朱 萱，蔣 婉

(江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223005)

泵站作為水利樞紐工程中重要引水、調(diào)水設(shè)施[1- 2]，其動(dòng)力運(yùn)營(yíng)可靠性與水利流量、水力參數(shù)有關(guān)[3- 4]，但也與泵站工程的泥沙淤積、動(dòng)水沖刷等密切相關(guān)[5]。因而，研究泵站設(shè)計(jì)，需要考慮三維流場(chǎng)，也需考慮其水沙演變特性。陳洋[6]、王鐵力等[7]、秦鐘建等[8]供、調(diào)水模型建設(shè)角度考慮，設(shè)計(jì)開(kāi)展了泵站室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析了清水、渾水等工況下泵站運(yùn)行現(xiàn)狀，探討了不同因素對(duì)泵站運(yùn)營(yíng)效率影響，特別是對(duì)泵站進(jìn)、出水池的泥沙淤積影響。當(dāng)然，泥沙淤積是威脅泵站運(yùn)行的較大不穩(wěn)定因素，蘇正洋等[9]、徐存東等[10]針對(duì)防泥沙淤積等技術(shù)開(kāi)展了分析，如設(shè)計(jì)開(kāi)展了挑流底坎、導(dǎo)流墩、壓水板等多種構(gòu)造措施，為泵站設(shè)計(jì)、改造及運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)依據(jù)。泵站不穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)很大程度上與其三維流場(chǎng)影響有關(guān)，因而吳阮彬[11]、梁巧茵等[12]、劉菊蓮[13]采用MIKE 21、Flow 3D、Fluent等流場(chǎng)計(jì)算方法，開(kāi)展了泵站運(yùn)行工況下池內(nèi)流場(chǎng)影響特征分析，研究了泵站內(nèi)流速分布、矢量特征及泥沙含量等，為工程建設(shè)提供了參照。本文為探討淮沭新河上游二河水庫(kù)引水泵站的改造升級(jí)，采用三維流場(chǎng)計(jì)算方法，開(kāi)展了泵站前池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化下流場(chǎng)及水沙演變特征分析，為工程改造升級(jí)提供依據(jù)。

1 工程建模分析

1.1 工程概況

淮沭新河乃是蘇北地區(qū)重要人工灌溉、供水、防洪排澇的水利通道，其依靠上游洪澤湖二河水庫(kù)多座梯級(jí)水閘調(diào)控，確保下游新河輸水干渠、引水道等支渠輸水安全。二河水庫(kù)具備防洪、引水、泄流等多方面水利功能，總庫(kù)容為1800萬(wàn)m3，其與下游淮沭新河各水利設(shè)施的布設(shè)平面如圖1所示。

圖1 水庫(kù)溢洪道平面布置

下游引水泵站為二河水庫(kù)發(fā)揮灌溉水利功能的重要載體，其設(shè)計(jì)流量為36m3/s，而該設(shè)計(jì)流量能否達(dá)標(biāo)很大程度上依賴(lài)于上游溢洪道的泄流消能，設(shè)計(jì)揚(yáng)程為3.02～6.5m，配置6臺(tái)運(yùn)營(yíng)泵機(jī)，年輸水量超過(guò)1000萬(wàn)m3。

通過(guò)分析新河上游引水泵站工程水力特性發(fā)現(xiàn)，由于上游挾沙水流影響下，泵站出渠段水流仍具備一定紊動(dòng)能，且由于運(yùn)營(yíng)年限及溢洪道控流等因素，導(dǎo)致進(jìn)水段及前池等區(qū)段泥沙淤積嚴(yán)重，監(jiān)控最大含沙量可達(dá)6.5kg/m3，其運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀如圖2所示。

圖2 泵站運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀泥沙淤積嚴(yán)重

為此，管理部門(mén)考慮對(duì)該泵站樞紐開(kāi)展維護(hù)改造，確保進(jìn)入下游新河水位滿足運(yùn)營(yíng)要求。

1.2 建模分析

為改善該泵站泥沙淤積現(xiàn)狀，本文以泵站前池為改造設(shè)計(jì)研究對(duì)象。采用UG建模平臺(tái)建立泵站前池結(jié)構(gòu)幾何模型，包括前池、進(jìn)水池、泵閘及出水通道等模塊，全軸長(zhǎng)距離為15m，泵站前池現(xiàn)狀設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 泵站前池現(xiàn)狀設(shè)計(jì)方案

為解決泵站前池泥沙淤積問(wèn)題，計(jì)劃在前池進(jìn)水通道與導(dǎo)流池設(shè)置人工分隔，減少泵機(jī)受泥沙卷積影響，基于進(jìn)水通道底面坡度設(shè)定的2種分隔墩方案如圖4所示。

