周虹均，任紅蕾

(1.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

在泵站工程總體布置時(shí)，應(yīng)結(jié)合地形、地質(zhì)、內(nèi)外水系及周邊相關(guān)紅線等因素，先根據(jù)工程任務(wù)和規(guī)模選定主要建筑的型式，再考慮各建筑物結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行平面布置，必要時(shí)對(duì)征地移民、環(huán)境影響、施工組織、工程投資多方面進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇布置合理、效益顯著、工程安全、投資較省、運(yùn)管便利的方案[1-3]。前池作為上游渠道和水泵進(jìn)水流道的銜接結(jié)構(gòu)，主要功能是調(diào)整上游來水，平穩(wěn)且均勻地?cái)U(kuò)散到進(jìn)水流道，保障機(jī)組的高效運(yùn)行。GB 50265—2022《泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定[4]：泵站前池布置應(yīng)使水流順暢、流速均勻、池內(nèi)不得產(chǎn)生渦流的要求，采用正向進(jìn)水的開敞式前池?cái)U(kuò)散角單側(cè)宜小于15°。實(shí)際工程受周邊環(huán)境制約，上游引水渠與泵房軸線呈一定的夾角，采用單側(cè)擴(kuò)散非對(duì)稱式布置的前池，將會(huì)產(chǎn)生一定的不良流態(tài)，形成旋渦回流區(qū)，造成前池內(nèi)泥沙淤積，且因水泵進(jìn)水口流態(tài)紊亂，影響裝置運(yùn)行效率，引起機(jī)組和泵房振動(dòng)。目前，針對(duì)上述問題主要通過水工模型試驗(yàn)解決，張雪[5]等根據(jù)水流運(yùn)動(dòng)相似率和物理模型設(shè)計(jì)原則，開展了某側(cè)向進(jìn)水泵站的模型試驗(yàn)，對(duì)底坎、導(dǎo)流墻、“Y”型導(dǎo)流墩等多種整流措施整流效果進(jìn)行比較。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬方法的快速發(fā)展，數(shù)值分析技術(shù)得到了長(zhǎng)足進(jìn)步，基于有限體積法的RNG k-ε紊流模型已成為當(dāng)前水動(dòng)力研究的重要分析方法。本文以樅陽(yáng)縣大砥含站為例，先采用規(guī)范方法進(jìn)行建筑物規(guī)模設(shè)計(jì)，再利用二維數(shù)值模型對(duì)大砥含站運(yùn)行期進(jìn)水流態(tài)進(jìn)行模擬，定性定量分析不同導(dǎo)流措施的整流效果。

1 工程概況

原大砥含站為工業(yè)園區(qū)主要外排泵站，按農(nóng)排標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流量為3.99m3/s。由于現(xiàn)狀泵站存在排澇標(biāo)準(zhǔn)較低、運(yùn)行水位偏高、抽排規(guī)模較小、泵站設(shè)施陳舊、運(yùn)行管理方式落后等問題，造成園區(qū)洪澇災(zāi)害頻繁，尤其2016、2020年汛期受災(zāi)嚴(yán)重，區(qū)內(nèi)防洪、治澇工程抗災(zāi)能力薄弱的問題日趨突出。為有效解決園區(qū)的洪澇問題，充分發(fā)揮圩內(nèi)防洪排澇基礎(chǔ)設(shè)施工程效益，提高入駐企業(yè)防洪御澇能力和經(jīng)營(yíng)信心，為工業(yè)園區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)大砥含站進(jìn)行拆除重建。

大砥含站采用閘站分離堤后式布置，設(shè)計(jì)抽排流量為21.7m3/s，總裝機(jī)2700kW，選用6臺(tái)1200HLB3.81型立式混流泵，效率為86%，配YL630-16型立式異步電動(dòng)機(jī)。泵站主要建筑物包括：引渠銜接段、攔污進(jìn)水閘、進(jìn)水前池、站身及壓力水箱、控制閘、排澇穿堤出水涵等。引渠銜接段沿泵軸線方向投影長(zhǎng)35m，為鋼筋砼U型槽，平面呈梯形擴(kuò)散布置，上下游通過圓弧形同排澇溝矩形槽和進(jìn)水閘邊墩銜接，底部?jī)魧?1.0～17.5m，底高程6.20m。進(jìn)水閘同上游排澇溝中心線距離約8.0m，引渠銜接段與上游大溝中心夾角17°。前池平面上呈直角梯形擴(kuò)散狀，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度22.0m，右側(cè)翼墻沿水流向“一”字型布置，左岸翼墻呈29°角度向外擴(kuò)散，垂直水流凈寬17.0～29.4m，池底以斜坡方式與進(jìn)水池底相連，底板頂面高程6.20～3.10m。進(jìn)水池平面上呈矩形布置，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度15.0m，凈寬與站身進(jìn)水室同寬，為29.4m，底板頂面高程3.10m。泵站平面布置情況如圖1所示。

