效益。
圖3 泵站上游近中心縱剖面流速分布(4臺(tái)機(jī)組,水位0.71 m)Fig.3 Velocity distribution of upstream longitudinal section near the crosssection center of pumping station(4 units running, water level 0.71m)
3.2.1優(yōu)化調(diào)整思路與方法
針對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果,根據(jù)水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律[14]進(jìn)行了分析。分析認(rèn)為:泵站上游前池斜坡及底部區(qū)域存在回流現(xiàn)象的主要原因是由于引渠來(lái)流中心線與水泵進(jìn)口中心線之間存在一定的高差,進(jìn)水前池長(zhǎng)度較短,導(dǎo)致斜坡坡度較大,使來(lái)流在垂向擴(kuò)散不充分,從而產(chǎn)生了壁面分離流動(dòng)。該回流滯水區(qū)的存在,減小了有效過(guò)水?dāng)嗝婷娣e,在特殊情況下,可能會(huì)干擾到機(jī)組流道的進(jìn)流。因此,本文結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn),考慮通過(guò)變更進(jìn)水前池斜坡坡度的方法對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整。
為了加快工作進(jìn)度,本文利用數(shù)學(xué)模型便于修改、高效快速的優(yōu)點(diǎn)[15-17],采用數(shù)值模擬的方法來(lái)進(jìn)行調(diào)整方案的初步比選??紤]到泵站前池水流的橫向水平尺度要遠(yuǎn)大于垂向尺度,除側(cè)壁附近以外,其余各縱剖面間的水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化不大,具有明顯的二維特征,因此選擇了立面二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。
作為數(shù)學(xué)模型的初步校準(zhǔn),本文首先以原方案為對(duì)象,按照設(shè)計(jì)尺寸建立了前池中部剖面的立面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,網(wǎng)格尺度為5 cm。上下游邊界條件給定相應(yīng)的水位或流量特征值,自由水面采用剛蓋假定[18-20]。采用所建數(shù)學(xué)模型對(duì)原設(shè)計(jì)方案的工況4進(jìn)行了水動(dòng)力數(shù)值模擬,圖4給出了該條件下數(shù)值模擬所得到的流速分布狀況。
圖4 原設(shè)計(jì)方案剖面流速分布Fig.4 Profile velocity distribution of the original scheme
對(duì)比圖3和圖4 可以看出:原設(shè)計(jì)方案的數(shù)值模擬中,確實(shí)反映出有回流滯水區(qū)的存在,而且其范圍與物理模型試驗(yàn)情況吻合,說(shuō)明該數(shù)學(xué)模型的數(shù)值模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確,能夠用于設(shè)計(jì)方案調(diào)整比選的初步研究。
3.2.2前池底坡比選調(diào)整方案及效果分析
前池底坡比選方案的設(shè)計(jì),以改善泵站前池的進(jìn)流條件、消除或減小斜坡及池底的回流滯水區(qū)為目的,以減小前池斜坡的坡度為目標(biāo),共考慮到了以下幾種情況。
(1) 比選方案1。將前池清污機(jī)平臺(tái)高程降低1.0 m,由原設(shè)計(jì)方案的-2.5 m降低為-3.5 m,從而使斜坡坡度從1∶4.00變?yōu)?∶5.60。
(2) 比選方案2。將前池斜坡坡腳向下游方向延伸5 m(即將池底水平段縮短為5 m),從而使斜坡坡度從1∶4.00變?yōu)?∶5.43。
(3) 比選方案3。綜合比選方案1及比選方案2的情況,將前池清污機(jī)平臺(tái)高程降低1.0 m,由原方案的-2.5 m降低為-3.5 m,將前池斜坡坡腳向下游延伸5 m(即將池底水平段縮短為5 m),從而使斜坡坡度從1∶4.00變?yōu)?∶7.60(見(jiàn)圖5)。
圖5 比選方案3設(shè)計(jì)調(diào)整(尺寸單位:mm)Fig. 5 Design adjustment of modified scheme 3
研究中,針對(duì)比選方案1,2和比選方案3,分別按幾何尺寸構(gòu)造體型,采用與原方案相同尺度的計(jì)算網(wǎng)格進(jìn)行剖分;設(shè)定了統(tǒng)一的計(jì)算參數(shù),分別進(jìn)行立面二維水動(dòng)力數(shù)值模擬。
數(shù)值模擬研究結(jié)果表明:比選方案1,2和比選方案3均可以基本消除原方案條件下的前池中存在的橫軸回流現(xiàn)象。但是,比選方案1和比選方案2仍存在一定的低流速滯水區(qū);比選方案3可以更為有效地改善流速的分布狀況,并進(jìn)一步消除滯水區(qū)域,改善進(jìn)流條件。圖6給出了比選方案3的水動(dòng)力數(shù)值模擬結(jié)果。
圖6 比選方案3剖面流速分布Fig.6 Profile velocity distribution of modified scheme 3
由上述初步分析可知:比選方案3的效果最為理想,在此基礎(chǔ)上,按照比選方案3進(jìn)行了模型改建及重新試驗(yàn)。試驗(yàn)中觀測(cè)到,泵站前池上游各斷面流速沿垂向分布較為均勻,底、中、表流速方向一致,底部流速稍小。原方案中,前池底部進(jìn)水口前的橫軸回流現(xiàn)象已經(jīng)得到了消除,與數(shù)值模擬結(jié)果一致。
與原方案相比,最終方案的調(diào)整主要位于前池內(nèi)部,上游河道并未發(fā)生變動(dòng)。因此,上游流態(tài)與原方案基本一致,分布規(guī)律也大體相同。上游各位置的水流順暢,無(wú)明顯的不良流態(tài),泵站平面進(jìn)流條件良好。
(1) 本文結(jié)合化子閘泵站工程實(shí)際情況,按照重力相似準(zhǔn)則,設(shè)計(jì)構(gòu)建了幾何比尺1∶20的正態(tài)水工模型。原方案試驗(yàn)結(jié)果表明,泵站前池斜坡及底部區(qū)域存在著一定程度的回流滯水情況。
(2) 本文針對(duì)存在的流態(tài)問(wèn)題,提出了調(diào)整進(jìn)水前池斜坡坡度以改善前池水流流態(tài)的方案;并采用數(shù)值模擬對(duì)調(diào)整方案進(jìn)行了比選。根據(jù)比選結(jié)果,選擇出最為理想的調(diào)整方案進(jìn)行模型試驗(yàn)加以驗(yàn)證,有效地解決了流態(tài)問(wèn)題并縮短了試驗(yàn)周期,本研究方法可為類似工程的研究提供參考。
(3) 通過(guò)調(diào)整前池底坡坡度,原方案中的進(jìn)水前池底部橫軸回流現(xiàn)象得以消除。試驗(yàn)結(jié)果表明:最終方案的前池水流流態(tài)要優(yōu)于原方案,說(shuō)明調(diào)整前池底坡坡度對(duì)改善水流流態(tài)效果較為理想。