圖4 改造升級(jí)后2種前池方案

A、B 2種方案的底面斜坡坡度有所差異，分別為1/5、1/6

根據(jù)改造設(shè)計(jì)方案，采用Fluent三維流場(chǎng)模擬平臺(tái)對(duì)各泵站前池方案進(jìn)行網(wǎng)格離散化[13]，獲得各設(shè)計(jì)方案的計(jì)算模型，如圖5所示。

圖5 計(jì)算模型

基于泵站水頭損失平衡性，泵站前池原設(shè)計(jì)方案共有網(wǎng)格單元362864個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)338247個(gè)，而前池改進(jìn)A方案網(wǎng)格單元、節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為428614個(gè)、382946個(gè)，而B(niǎo)方案有微單元體386795個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)364729個(gè)。計(jì)算模型均采用四面體本構(gòu)微單元。

模型計(jì)算工況設(shè)定為上游溢洪道泄流量100m3/s，引水流量設(shè)定為300m3/s，將6臺(tái)泵機(jī)中的1臺(tái)設(shè)置為備用機(jī)，其余5臺(tái)泵機(jī)按照設(shè)計(jì)功率運(yùn)行，單臺(tái)機(jī)組工作流量為60m3/s。模型輸入端按照三相場(chǎng)設(shè)定，出口考慮液相狀態(tài)，為流速邊界條件；泥沙中值粒徑為0.06mm，輸入挾沙水流含沙量為5kg/m3。基于上述工況，計(jì)算分析各方案泵站前池內(nèi)三維流場(chǎng)及水沙演變特征，為該泵站設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參照。

2 流場(chǎng)影響特征分析

2.1 流速特征

改造設(shè)計(jì)泵站前池結(jié)構(gòu)，模擬計(jì)算了前池內(nèi)三維流場(chǎng)特征，泵站前池3個(gè)設(shè)計(jì)方案的各斷面流速變化特征如圖6所示。

圖6 各方案前池沿程斷面流速特征

由圖6可知，原方案流速水平最低，泵站前池結(jié)構(gòu)改造升級(jí)后流速水平均高于原方案，如在特征斷面4m處原方案流速為0.43m/s，而改造升級(jí)后的A、B方案同斷面流速較前者分別增長(zhǎng)了67.6%、91.4%；由前池各斷面平均流速也可看出，在原方案中為0.41m/s，而A、B方案平均流速較之分別增長(zhǎng)了51.2%、104.9%，而從前池結(jié)構(gòu)整體斷面流速對(duì)比來(lái)看，A、B方案流速較之原方案的增幅分別為28.6%～73.8%、83.7%～129.3%。分析認(rèn)為，增設(shè)前池進(jìn)水通道斜坡及分隔墩后，可減少泵機(jī)間的動(dòng)水沖擊及水力勢(shì)能的耗散功，因而水流動(dòng)水勢(shì)能增大，流速水平提高，利于前池結(jié)構(gòu)排沙、沖沙。另一方面，從流速變化特征來(lái)看，原方案峰、谷流速分別位于斷面8.5、10m處，而在改造升級(jí)后A、B方案的峰值流速所在斷面均得到提前，分別位于斷面4、7m處，而谷值流速分別位于斷面10、13m處；相比原方案，改造升級(jí)后方案峰、谷流速所在斷面距離加大了，具有較大的緩沖區(qū)段，對(duì)水流沖沙排淤具有正面作用[14- 15]。同時(shí)，原方案流速水平整體較低，因而流速波幅不大，但改造升級(jí)后A方案具有顯著流速波幅階段，位于斷面4～10m處，最大波幅達(dá)16.2%，該區(qū)段內(nèi)易產(chǎn)生渦旋、紊流等，造成前池內(nèi)水力沖刷過(guò)大，影響結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)壽命，但在斜坡坡度減小后，B方案整體流速波幅接近原方案，且流速水平維持在較高狀態(tài)，最大波幅不超過(guò)8%。綜合流速影響分析，前池內(nèi)流場(chǎng)一方面需考慮流速量值水平，但不可忽視其穩(wěn)定性，綜合分析以B方案運(yùn)營(yíng)優(yōu)勢(shì)最大。