圖1 泵站平面布置(單位：m)

2 水力設(shè)計(jì)

為確定進(jìn)水閘規(guī)模和前池平面尺寸，需進(jìn)行過流能力和進(jìn)水池容積計(jì)算。

2.1 進(jìn)水閘過流能力

進(jìn)水閘閘室結(jié)構(gòu)采用寬頂堰型式，底板高程6.20m，在設(shè)計(jì)抽排水位8.70m工況條件下，過閘落差取0.1m，過流能力按照高淹沒度堰流公式計(jì)算。

(1)

式中，Q—過閘流量，m3/s；μ0—淹沒堰流的綜合流量系數(shù)；B0—閘孔總凈寬，m；H0—計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上水深，m；hs—自堰頂算起的下游水深，m。

擬定進(jìn)水閘為3孔5.0m開敞式結(jié)構(gòu)，總凈寬15.0m，經(jīng)計(jì)算，進(jìn)水閘設(shè)計(jì)過流能力為49.1m3/s，滿足設(shè)計(jì)流量21.7m3/s的要求。

進(jìn)水閘孔口尺寸除按上述公式核算外，還需根據(jù)排澇進(jìn)水閘清污方式，滿足過柵流速要求?？紤]機(jī)械清污時(shí)過柵流速可取0.6～1.0m/s，假定柵格空隙占整個(gè)過流斷面的65%。經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)水位條件下過柵流速0.89m/s，過流能力滿足要求。排澇工況下進(jìn)水閘過流能力和過柵流速計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 閘下消能防沖計(jì)算成果表

2.2 進(jìn)水池容積

前池平面上呈非對(duì)稱的直角梯形布置，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度22.0m，凈寬17.0～29.4m，池底底高程6.20～3.10m；進(jìn)水池平面上呈矩形布置，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度15.0m，凈寬與站身進(jìn)水室同寬，為29.4m，底高程3.10m，抽排前池設(shè)計(jì)運(yùn)行水位8.60m，最低運(yùn)行水位7.60m。

為滿足泵站連續(xù)正常運(yùn)行的需要，大砥含站進(jìn)水池水下容積1984.5m3為設(shè)計(jì)流量的91倍；另根據(jù)劉德明[6]等研究，大中型泵站應(yīng)復(fù)核進(jìn)水段部分的儲(chǔ)水容積，本工程抽排工況下進(jìn)水前池(含前池)有效容積960.1m3(設(shè)計(jì)運(yùn)行水位至最低運(yùn)行水位容積)為泵站設(shè)計(jì)流量21.7m3/s的44倍。進(jìn)水前池平面尺寸合適，滿足規(guī)范關(guān)于秒換系數(shù)的要求。

3 整流方案設(shè)計(jì)

整流措施設(shè)計(jì)原則：能夠引導(dǎo)水流平穩(wěn)入池，減小水面波動(dòng)，減少各工況下回流區(qū)范圍；有效改善池內(nèi)流態(tài)，消除進(jìn)水池或進(jìn)水流道口旋渦，保證機(jī)組的正常運(yùn)行；池內(nèi)流速適中能有效減小泥沙淤積；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工程量少，便于施工，投資較省等[7-9]。

本工程上游來水經(jīng)水閘墩墻整流后有明確的主流方向，擬采取以“導(dǎo)”為主的整流方法，即在池內(nèi)沿水流向布置導(dǎo)流墩或?qū)Я鲏Γ指钍鑼?dǎo)來流向設(shè)計(jì)的方向擴(kuò)散。兩種整流方案如圖2所示。

圖2 泵站前池整流方案示意圖(單位：m)

