高含沙水泵站前池扩散角试验与分析

窦元之，顾靖超，陆立国

(1.宁夏水利工程建设管理局，银川 750001；2.宁夏水利科学研究院，银川 750021)

1 基本情况

30年来，宁夏依托黄河建设了诸多高扬程多梯级扬水工程，盐环定扬黄泵站更新改造工程是国家实施的精准脱贫项目之一。杨庄胜等中介绍了盐环定扬黄泵站更新改造工程三泵站“紧缩式”侧向进流前池物理模型试验的相关成果。

泵站前池内的水流流动是一种复杂的三维流动，目前多采用物理模型来进行研究。模型试验一般采用正态模型，同时满足相应的相似准则来进行试验。

刘成等[1]对污水泵站前池及前池各种改进方案进行了浑水试验，模型沙选用电木屑的酚醛塑料沙作为模型沙；原设计前池在单泵运行工况下，前池均存在不同程度的泥沙淤积；前池加入45°压水板及垂直挡水板改进措施，对前池流态和流速分布的改善、水泵效率提高、泥沙淤积减少均有明显作用，尤以45°压水板效果最佳。胡明等[2]对台州电厂循环水泵前池各种可能的改造方案进行了模型试验，试验分清水和浑水(泥沙淤积)试验两个阶段。先通过清水试验观测各种改造方案下的流态，并测量前池内主要断面的流速，分析前池内可能会出现的泥沙淤积情况，根据分析的结果选择合理的改造方案；然后在初步选定的改造方案下进行浑水加沙试验，确定前池及进水流道各部位的淤积情况；最后分析确定达到淤积平衡的时间和泥沙淤积量，检验改造方案的合理性。

随着计算流体力学和相关商业软件的发展和进步，利用数值模拟的方法对泵站前池三维流场进行更深入的研究，可以对试验难以测量的参数进行预估，而不需要大量的试验，有利于提高工作的可靠性和经济性。

罗灿[3]采用SIMPLE算法，数值模拟了正向进水前池中无任何措施和增设底坎整流措施的流态，结果表明底坎位置不能过于靠近或远离进水池，否则将导致前池内流态更加紊乱，进水流态恶化；随着底坎坎高的增大，底层回流区逐渐变小，回流区由发生在坎前坎后变为只发生在坎前，坎高可取在约为0.3H处；随着底坎顶宽的变大，底层速度矢量分布大致相同，并未有太大的变化．将底坎设在距进水池(7～10)D处，能明显改善前池流态，水流能较均匀的流入各机组。徐存东，王国霞，刘辉等[4]构建了甘肃省景电灌区内大型正向泵站前池结构三维模型，对直边正向与曲边正向前池水流流态进行了模拟分析，提出了采用压水板改善流态的前池泥沙淤积防治措施，并模拟了直边正向与曲边正向前池不同压水板参数组合的防淤效果。曾杭[5]建立上海市浦东北路泵站前池三维模型，提出不同的扩散角有相对应的最佳非扩散段长度，并推导了扩散角与池体长度经验公式。崔晓艳[6]构建了甘肃省景电灌区大型泵站正向进水前池三维实体造型，对正向进水前池从开机决策及扩散角两个方面对前池内的水流流态进行分析，提出了加设八字形导流墩的工程措施,对加设导流墩后的有关设计参数进行了系列计算。

2 模型设计与布置

2.1 模型试验目的

通过水工模型试验，观测不同水沙条件、不同工况下泵站进口流态、流速分布、前池的淤积形态，对多泥沙河流引水工程泵站正向进水无隔墩不同前池扩散角体型，在不同泵站运行组合下前池的流态、流速分布、前池泥沙淤积分布规律，正向进水无隔墩前池最佳扩散角和消除不稳定偏流的工程措施。

2.2 模型相关参数

模型采用正态，几何比例尺选定1∶10。

模型沙一般要求满足沉降、起动流速和糙率等方面的相似条件，研究泵站前池的泥沙淤积问题，重点满足泥沙沉降相似。模型沙容重γs=2.1 t/m3，干容重γ0=0.72 t/m3。

