改善城市排水泵站进水流态的试验研究

罗海军，张 睿，徐 辉,

(1.河海大学 水利水电学院，江苏 南京 210098；2.河海大学 农业工程学院，江苏 南京 210098)

0 引 言

城市排水泵站因受用地面积限制、排水管网布置、施工条件复杂等因素影响，使得泵站进水建筑物难以按照泵站设计规范中水力条件良好的要求布置。因此，城市排水泵站进水建筑物尺寸偏小、布置局促，水力条件复杂，容易在前池和进水池内产生漩涡、回流、横向流动等不良水力现象，进而会造成水泵能量性能下降，甚至会引起水泵机组振动和诱发汽蚀现象等[1]。因此，改善城市排水泵站进水系统内的不良流态，对于保障其运行的安全可靠性具有重要意义。

目前，增设整流措施是有效改善泵站进水系统内水流流态的主要方法，诸多学者对此开展了深入广泛的研究[2-6]。夏臣智等[7]研究了倒T型底坎对前池流态改善的影响，结果表明倒T型底坎可显著改善前池中的流态，提高边侧机组的流速，改善前池中流速分布均匀度；洪磊等[8]通过数值计算和物理模型试验相结合的手段，研究了前池压水板对改善前池流态的影响，明确了合理的压水板布置参数；陆晓如等[9]通过模型试验研究了导流墩对泵站进水池流态的改善效果，结果表明导流墩可以有效改善进水池进水流态，提高水泵运行工作效率；项晓嫒等[10]以一大型泵站为例，研究了十字消涡板对喇叭管下方水体及进入喇叭管内部水体的整流效果。对于泵站进水系统流态的改善，大多数研究者所提出的整流措施较为单一，对于水力条件较为复杂的城市排水泵站来说，其改善效果十分有限。组合式整流措施通过合理运用多种整流方案，能够较为全面地改善泵站进水系统水流流态[11,12]，是值得研究和推广应用的新型整流措施，但目前对此研究还普遍偏少。

某城市排水泵站由于受到占地面积、施工条件等因素的限制，布局较为紧促，为分析该泵站进水系统的水力流动特性，本文基于物理模型试验的方法，研究该泵站进水箱涵、前池及进水池内的水流流态，并针对存在的不良流动现象，提出一种组合式整流措施并分析其对泵站进水系统水力流动特性的改善效果，以期为泵站设计提供参考。

1 研究对象

1.1 泵站概况

某城市排水泵站由斜向进水总管进流，经闸门井向两侧进水箱涵和前池配水，泵站排水总流量为20.4 m3/s，属于大型城市排水泵站，水泵采用干式抽芯混流泵，共6台，其中单泵流量为3.4 m3/s，扬程为6.9 m，功率为400 kW。泵站设置左右前池两个，前池对称布置，前池总长13.85 m，前池底部高程-8.0 m，最高水位-1.1 m，进水池的长度为5.3 m，相邻两泵的泵中心线相距4 m。泵站结构图如图1所示，水泵机组编号从上至下为1、2、3、4、5和6号，进水箱涵从上至下编号为1孔、2孔、3孔、4孔。

图1 泵站结构图(尺寸单位：mm)Fig.1 the structure of pump station

1.2 物理模型设计

2 原方案流态分析

图2是模型试验中测得的断面垂线平均流速分布图，图中流速均换算为原型泵站的流速，图3是模型试验观测的前池表面流态图。模型试验发现，进水管出流集中，在闸门井中产生回流，主流斜向流入闸门井，受箱涵头部隔墙和前池布置形式影响，水流分为两股流入箱涵，使得箱涵内配水不均，箱涵中间孔过流量较大，两侧孔过流量较小，1孔箱涵、2孔箱涵、3孔箱涵、4孔箱涵过流流量占总流量的百分比分别是8.3%、52.1%、27.2%、12.4%，前池内流速分布很不均匀，最大流速是最小流速的38倍，且断面1、断面2有反向流速出现。由于箱涵来流不均匀，主流偏向一侧，且前池扩散角过大，水流在前池内形成大范围回流区，造成水泵配水不均匀，受前池扩散段底坡影响，前池末端立面流速分布上，表面流速较大，底层流速较小，对水泵进流不利。进水池前流速分布不均匀，横向水流明显，进水流道内无任何消涡装置，部分进水池内有回流及间歇性吸气涡产生。

图2 泵站断面垂线平均流速分布图(流速单位：m/s)Fig.2 Pump station cross-section vertical flow velocity distribution map

图3 前池表面流态图Fig.3 Flow state diagram of for-bay

3 组合式整流措施的研究

3.1 整流措施设计

由于占地面积、工程造价等方面的原因，在不改变泵站主体结构的情况下，提出合理的工程整流措施，改善泵站内不良水力流态，对于泵站的安全高效运行至关重要。导流墩是泵站前池调整流态的一种常用工程措施，原理是通过不同角度导流墩的导流作用，对来流进行分割，并强迫其转向，减小前池平面扩散角，在平面上均化水流，消除拖壁回流、偏流等不良流态[13]。为了防止进水池内产生漩涡、吸气涡等不良流态，可在进水池进口添加消涡板。

