大型泵站枢纽工程进水布置与水力设计研究

董 雷，王 刚，张丽萍，王 斌

(徐州市水利建筑设计研究院，江苏 徐州 221000)

大型泵站枢纽工程作为调水工程，在促进我国国民经济可持续发展等领域发挥了不可估量的作用[1- 2]。其进水布置主要包括引河、前池和进水流道等建筑物，总体布置不仅包含与枢纽中其他建筑物的位置关系，还包含自身的水力设计。进水布置是否合理，直接关系到泵站水泵性能和枢纽工程运行管理。不良的进水水力条件不仅会引起前池的冲刷和淤积，还会导致水泵效率的降低，甚至造成水泵振动以致强迫停机，直接威胁整个泵站的安全。大型泵站作为引调水工程的核心，其安全、可靠、经济运行直接影响整个工程效益的正常发挥。基于大型泵站在枢纽工程中的重要性，进水建筑物的布置与水力设计不能仅仅依靠经验，还需对设计成果的水力性能进行验证性研究。已有不少学者对泵站进水布置进行相关的研究[3- 4]。

模型试验虽能得到各种所需的精确数据，但因周期长、费用高，难以在工程设计中得到广泛应用。随着计算机技术和计算流体力学的飞速发展，CFD作为一种流体模拟仿真技术在水力设计上应用越来越广范，具有成本低、速度快、资料完备且可模拟各种不同的工况等独特优点，目前已大量应用于大型泵站优化水力设计中，并取得了较好的效果。本文基于CFD技术，根据徐州市郑集站枢纽现状布置情况，对泵站进水布置设计了不同的方案，并以水流流态最优为目标，对各方案进行了三维数值模拟分析，根据计算结果，提出了较优的总体布置方案和进水水力设计供工程应用。

1 工程概述

郑集站位于铜山区郑集镇东侧，郑集河下游，是江苏省江水北调工程的第九级翻水站，担负着徐州市湖西地区丰、沛、铜三县区近200万亩农田灌溉、防洪排涝任务。由东、西两座泵站组成，郑集西站和郑集东站设计流量均为25m3/s。

根据水资源供需平衡分析计算，郑集河输水扩大工程郑集站总规模80m3/s，因此本次拆建东站并扩容至55m3/s。郑集东站进水河道底高程27.50m，进水涵洞内底高程27.50m，进水流道进口底高程24.64m，设计站下水位30.50m。郑集东站前池首段宽14m，末端宽35.6m，长度30m，底坡坡比为1∶10.5。

2 三维数值模拟

2.1 三维数值计算软件

随着计算流体力学技术的迅猛发展，许多专用软件应运而生[5]。这些软件在三维流场计算中得到了大量应用，实践证明结果可靠。本文拟采用FLuent软件，对郑集东站进水流道前的流态进行模拟计算，择优应用于工程设计。

2.2 控制方程

三维数值模拟的控制方程有连续性方程、动量方程以及三维计算中k-ε中的k方程和ε方程，已有不少文献对此类方程进行了详细介绍[5- 9]，本文不赘。

2.3 边界条件

(1)进口边界条件

流场计算的进口设置在距进水涵洞上游较远处，可认为此处水流流速是均匀分布的，因计算流量已知，故进口边界条件可采用速度进口。

(2)出口边界

郑集东站原设计为5用1备的形式，因本文仅定性分析泵站布置形式，设置6个进水池均正常工作。为分析前池的偏流对6个进水池内流量产生的影响，本文在进水流道进口后增加一段计算段，在此段出口可认为流动已经充分发展，出口边界可设置为自由出流。

(3)边壁边界

河道边坡、涵洞边壁、进水池与涵洞中墩，相对于水流是静止的，设置为静止壁面。固壁边界条件的处理中对所有固壁处的节点应用了无滑移条件，对紧靠固壁处节点的湍流特性，采用了对数式固壁函数处理，以减少近壁区域的节点数[10]。

