陳 偉 陳冠通 李尚紅

(1.江蘇省江都水利工程管理處,江蘇 揚州 225200;2.江蘇省泗洪縣水利局,江蘇 泗洪 223900)

平山堂泵站工程于2014年9月9日開工建設,2015年9月建成,工程概算投資10969萬元。工程布置于江蘇省揚州市邗江區(qū)揚子江路與農科院之間,泵房東側邊線距揚子江路邊線約32m。進水通過434m長雙排頂管穿越平山堂路和揚子江北路,連接瘦西湖支流家禽河;出水通過沿平山堂西路北側新開850m河道(包括200m頂管和120m箱涵)與原沿山河頭部相連。泵站設計流量10m3/s,配備4臺900ZLB-85立式軸流泵,單臺裝機容量為180kW。工程平面布置圖見圖1。該泵站是揚州城區(qū)“清水活水”工程的關鍵節(jié)點工程,可將瘦西湖活水引入沿山河,使東部水系與西部水系徹底打通,實現(xiàn)邵伯湖→古運河→瘦西湖→沿山河→新城河水系和趙家溝水系的水系聯(lián)通。平山堂泵站在日常運行中,機組運行到3000多臺時就出現(xiàn)了振動、噪聲較大的現(xiàn)象;經水下檢查發(fā)現(xiàn),進水池淤積較嚴重;水泵解體檢查發(fā)現(xiàn)各部件磨損嚴重,與水體含沙量高有關。因此有必要采用CFD技術對進水池內的流態(tài)進行泥沙淤積的數(shù)值模擬,總結出泥沙淤積的過程,分析出泥沙淤積的原因,進而為減淤措施提供思路。

圖1 平山堂泵站平面布置

1 泥沙淤積對泵站運行的危害

泥沙問題是我國河流的突出問題,河流中所含的泥沙顆粒將會給泵站的運行、管理造成諸多困難與問題[1]。挾沙水流中的泥沙容易在泵站前池或進水池淤積,導致過水斷面減小,引起水流流向改變,使得進水流態(tài)進一步惡化。其結果一方面會降低水泵的運行效率,導致輸水耗能和成本的增加;另一方面在進水池內淤積的泥沙可能會使得進水斷面縮減,減少喇叭管懸空高度,使得實際運行狀況遠遠偏離設計標準,產生吸氣旋渦進入水泵,導致機組強烈振動,水中挾帶的大量泥沙顆粒還會進入軸頸與軸承間隙導致軸頸與軸承嚴重磨損。

2 平山泵站水樣分析

依據(jù)平山堂泵站長期觀測數(shù)據(jù),選取了低含沙量期和高含沙量期的水樣進行比對分析,采樣位置位于泵站出水側河道水流平緩處。

經分析,低含沙工況含沙量為440g/m3,高含沙工況含沙量為650g/m3,顆粒分析成果見圖2和圖3。

圖2 低含沙工況粒徑分布

圖3 高含沙工況粒徑分布

根據(jù)實際采取的水樣,換算出低泥沙濃度工況下泥沙的體積分數(shù)為0.000176,高泥沙濃度工況下泥沙的體積分數(shù)為0.00026。

3 設計水位組合下的模擬計算

目前國內外學者對于泵站含沙水流有許多研究[2-3],陸林廣等[4]采用數(shù)值模擬的方法對泵站進水流道的流態(tài)進行了研究,分析了流道高度、圓錐角、彎曲段形狀等因素對流態(tài)的影響。Ansar等[5]將泵站進水池流動的數(shù)值模擬結果與試驗結果進行對比,驗證了無論泵站是正向還是側向進水,數(shù)值模擬結果與實驗結果均基本一致,能滿足實際運用需求。高傳昌等學者[6-10]采用雷諾時均N-S方程結合標準k-ε湍流等模型對泵站前池與進水池整流方案進行了數(shù)值模擬,并通過現(xiàn)場試驗驗證取得了明顯成效。

在設計水位組合下,泵站4臺機組全開,單機流量2.5m3/s,泵站站身進水側水位4.062m,出水側水位7.838m。運用MESH劃分非結構化網格,網格尺寸采用0.15m。

通過Fluent進行數(shù)值模擬計算,分析了含沙工況、設計水位組合下計算區(qū)域的流速分布、流線分布、泥沙淤積位置等信息,研究平山堂泵站進水側的水流條件。軟件計算時參數(shù)設置為瞬態(tài)。采用Tecplot進行結果的后處理。

運用Fluent進行數(shù)值模擬,通過記錄不同運行時間后底層泥沙體積分數(shù)后,得到在設計水位組合下,高、低兩種含沙濃度水流工況下泥沙的淤積變化過程,見圖4和圖5。

圖4 設計水位組合低泥沙工況下泥沙淤積變化

圖5 設計水位高泥沙工況泥沙淤積變化

在設計水位低泥沙工況下運行1200s的結果為:內側進水結構內泥沙淤積面積為23.83m2、質量為2462.1kg,外側進水結構內泥沙淤積面積為23.50m2、質量為2330.0kg。

在設計水位高泥沙工況下運行1200s的結果為:內側進水結構內泥沙淤積面積為31.05m2、質量為3421.5kg,外側進水結構內泥沙淤積面積為32.97m2、質量為3422.5kg。