根据黄河青铜峡站悬沙级配实测资料，试验水流悬沙含沙量采用汛期平均含沙量6.94 kg/m3，非汛期泥沙中值粒径范围为0.039～0.054 mm，汛期中值粒径范围为0.008～0.024 mm。模型淤积试验汛期细模型沙中值粒径选为0.024 5 mm，非汛期粗模型沙中值粒径选为0.042 mm。

2.3 模型布置

模型范围包括干渠(原型长度约50 m)、进水闸、前池及6台泵吸水管及输水管。包括模型进水稳流池、地下水库等，模型范围17 m×7 m，模型布置参见图1。

图1 模型布置图Fig.1 Model layout

2.4 观测项目与断面布设

观测项目包括有水位、流态、流速、含沙量、悬移质级配、前池淤积物形态等。

模型流速量测断面见图2，具体位置为：渐变段起始段、进水闸末端、前池4个断面，共6个，LV-1、LV-2断面闸室中间布设2条垂线，每条垂线布测3个测点，LV-3～LV-5断面平均布设5条垂线，每条垂线布测5个测点，LV-6断面沿泵中轴线以及断面中点布设7条垂线，每条垂线布测5个测点。进口含沙量量测断面与测流断面LV-2一致。水位量测共布置2个断面：位置与测流断面LV-2、LV-6一致。

图2 流速量测断面位置图Fig.2 Location of flow velocity measurement section

3 试验数据与分析

泵站正向进水前池其水流方向与泵的进口方向一致，前池中心线与引渠中心线相重合或平行，扩散角的大小是影响正向进水前池水流流态及池长的主要因素，扩散角的确定应以不发生边壁脱流、有利于减少前池泥沙淤积及工程布局协调为基本原则，前池扩散角是关键。相关设计规范明确正向进水前池扩散角角度不应大于40°，一般取20～40°之间。

进水前池扩散角对水流流态以及前池工程量影响很大。扩散角度较小时，其水流条件好、泥沙淤积小、有利于改善水泵进水条件和提高泵站装置效率，但前池较长，占地面积多、工程量大；扩散角较大时，容易在两侧形成脱流、水流条件差、更容易淤积泥沙、影响水泵良好运行，但前池较短、占地面积较少，工程量较大。本次泵站前池正向进水试验进行了扩散角20°、25°、30°及35° 4种方案，以下分别对四种方案进行了模型试验。

所有试验方案的布置形式均为6台泵(5大+1小)的装机形式。

3.1 扩散角20°方案

底坡为一坡到底(i=16.57)，渠道底宽1.5 m，坡度为1∶1.5，渐变段长度为10 m；闸室长度为5 m，总宽度8 m，分为两孔，单孔净宽3.75 m，边墩厚0.8 m，中墩厚0.5 m，闸底板高程为1 233.72 m。前池总长63.5 m，后端宽度为51.3 m。吸水口底板高程为1 230.13 m，宽度为4 m，大泵直径为1.626 m，喇叭口长度为1.79 m，泵中心线安装高程为1 232.40 m；小泵直径为0.914 m，喇叭口长度为1.334 m，泵中心线安装高程为1 232.775 m。

3.1.1 清水试验

试验工况共5组，详见表1。试验对各工况下前池内流态进行观测并对各断面的流速分布进行测量。各工况的流速均偏向左侧、池内产生顺时针回流情况下测量的。

表1 扩散角20°方案清水试验工况表Tab.1 Water test condition table with diffusion angle 20 ° scheme

工况1：前池主流偏左侧，池内形成一个顺时针方向回流，各水泵的吸水口前表面为侧向流，水流流速为0.43～0.44 m/s。LV-2～LV-4左侧以及LV-5断面局部时有非贯通表面回流漩涡，表现为方向不定、大小不一的针状漩涡群；1号泵中轴线附近时有间歇性漩涡，分析原因为LV-5断面为侧向进流，水流在1号泵附近为顺时针偏流的缘故。