内部边界在模型内部界面无需特殊处理，仅需指定其位置[5]。

(4)自由水面

水流的上表面为自由水面，若忽略水面风引起的切应力，则自由面的速度和紊动能均可视为对称平面处理[10]。

3 方案设置及模型构建

郑集东站原始方案为布置紧凑，将郑集东站与现状郑集西站并排布置。通过进水涵洞穿郑集河北岸堤防，与引水河道呈115°夹角，进水前池为正向进水布置。

采用三维数值模拟，对原方案进行了计算。根据计算结果进行了以下几种调整方案。各方案布置图分别如图1～4所示。

(1)方案1：延长进水池隔墩

将进水池隔墩，逆水流方向向前池内延长5m，以增加流道前的调整长度。

(2)方案2：在前池中部设带射流孔的底坎

在前池中部横向布置1.0m高0.5m宽底坎，底坎内部顺水流方向均匀布置12个射流孔(孔口尺寸为0.5m×0.5m)，以调整前池内的水流。

(3)方案3：调整进水涵洞引水角度

调整泵站布置方向，使得泵站、前池及进水涵洞轴线与郑集河轴线夹角为25°。

图1 原方案布置图

图2 方案1布置图

图3 方案2布置图

图4 方案3布置图

4 计算结果分析

4.1 计算结果

经计算，各方案中的涵洞和进水流道流量分布情况如图5、6所示。

图5 涵洞流量分布情况图

图6 进水流道流量分布情况图

4.2 结果分析

(1)原方案

因进水涵洞引水角度较大，1～3号涵洞的流量依次递减。1～6号进水流道的流量总的趋势亦依次递减，但由于受进水涵洞隔墩所导致的前池内低流速区的影响，2号和5号进水流道内的流量相比理论趋势值偏小。进水涵洞和进水流道流量的均值分别为18.30m3/s和9.15m3/s，标准差分别为0.92和1.19。

原方案前池内流态图如图7所示。由于与进水河道夹角较大，导致进水涵洞内出现了明显的偏流，加之进水涵洞隔墩的影响，在前池末端(流道进口处)出现2处一定范围低流速区。

图7 原方案前池内流态图

图8 方案1前池内流态图

(2)方案1：延长进水池隔墩

向前池内延长进水池隔墩，未引起进水涵洞内水流变化，因此进水涵洞进口流量分布与原方案一致。受隔墩向前池内延长的影响，边孔流道的流量略微减小，中间流道略有增加，但总的趋势与原方案大致相同，进水流道内偏流现象依然较明显。进水涵洞和进水流道流量的均值分别为18.30m3/s和9.15m3/s，标准差分别为0.84和1.21。

由于前池的扩散角约为40°，将进水池隔墩向前池延长，使得入边孔进水流道的流量减少，加之进水涵洞偏流及进水涵洞隔墩的影响，1、2、5、6号流道进口流态并不比原方案好。向上游延长隔墩，相当于是增长进水流道的调整段，3、4号流道进口流态有较好的改善。

(3)方案2：在前池中部设带射流孔的底坎

进水涵洞内流量分布情况与原方案大致相同。受前池扩散及前池内低流速区的影响，1、5号及6号进水流道的流量略微偏小。由于底坎的存在，迫使过底坎水流重新分布，前池内面层水流有较好改善，进入各流道的流量相对较均匀。虽然在底坎内设置了射流孔，但过孔的流速较小，因此底坎后仍存在一定范围的低流速区。长期运行时，此处将会形成一定范围的淤积。进水涵洞和进水流道流量的均值分别为18.30m3/s和9.15m3/s，标准差分别为0.78和0.73。

受坎后低流速区的影响，进水流道进口处的流速分布情况较原方案反而变差。

图9 方案2前池内流态图

图10 方案3前池内流态图

(4)方案3：调整进水涵洞引水角度

调整进水涵洞引水角度后，涵洞内的流量分布有明显改善。受前池扩散的影响，1号进水流道内的流量偏小，受进水涵洞隔墩所导致的低流速区的影响，2、5号进水流道内的流量略偏小，但进水流道内的偏流现象较原方案有较明显的改善。进水涵洞和进水流道流量的均值分别为18.30m3/s和9.15m3/s，标准差分别为0.31和0.55。

由于进水涵洞偏流现象得到了缓解，因此进水涵洞隔墩引起的低流速区范围相应有所减小。

综合以上分析可知，调整进水角度后，进水涵洞和进水流道偏流情况得到了明显改善；前池内带流态也较好，经过进水流道的进一步调整，可为水

泵提供较优的进水条件。

5 结论

根据三维数值模拟计算，优选出了郑集东站最佳的进水布置形式(方案3)，该方案不仅调整了进水涵洞各洞的流量分配比，使各洞内的流量分配更为均衡，而且调整了前池内的流态，为水泵安全稳定运行提供较优良的进水布置条件。因此建议郑集东站工程进水布置设计中优先选用方案3，并建议该工程下一阶段设计可根据情况进行整体模型试验研究，以验证数值模拟计算成果。通过本文研究结果可知，三维数值模拟计算方法可及时有效地对泵站进水布置进行定性定量研究，为大型泵站枢纽的设计和研究提供更为便利的研究手段。