3.1 方案一：“川”字型導(dǎo)流墻

導(dǎo)流墻位于前池斜坡段，順?biāo)鲾U(kuò)散布置，水平投影長(zhǎng)8.0m，厚0.5m，底部與前池底板固結(jié)，頂部高程7.40m，前端距進(jìn)水閘4.0m；從右至左編號(hào)1#、2#、3#墩，其中1#墩端部與閘墩邊墻相距2.0m，3#墩端部與邊墻相距1.5m，2#墩與進(jìn)水閘閘孔中心線對(duì)齊，墩身中心線水平夾角分別為171°、170°、160°。

在前池端部設(shè)置“川”字形的導(dǎo)流墻，可通過調(diào)配流量，調(diào)整水流流向，優(yōu)化池中流態(tài)，避免在池內(nèi)產(chǎn)生回流和渦流等不良水利現(xiàn)象。本工程前池左側(cè)擴(kuò)散角29°，角度較大，邊側(cè)導(dǎo)墻沿3#孔中心線外側(cè)布置，束窄了外側(cè)過流通道，增大斷面流速，不僅能避免回流及偏流，還能防止泥沙沉積[10-11]。

3.2 方案二：弧形導(dǎo)流柵

本方案利用導(dǎo)流柵葉柵繞流效應(yīng)，在進(jìn)水前池中部均勻布置5道弧形導(dǎo)流柵，柵墻呈流線型布置，各墻間距5.0m，墻體尾部距流道進(jìn)口處軸線距離10.0m，軸向長(zhǎng)度分別為13.6、12.3、11.0、9.6、8.4m，柵墻頂高程7.4m。

在前池彎折段設(shè)置導(dǎo)流柵可為入池水流提供轉(zhuǎn)向的離心力，從而有效地抑制彎道內(nèi)側(cè)水流因擴(kuò)散效應(yīng)所引起的脫流。同時(shí)導(dǎo)流柵等措施還可以從結(jié)構(gòu)上阻斷彎道水流的橫向環(huán)流，防止斷面上的二次回流，抑制前池中的螺旋流動(dòng)[12]。該類型導(dǎo)流柵幾何形狀復(fù)雜，設(shè)計(jì)及施工較為復(fù)雜，特殊工況下柵后易產(chǎn)生卡門渦街，誘發(fā)水泵進(jìn)口處產(chǎn)生旋渦。

4 數(shù)值模擬

4.1 控制方程

數(shù)值模擬運(yùn)用CFD計(jì)算軟件Fluent作為分析工具。采用RNG k-ε紊流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、紊動(dòng)能和耗散率方程如下。

連續(xù)性方程：

(2)

動(dòng)量方程：

(3)

紊動(dòng)能方程：

(4)

紊動(dòng)能耗散率方程：

(5)

(6)

式中，ui—速度分量，m/s；ρ—水密度，kg/m3；P—壓強(qiáng)，Pa；μ、μt—?jiǎng)恿︷ざ认禂?shù)、湍動(dòng)黏度系數(shù)，N·s/m2；k—湍動(dòng)動(dòng)能，m2/s2；ε—湍動(dòng)能耗散率，m2/s3；Gk—紊動(dòng)能的時(shí)均速度梯度產(chǎn)生項(xiàng)；σk、σε—湍動(dòng)能和耗散率對(duì)應(yīng)的普朗特?cái)?shù)，取1.00，1.39；Cε1、Cε2—常量，取1.42，1.68。

4.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

本次數(shù)學(xué)模型計(jì)算范圍自進(jìn)水渠至水泵進(jìn)水流道，含引渠銜接段、進(jìn)水閘、前池、進(jìn)水池，流道，順?biāo)鏖L(zhǎng)約100m。模型主要選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，前池?cái)U(kuò)散段以非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格加密，平均單元尺寸0.25m×0.25m。

模型邊界條件主要包括：進(jìn)水閘為自由出流設(shè)定模型進(jìn)口為流速邊界條件；下游出口設(shè)置在流道口，采用自由出流條件；邊壁為無滑移邊界條件。幾何模型網(wǎng)格劃分及邊界條件如圖3所示。

圖3 幾何模型網(wǎng)格劃分及邊界條件示意圖(無整流措施)