工况2：与工况1基本相似，前池主流偏左侧，池内形成一个顺时针方向回流，各水泵的吸水口前表面为侧向流，水流流速为0.41～0.50 m/s，LV-2～LV-4左侧以及LV-5断面时有方向不定、大小不一的针状涡旋群。

工况3：与工况1、2基本相似，流速值减小；前池主流偏左侧，池内形成一个顺时针方向回流，各水泵的吸水口前表面为侧向流，水流流速为0.37～0.47 m/s，LV-2～LV-3左侧断面时方向不定、大小不一的有针状涡旋群。

工况4：流速值最小，前池主流偏左侧，池内形成一个顺时针方向回流，各水泵的吸水口前表面为侧向流，水流流速为0.33～0.37 m/s。LV-2～LV-4左侧断面时有方向不定、大小不一的针状涡旋群。

工况5：与工况4相比，流速值增大；前池主流偏左侧，池内形成一个顺时针方向回流，各水泵的吸水口前表面为侧向流，水流流速为0.40～0.46 m/s。LV-2左侧断面时有方向不定、大小不一的针状涡旋群。

3.1.2 泥沙淤积试验

泥沙淤积试验共进行3种含沙量、两种级配3个组次试验详见表2。

不同组次前池淤积物高程等值线图见图3。

组次1：前池流态为左偏流，前池内淤积形态属于平铺式，且靠近左侧形成主流沟，左侧淤积厚度小于右侧。

组次2：前池流态为左偏流；含沙量大、泥沙颗粒相对较粗，靠近左侧主流处于超饱和状态，泥沙很快落淤。前池内淤积厚度明显增加，同一断面左右淤积厚度相差不大，前池内淤积厚度沿程是增加趋势，最大淤积厚度为2.9 m。

组次3：前池流态为左偏流；随着池内泥沙淤积厚度的增加，池内水深减小，靠近左侧主流带流速增加。由于该组水沙中，含沙量较小，主流带水流处于不饱和状态，将靠近左侧底淤积泥沙带走，形成明显的冲沟，而池中其他部位泥沙淤积厚度略有增加。

表2 扩散角20°方案泥沙淤积试验工况表Tab.2 Sediment test conditions of 20 ° diffusion angle scheme

图3 扩散角20°方案前池内淤积物高程等值线图(组次1～3)Fig.3 Contour chart of elevation of sediment in the pool before diffusion angle 20 °(group 1 to 3)

3.2 扩散角25°方案试验

正向进水前池底坡为先平后坡，同时将闸前渐变段长度由10 m增长为15 m。该方案下前池总长50.4 m，较扩散角20°方案缩短13.1 m，其余尺寸和布置形式未变。

3.2.1 清水试验

试验工况与扩散角20°方案相同。

工况1：前池水流较稳定，主流位于前池中部，左侧形成逆时针方向回流、右侧形成顺时针方向回流；居中主流流速0.50～0.60 m/s，较左右两侧回流区流速大；LV-5断面为侧向进流，左右流速基本一致。

工况2：前池内水流流态与关2号相似，前池水流较稳定，主流位于前池中部，左侧形成逆时针方向回流、右侧形成顺时针方向回流；居中主流流速与关2号基本相同，LV-5断面为侧向进流，左右流速基本一致。

工况3：前池内水流流态与关2号、5号相似，整体流速值减小，前池水流较稳定，主流位于前池中部，左侧形成逆时针方向回流、右侧形成顺时针方向回流；居中主流流速较关2号、5号减小，流速值范围为0.35～0.45 m/s；LV-5断面为侧向进流，左右流速基本一致，流速值在0.40 m/s左右。

工况4：主流位于前池中部，左侧形成逆时针方向回流、右侧形成顺时针方向回流，该工况为50%流量、设计水位，故流速值为最小的一组。居中主流流速值0.25～0.40 m/s；LV-5断面为侧向进流，左右流速基本一致，流速值在0.35 m/s左右。

工况5：主流位于前池中部，左侧形成逆时针方向回流、右侧形成顺时针方向回流，该工况为50%流量、最小水位，与工况4相比，流速值偏大。居中主流流速值0.40～0.50 m/s；LV-5断面为侧向进流，左右流速基本一致，流速值在0.35 m/s左右。