2.2 壓強(qiáng)特征

改造升級(jí)前池后池內(nèi)壓強(qiáng)變化特征如圖7所示。

圖7 各方案前池沿程斷面壓強(qiáng)特征

分析可知，與流速變化類(lèi)似，A、B方案壓強(qiáng)均高于原方案，且增幅分布分別為35.6%～122.4%、55.9%～101.9%，表明改造升級(jí)后前池內(nèi)壓強(qiáng)活動(dòng)增大，對(duì)挾沙水流的控制、降沙更有利。從壓強(qiáng)變化特征來(lái)看，原方案中壓強(qiáng)呈先增后減變化，且第一階段的增幅相比較緩，位于斷面1～8.5m內(nèi)，各斷面間壓強(qiáng)平均增幅為7.1%，而在斷面8.5m后出現(xiàn)壓強(qiáng)降低段，整體降幅約為18.1%，平均降幅為4.8%。相比原方案，改造后的A、B方案壓強(qiáng)均為遞增變化，全斷面上分別具有平均增幅3.3%、7.3%，即以B方案壓強(qiáng)變化受前池?cái)嗝婢嚯x影響敏感度更高；同時(shí)，2個(gè)改造方案間增幅也有差異，A方案全過(guò)程增幅具有“快增-緩增”2個(gè)階段，其中第一階段位于斷面1～10m處，平均增幅為5.4%，該階段內(nèi)水力活動(dòng)較活躍，但超過(guò)斷面10m后，受限于進(jìn)水通道坡度因素，其壓強(qiáng)增幅變緩，甚至在斷面11.5m后低于B方案壓強(qiáng)值。分析認(rèn)為，進(jìn)水通道坡度的限制會(huì)對(duì)泵機(jī)有效提水、增強(qiáng)動(dòng)水勢(shì)能產(chǎn)生影響，特別是在接近前池渠尾處；合理的斜坡坡度，可控制靜水壓強(qiáng)穩(wěn)定增幅，全斷面水力活動(dòng)穩(wěn)定，易于泵機(jī)長(zhǎng)期常態(tài)化運(yùn)營(yíng)。

3 水沙演變特征分析

泥沙淤積狀態(tài)乃是泵站前池改造升級(jí)效果的體現(xiàn)，本文基于Fluent二相場(chǎng)水沙模擬，獲得不同運(yùn)營(yíng)期內(nèi)3個(gè)方案前池內(nèi)含沙量變化特征，如圖8所示。

圖8 泵站前池內(nèi)含沙量變化特征

觀測(cè)含沙量變化可知，運(yùn)營(yíng)期與含沙量具有正相關(guān)變化特性；在原方案中，運(yùn)營(yíng)期100d下斷面1.5m處含沙量為1.18kg/m3，而運(yùn)營(yíng)期為400d、1000d下該斷面含沙量分別增大了58.4%、2倍，整體來(lái)看每梯次運(yùn)營(yíng)期300d的增幅，可引起該斷面含沙量增長(zhǎng)44.7%。從整體變幅來(lái)看，每梯次300d的運(yùn)營(yíng)期下，原方案斷面含沙量的平均增幅為43.3%，而改造升級(jí)的A、B方案下的平均增幅分別為38.5%、32.5%，由此可知，改造升級(jí)后的方案斷面含沙量受運(yùn)營(yíng)期影響弱于原方案，且以B方案在長(zhǎng)久運(yùn)營(yíng)期的排沙、降沙效果最顯著。從相同運(yùn)營(yíng)期的含沙量變化對(duì)比來(lái)看，B方案中斷面含沙量水平最低，在運(yùn)營(yíng)期400d時(shí)，其含沙量分布為0.7～1.86kg/m3，與A方案、原方案的差幅分布為32%～46%、50%～61%，特別在運(yùn)營(yíng)期增大，B方案與其他2個(gè)方案含沙量差幅增大，在運(yùn)營(yíng)期1000d時(shí)差幅分布為37.8%～49.5%、53.6%～78.6%。分析含沙量在斷面演變過(guò)程可知，原方案中增幅最顯著，在100d、700d時(shí)各斷面間含沙量增幅分別達(dá)12.1%、8.6%，而A、B方案在運(yùn)營(yíng)期700d增幅分別為5.9%、4.7%。另一方面，原方案含沙量在沿程斷面增幅具有2個(gè)階段特征，且該現(xiàn)象隨運(yùn)營(yíng)期增大更顯著，臨界斷面為7.5m處，在該斷面上游區(qū)段內(nèi)，含沙量的增幅相比較緩，但超過(guò)該斷面后增幅快速增長(zhǎng)。從前池結(jié)構(gòu)改造效果來(lái)看，A、B方案對(duì)含沙量的限制效果較佳，有助于減少前池泥沙淤積及泵站泥沙沖刷損耗[16- 17]。

4 結(jié)論

(1)改造升級(jí)后前池?cái)嗝媪魉倬哂谠桨?，改造后A、B方案平均流速較原方案分別增長(zhǎng)了51.2%、104.9%；改造后方案峰、谷流速所在位置間距加大；A方案流速具有波幅段，B方案整體波幅較小，且流速水平整體較高。

(2)改造方案前池壓強(qiáng)高于原方案；原方案池內(nèi)壓強(qiáng)在斷面8.5m處產(chǎn)生增、減轉(zhuǎn)變，改造方案壓強(qiáng)均為遞增，但A方案的增幅分為快、慢2個(gè)階段特征，在斷面11.5m后壓強(qiáng)值甚至低于B方案。

(3)運(yùn)營(yíng)期與含沙量具有正相關(guān)，每梯次300d的運(yùn)營(yíng)期，原方案、A、B方案斷面含沙量平均增幅分別為43.3%、38.5%、32.5%；以B方案含沙量為最低。