4.3 無整流措施

設(shè)計(jì)工況下，上游總來水流量21.7m3/s，控制泵站各機(jī)組同時(shí)運(yùn)行，分流比一致。流速及流線分布如圖4所示。

圖4 泵站上游側(cè)流速及流線分布圖

計(jì)算表面，機(jī)組運(yùn)行后，來水經(jīng)進(jìn)水閘閘墩導(dǎo)流后能夠較為平順進(jìn)入前池，但由于邊墻單側(cè)擴(kuò)散，右側(cè)水流能夠順勢(shì)流入進(jìn)水池，左側(cè)主流難以有效擴(kuò)散，邊壁部位出現(xiàn)脫壁水流，在前池產(chǎn)生較大的回流區(qū)。前池內(nèi)主流受回流區(qū)的壓迫明顯偏向右側(cè)，左側(cè)進(jìn)水池進(jìn)口流態(tài)產(chǎn)生偏斜，以最左側(cè)機(jī)組(6#機(jī)組)最為嚴(yán)重。3#—6#號(hào)機(jī)組的進(jìn)水流道區(qū)域也存在較為明顯的偏流現(xiàn)象，有間歇性的小漩渦出現(xiàn)。

如果前池長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，會(huì)在漩渦部位產(chǎn)生泥沙淤積，使機(jī)組的進(jìn)水條件進(jìn)一步惡化。針對(duì)此類前池的水力學(xué)問題，可通過工程措施解決，增設(shè)構(gòu)筑物改善池內(nèi)復(fù)雜的水流流態(tài)獲取更加穩(wěn)定的水力條件。

4.4 整流效果分析

流速均勻度是衡量各斷面上速度分布情況的重要物理量，采用軸向速度均勻度Vu表示縱斷面特征線上軸向速度分布的均勻程度，公式如下：

(7)

設(shè)計(jì)工況下，進(jìn)水閘出口及流道進(jìn)口速度均勻度見表2，兩種方案流速及流線分布如圖5—6所示。

表2 測(cè)流斷面流速均勻度

圖5 方案一泵站上游側(cè)流速及流線分布圖

圖6 方案二泵站上游側(cè)流速及流線分布圖

計(jì)算表明，方案一入池水流經(jīng)導(dǎo)流墻整流后，一方面在墩墻端部分割下泄，另一方面中心主流被迫轉(zhuǎn)向，向進(jìn)水池均勻擴(kuò)散，起到了調(diào)整前池各斷面流量和前池水流方向的雙重作用。前池流態(tài)得到明顯改善，左側(cè)回流區(qū)明顯縮小，池內(nèi)跡線也更為順直。

方案二，因?qū)Я鳀艑?dǎo)流作用，進(jìn)水閘出口處流速均勻性有了明顯提高，前池左側(cè)回流消失；受柵墻隔流影響，進(jìn)水池中部邊側(cè)水流流速較大，中部導(dǎo)流柵尾部產(chǎn)生旋渦，形成較大回流區(qū)并發(fā)展到進(jìn)水流道口，4#、5#機(jī)組吸入條件惡劣，該斷面流速均勻性最差。

經(jīng)數(shù)值模擬對(duì)比分析，本工程在前池上游斜坡段布置“川”字導(dǎo)流墻對(duì)前池回流區(qū)抑制效果較好，各測(cè)流斷面流速分布均勻度較大，該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于施工，是一種較為理想的整流方案?？紤]墻體對(duì)水流的導(dǎo)向作用，可將導(dǎo)墻上游做成圓弧形墩頭，下游作成橢圓弧形墩頭。

5 結(jié)論

數(shù)值分析軟件基于CFD技術(shù)能夠較好地模擬出水流在泵站前池中的流動(dòng)狀態(tài)，便于工程前期階段比較不同整流方案的整流效果，為方案比選提供依據(jù)，該分析方法可供類似工程參考。

本工程前池采用單側(cè)擴(kuò)散非對(duì)稱式布置，左側(cè)主流難以有效擴(kuò)散，邊壁部位出現(xiàn)脫壁水流，在進(jìn)水池內(nèi)產(chǎn)生較大的回流區(qū)。進(jìn)水閘下游側(cè)前池斜坡段設(shè)置“川”字型導(dǎo)流墻能有效改善進(jìn)水池流態(tài)，抑制回流范圍，使各進(jìn)水流道流速分布均勻。