引黄灌区正向泵站前池防淤分析研究

(滨州市簸箕李引黄灌溉管理局，山东 滨州 251700)

1 工程概况

簸箕李引黄灌区位于山东省北部，黄河下游左岸，黄河三角洲高效生态经济区腹地，国家新增千亿吨粮食产能区规划的重要区域，是国家大(1)型灌区。灌区现涉及滨州市惠民、阳信、无棣和德州市庆云县的23个乡镇，控制面积2243km2,设计灌溉面积163.5万亩。灌区有干级渠道3条，总长161.313km，支渠144条，总长927.5km。斗农渠941条，总长2003km。灌区自2005年实施节水改造以来，已实施12期国家投资计划，批复投资3.59亿元，干渠衬砌62.39km，新建、改造沿渠桥、涵、闸等259座。

灌区内泵站前池存在不同程度的泥沙淤积问题，部分严重的淤积量达1/3～1/2的前池容积，甚至有淤积进达水池，使取水运行受到很大影响。正向前池典型淤积形态及程度见图1和图2。

图1 正向前池典型淤积形态

图2 正向前池淤积程度示意

2 湍流涡黏数理模拟简述

案例泵站正向前池分为两种不同类型，分别是直边型和曲边型。在改造工程量不可过大、成本要控制在合理范围之内，同时要打造有利的作业环境、确保各项工程作业顺利开展、切实保证泵站效率得到大幅度提升的原则指导下，主要围绕下述3个方面注意加大正向前池的防淤治理工作。ⓐ加大水流扩散力度，提高水流流速，避免形成回流区或旋涡，尽可能将水力损失降到最低；ⓑ直边正向前池治理，设置一个八字形导流墩，由此一来不仅能使扩散角降到最小，加快水流流速，避免形成回流区，降低水流损失，还能促使水流两侧均匀发展，增强横向扩散水平，改善流态，避免泥沙淤积；ⓒ曲边正向前池治理，在池内安装一个45°压水板，一方面可提高水流扩散速度，增强挟沙能力，另一方面可促使水流两侧扩散，实现横向均匀扩散，避免形成回流区，减少泥沙淤积。

湍流涡黏Standardk-ε数理模型是高雷诺数流动充分发展的湍流分析模型，其适用性、稳定性和精确性得到工程界和学界广泛肯定和验证。本研究借助FLUENT流体智能计算系统，采用湍流涡黏Standardk-ε数理模型，对案例典型泵站前池开展模拟计算，探讨泵站前池淤积治理机理及有效性。

3 直边正向前池涡黏治理实施分析

直边正向前池增设八字形导流墩，由此实现水流方向及流量的科学管控，进而达到改善流场、稳定水流的目的。具体来讲，在斜坡位置增设对称导流墩，主要对两种参数进行直接控制。直边正向前池涡黏治理导流墩结构见图3。

图3 直边正向前池涡黏治理导流墩结构

值得一提的是，水力特性直接取决于导流墩的设置情况，由于前池样式及尺寸不是固定不变的，因此加大了导流墩参数的设置难度，并且单一的理论分析无法满足现实要求。

3.1 方案一

导流墩长度定义为600cm，即L3=600cm；其他参数值则分别设置为:L1：400cm,500cm,600cm；L2：300cm，400cm，500cm；β：10°，12°，15°。组合种类高达27种，在此基础上，分别构建了与之相匹配的几何模型，并根据要求划分了网格，网格数量在140.9万～144.5万左右，组合模拟结果见图4。

图4 部分方案一组合的前池下层流速状态

由图4分析可进一步了解到，导流墩确实起到了均匀分流的效果，可促使水流朝着两侧流动。通过图4(a)、(b)、(c)进一步发现，L1值越小，导流墩与前池入口的间距就越短，形成的主流效应就越显著，大部分水流被导向两侧，致使图4(a)中的水流流速快速降低，流态失稳，流场分布不均，不仅无法达到理想的防淤效果，还影响了水泵提水；图4(c)中的水流流速均衡，流场分布比较理想；这三种组合的背水面都形成了旋涡，回流区也没有减小。通过图4(c)、(f)、(g)也进一步了解到，L2值越高，分流水平就越差，其中，图4(g)中前池水流形成了较为显著的主流效应，但分流效果不理想；图4(f)中的分流效果达到了预期要求，流场分布也相对均匀，不过回流区没有实现快速削减，并且还形成了回流。

而通过图4(d)、(e)、(f)则进一步了解到，β越高，分流效果就越理想，挤压性能就越显著，不过却形成了较为明显的旋涡回流，与上述组合相同，这三种组合的回流区并未达到理想的改善要求，也出现了旋涡回流。

通过上述分析进一步得知，导流墩的分流效果与各参数存在直接联系，在方案一中，尽管导流墩发挥了较为显著的分流作用，促使水流均匀地两侧流动，主流效应也得到了大幅度改善，不过仍存在一定缺陷与不足，由于L3值太小，分流无法抵达末端，回流区也没有明显削减，并且形成了旋涡回流。

整体来讲，此方案的设置参数欠缺合理，难以获得符合要求的参数组合，为解决这一问题，则在设计的第二种方案中作出了相应调整，并采取有效方法进行了模拟分析，以获得的模拟结果为重要实施依据。