基于設計水位組合下兩種不同泥沙濃度的泥沙淤積變化圖,可以得到以下的泥沙淤積規(guī)律:

a.當水位組合相同時,水流含沙濃度越高,淤積就越加嚴重。

b.在低泥沙濃度工況與高泥沙濃度工況下,泥沙淤積規(guī)律基本一致,即:泥沙先從沉井處開始淤積,隨著水泵的運行,沉井處的泥沙被水流沖向進水箱涵段,隨著水泵的進一步運行,箱涵里的泥沙因為水流的沖刷在箱涵的分叉處產生分離,泥沙更多地向內側箱涵淤積。隨著水泵的進一步運行,圓弧中心處的泥沙被水流沖刷到箱涵的尾部,但由于進水池底坎的存在,大部分的泥沙在此處堆積。當水泵繼續(xù)運行時,箱涵內的泥沙從向箱涵的尾部逐步向箱涵的頭部淤積。隨著水泵的長時間運行,淤積范圍變大,淤積程度加重。

c.泥沙的淤積位置主要集中在進水箱涵的圓弧段。

將原始方案在設計水位組合下的模擬結果經Tecplot軟件進行圖像處理后,得到底層斷面流線圖,見圖6。

圖6 設計水位工況下底層斷面流線(H=0m)

通過底層斷面流線圖、斷面流速圖可以清楚地發(fā)現(xiàn):

a.在進水管與沉井連接處存在一定范圍內的回流區(qū)。

b.進水箱涵圓弧段的流線較為稀疏,并且箱涵內側的流線比箱涵外側的流線更加稀疏,箱涵內的外側流速比內側流速高。

c.第一道進水箱涵的內側邊壁存在一個底層漩渦。

d.平山堂泵站存在偏流問題。

4 校核水位工況下的模擬計算

運用Fluent進行數(shù)值模擬,通過記錄不同運行時間后底層的泥沙體積分數(shù),得到在校核水位組合下,高、低兩種含沙濃度水流工況下泥沙的淤積變化過程,見圖7和圖8。

圖7 校核水位低泥沙工況泥沙淤積位置變化

圖8 校核水位高泥沙工況泥沙淤積位置變化過程

通過對校核水位低泥沙工況下運行1200s的結果進行分析,得出內側進水結構內泥沙淤積面積為22.48m2、質量為2342.8kg,外側進水結構內泥沙淤積面積為22.87m2、質量為2272.9kg。

通過對校核水位高泥沙工況下運行1200s的結果進行分析,得出內側進水結構內泥沙淤積面積為28.68m2、質量為3167.6kg,外側進水結構內泥沙淤積面積為32.17m2、質量為3320.3kg。

通過對校核水位組合下高、低兩種泥沙濃度下的數(shù)值模擬,分析得到泥沙淤積位置變化情況,可以看出:兩種水位組合下,泥沙的淤積規(guī)律基本一致。

對比分析兩種水位組合下的數(shù)值模擬結果可以發(fā)現(xiàn):相同水流含沙濃度不同的水位組合,水深越小,泥沙淤積就越嚴重。

將校核水位組合下的模擬結果通過Tecplot軟件進行圖像處理,得到底層斷面流線圖,見圖9。

圖9 校核水位工況底層流線圖(H=0m)

5 泥沙淤積的成因分析

通過對數(shù)值模擬得出的泥沙淤積位置變化過程圖、底層流線圖進行分析后,可以得出以下結論:

a.進水管與沉井連接處的底層水流在靠近內側邊壁存在回流形成死水區(qū),造成沉井內測邊壁先出現(xiàn)泥沙淤積。

b.圓弧形的進水箱涵導致底層水流流線稀疏,流速較小,引起了泥沙的沉降淤積。

c.水流在圓弧段產生了離心力,導致進水箱涵段外側流線較為密集,流速較大,內側流線稀疏流速較小,使得泥沙主要淤積在箱涵的內側。

d.由于進水池底坎的阻礙作用,使得工程在持續(xù)運行過程中,泥沙難以進入進水池內,導致箱涵段泥沙淤積嚴重。

6 結 語

本文對平山堂泵站設計、校核兩種水位組合下高、低泥沙工況進行了數(shù)值模擬,得出了流速流線圖以及泥沙淤積位置變化的過程圖。通過分析,總結出了泥沙淤積的過程,即泥沙淤積從進水箱涵的圓弧起點開始,隨著水泵的運行,沿著水流方向發(fā)展,當運動到底坎處后,因受底坎阻礙再反向蔓延;隨著水泵的運行時間增加,淤積范圍逐步變大,淤積程度加重。此外得出了泥沙的淤積規(guī)律,即相同水位組合下,高含沙工況的淤積更為嚴重;相同泥沙濃度工況下,水深越大泥沙淤積越嚴重;同一進水箱涵內,箱涵內側淤積比外側嚴重;各個運行工況下,泥沙淤積規(guī)律基本一致。本文為同類型的平原泵站進水池淤積成因分析提供了思路,同時對含沙河流的泵站優(yōu)化研究有一定的參考價值。