为使前池、进水池流态更好地改善，首先应使四孔箱涵过流过流流量尽量相近，拟决定在闸门井内设置导流墩，使得进入四孔箱涵的流量尽量分配均匀。在四孔箱涵来流尽量相等的情况下，在前池、进水池设置合理的工程整流措施，与闸门井内整流措施组成组合式整流措施，从而更加有利于改善前池、进水池流态。对闸门井、前池、进水池内整流措施的组合进行了多组次多方案的试验比较，最终选择在闸门井内设置3个导流墩，在前池设置川字型导流墩，前池首段添加一道横梁，横梁顶部距最高水位进水池进口各设置一块消涡板，使水流进水池底部进入进水池，从而构建了一种“导流墩+横梁+消涡板”的组合式整流措施，整流措施相对位置如图4所示，模型实物图如图5所示。

图4 组合式整流措施布置图(尺寸单位：mm)Fig.4 Layout of combined rectification measures

图5 组合式整流措施模型布置图Fig.5 Model layout of combined rectification measures

3.2 改善效果分析

图6是整流后泵站断面垂线平均流速分布图，图7是整流后前池表面流态图，图8是1号进水池3个测点的垂线流速分布图，其中由于进水池进口断面上层为消涡板结构，消涡板后基本为滞水区，因而断面3-3仅量测下部四层流速。由图6-8可知，通过在闸门井井内设置导流墩，利用导流墩导流、绕流、分割水流的作用，使得四孔箱涵流量分配较为均匀，1孔、2孔、3孔、4孔过流流量占总流量的百分比分别为29.8%、23.7%、21.2%、25.3%，较原方案改善较为明显，有利于前池进水流态的改善；川字型导流墩具有导流、分流的作用，能有效减弱前池大尺度表面漩涡，使得水流均匀性提高，因此在前池扩散段，来流受导流墩和横梁作用影响，前池表面基本无回流、漩涡等不良流态产生，横梁立面上使部分水流下压，增大了底层流速，减小了表层流速，水流平面方向上向前池两侧均匀扩散，在立面方向上向前池底部扩散，在前池末端，平面流速分布趋于均匀，立面流速呈底部流速稍大，表层流速稍小，对水泵底部抽水有利；进水池内水流均匀平顺，底部流速较大，使得大部分水流从进水池底部流入水泵吸水口，表层水流流速较低，有利于防止表面漩涡产生。

图6 整流后泵站断面垂线平均流速分布图(流速单位：m/s)Fig.6 Average flow velocity distribution of the section of the pumping station after rectification

图7 整流后前池表面流态图Fig.7 Flow state diagram of for-bay after rectification

图8 1号进水池测点垂线流速分布(流速单位：m/s)Fig.8 Vertical velocity distribution of No.1 suction sump

为了进一步分析组合式整流措施对泵站前池、进水池流态的改善的效果，决定采用文献[8]中的公式来计算泵站断面1-1、2-2、3-3的横向流速分布不均匀系数，其表达式为：

试验过程中原方案断面1共采集流速数据480个，断面2采集数据560个，断面3采集数据720个，整流后断面1、断面2、断面3分别测得流速数据480个、560个和576个，根据所得数据可求得最大流速、最小流速和平均流速，并计算相应断面的横向流速分布不均匀系数。对于不均匀系数k，其值越小，表明流速分布均匀性越好。

经计算，原方案断面1-1、断面2-2、断面3-3的不均匀性系数分别为2.16、1.95、1.07，整流后断面1-1、断面2-2、断面3-3不均匀性系数为0.45、0.38、0.15，结果表明组合式整流措施能显著改善前池、进水池流态，经组合式整流措施沿程调整，进水池内的水流流速分布较为均匀，为水泵提供了良好的进流条件。

4 结 论

本文以某城市排水泵站为研究对象，采用物理模型试验的方法研究了其进水系统的水力流动特性，并针对所存在的不良流态，提出了一种新型的组合式整流措施，并通过物理模型试验研究其流态的改善效果。通过上述研究，得到以下结论：

(1)因泵站进水管侧向布置，原方案中闸门井进流集中且主流偏斜，使得进水箱涵两侧配水不均，进而导致前池内主流偏向一侧，而另一侧形成大范围回流区，进一步造成进水池进流不均且存在漩涡、回流等不良流态，对于水泵运行不利。

(2)通过在闸门井内设置导流墩、在前池内设置川字型导流墩、横梁以及在进水池进口处设置消涡板，构建了一种组合式整流措施。试验结果表明，整流后泵站进水箱涵各孔流量分配性得到显著改善，前池内的偏流和大范围回流等不良流态得到有效改善，进水池进流均匀；前池进口、中部及进水池测速断面不均匀性系数分别由2.16、1.95、1.07降至0.45、0.38、0.15；进水池内流速分布在立面上呈底部较大、上部较小分布，有利于水泵进流和防止表面涡形成。