3.2 方案二

基于第一种方案作出相应的参数调整，由此制定出切实可行的第二种方案，在该方案中，导流墩长度定义为1000cm，即L3=1000cm，L1设置为500cm、600cm、800cm，而L2与β的参数设置则不变。组合种类高达27种，在此基础上，分别构建了与之相匹配的几何模型，并根据要求划分了网格，网格数量在146.4万～151.3万左右。模拟结果见图5。

图5 部分方案二组合的前池下层流速状态

由获取到的模拟结果进一步了解到，在原有方案的基础上作出相应调整之后，L3长度明显增加，不仅改善了旋涡回流，也大大削减了回流区，不过不同参数组合达到的实施效果明显不一样。

在L1=800cm的情况下，由于导流墩与前池入口的间隔距离过长，无法很好控制主流，并且造成主流流道出现了不同程度的扭曲，尽管末端回流区得到了有效削弱，但就整体上来看，仍存在明显不足，关键是流态也没有达到预期改善效果，具体情况可见图5(a)、(b)、(c)；在β=15°的情况下，导流墩可将水流快速引向末端，使两侧回流区尽可能削减，不过却容易形成大面积旋涡，不利于主流扩散，具体见图5(d)、(e)。

在对两种方案进行全面对比后发现，第二种方案的三种参数组合的导流墩达到了较为理想的预期效果，分别见图5中的(f)、(g)、(h)，水量分配合理，流场布局均匀，回流区减少，旋涡回流得到了有效控制，水泵正常提水。

中层水流流速矢量分布更多信息见图6。在对图6进行全面分析后发现，在L1=600cm、L2=400cm、β=10°的条件下，流态达到了预期效果，回流区也得到了有效控制，旋涡回流现象不显著，并且为水泵正常提水创造了便利条件。由上述分析得知，在第二种方案中，L1=600cm、L2=400cm、β=10°的条件下，流态较优，水流分配合理，回流区面积减小，水泵提水条件良好。除此之外，旋涡回流现象也得到了很好控制，就整体而言，此方案不失为理想的防淤措施。

图6 部分方案二组合的前池中层流速状态

由数值模拟结果得知，只要导流墩的各项参数选择得当就能发挥一定作用，既能科学配置水流，也能有效改善流场分布，减少泥沙淤积，不过却无法达到预期设计要求。前文已多次提及，八字形的导流墩所发挥的作用存在一定局限性，只能分配水流，促使主流进入两侧，可削减两侧的回流区，但在水流扩散方面却没有发挥任何作用，只是将原主流配置成为三股主流，导致流场分布失衡。除此之外，这种导流墩的参数繁多、设计难度大，一旦在参数设置的过程中忽略一些细节，就容易出现旋涡回流，造成大量泥沙淤积，关键是不利于水泵提水，影响工作正常开展，也就无法从源头上保证工作效率。

通过上述分析进一步了解到，在前池内增设八字形导流墩并无法达到较为理想的实施效果，针对这种情况，笔者认为需在现有方案基础上进行适当调整与优化，建议采用压水板措施进行全面改造，具体详见上文提及的方案二。

4 曲边正向前池涡黏治理实施效果分析

本研究中，笔者建议选用45°压水板措施进行全面改造，以达到预期的流态效果。而压水板主要涉及两个重要参数，一是下缘入水深度H，二是距离前池入口长度L(见图7)。

图7 基于45°布配的压水板

压水板参数选择：H：40cm,60cm,80cm；L：600cm,800cm,900cm。

由上可知，参数组合为9种，在此基础上，分别构建了与之相匹配的几何模型，并根据要求划分了网格，网格数量在136.2万～136.4万左右(见图8)。根据获取到的模拟结果进一步得知，45°压水板可大幅度改善前池流态，提高水流扩散水平，实现流场均衡分布。通过大量实验研究进一步发现，在分别获取参数的条件下，可达到预期的流场分布改善要求，由图8(d)得知，水流流速稳定，未形成明显的回流区，同时为水泵正常提水创造了良好条件，可避免泥沙大量淤积，最为关键的是推动了工程作业有序开展，大大提高了工作效率。因为曲边正向前池结构与其他结构存在本质性不同，导致两侧容易形成低速区，尽管压水板发挥了一定作用，但端机组的提水条件仍无法达到基本要求，受其他因素影响，两侧泥沙并未出现严重淤积。

图8 前池立面及下层流速状态

通过上述分析得知，45°压水板可有效改善前池流态，并且在防淤方面也表现出强大优势，可直接应用于景点灌区泵站前池防淤改造工程中。对于一期西干二泵站，在参数H和L分别取60cm、600cm与80cm、800cm的条件下，可达到预期的流场分布改善要求，经多方面考虑及综合分析之后，笔者确定出参数H=60cm、L=600cm的45°压水板是最佳选择。

5 结 语

本文依据案例数据，借助FLUENT智能计算系统，采用Standardk-ε湍流涡黏数理模型，对引黄灌区正向泵站前池防淤课题开展模拟分析研究，主要介绍了直边正向前池和曲边正向前池涡黏治理导流墩结构；分别对直边正向前池和曲边正向前池涡黏治理导流墩结构进行了基于Standardk-ε湍流涡黏模型的数值模拟分析。结果表明：H=60cm、L=600cm的45°时压水板更能有效改善前池流态。