3.2.2 泥沙淤积试验

试验工况与扩散角20°方案相同。不同组次前池淤积物高程等值线图见图4。

组次1：前池中部淤积厚度小于左右两侧，如闸下30 m断面中部淤积厚度为0.20 m，左右两侧最大淤积厚度0.70 m。而泵站吸水口附近，由于2号泵关闭、1号泵流量小，在1号、2号前淤积厚度大于其他泵前淤积厚度。

组次2：前池淤积量明显增加，且池内淤积形态仍然表现为池中部淤积厚度略小于两侧。

组次3：如果泵站持续引大含沙量浑水，一定时间后，再连续引小含沙量浑水或清水，前池内总体淤积形态仍然为中部薄两侧厚。

3.3 扩散角30°方案试验

正向进水前池底坡为先平后坡，进水闸前渐变段长度仍然为15 m，前池长度缩短到41.5 m，较扩散角25°体型缩短8.8 m，其余尺寸与泵站布置方式同25°方案。

3.3.1 清水试验

试验工况共3组，工况条件分别为表1中的工况1、2、5。

工况1：前池内水流流态较稳定，水流主流位于池的中部，左侧形成一个逆时针方向回流，右两侧形成顺时针方向回流；渠道LV-1断面平均流速为1.21～1.50 m/s，左右闸室流速接近，居中主流流速0.83～0.86 m/s，较25°方案流速值明显增大；左右两侧回流区流速值较主流流速值小，与25°方案相比，流速值明显增大；水泵吸水口前为侧向进流，流速约为0.40～0.50 m/s，与25°方案侧向进流流速接近。

工况2：前池内水流流态与关2号类似，水流主流位于池的中部，左侧形成一个逆时针方向回流，右侧形成顺时针方向回流；渠道LV-1断面平均流速为1.21～1.46 m/s，居中主流流速与关2号接近；左右两侧回流区流速值较主流流速值小，与25°方案相比，流速值明显增大；水泵吸水口前为侧向进流，流速值在0.45 m/s左右。

图4 扩散角25°方案前池内淤积物高程等值线图(组次1～3)Fig.4 Altitude contour of sludge in the pool before diffusion angle 25 °(group 1 to 3)

工况3：前池内水流流态与关2号、5号类似，由于流量减小，前池内各断面流速相应减小，水流主流位于池的中部，左、右两侧形成回流；渠道LV-1断面平均流速为0.71～1.08 m/s，居中主流流速流速值在0.65 m/s左右，与同工况25°方案相比，流速值明显增大；水泵吸水口前为侧向进流。

扩散角30°方案中，由于前池尺寸缩短，前池水流流态表现为主流位于前池中部，左侧形成逆时针方向回流、右侧形成顺时针方向回流的正向进水特征进一步突出。

3.3.2 泥沙淤积试验

试验工况与扩散角20°方案相同。不同组次前池淤积物高程等值线图见图5。

图5 扩散角30°方案前池内淤积物高程等值线图(组次1～3)Fig.5 Altitude isogram of sludge in the pool before the 30 ° dispersion angle scheme(group 1 to 3)

组次1：该水沙条件下，前池内泥沙主要落淤在前池左侧回流、右侧回流区，厚度大于中部，如闸下20 m断面中部淤积厚度为0.20 m，左右两侧最大淤积厚度0.65 m。

组次2：从该组水沙条件前池淤积情况看，由于水流含沙量较大，前池内泥沙落淤量明显增加。从横断面落淤情况看，总体表现为两侧淤积厚度大于中部，如闸下20 m断面中部淤积厚度为0.40 m，左右两侧最大淤积厚度1.0 m。

组次3：对小含沙量水沙，前池内泥沙主要落淤在前池左侧回流、右侧回流区，厚度大于中部，如闸下20 m断面中部淤积厚度几乎为0，左右两侧最大淤积厚度0.52 m。

3.4 扩散角35°方案试验

进水前池底坡为先平后坡。该体型下前池长为34.9 m，较扩散角30°体型缩短6.7 m，其余尺寸与泵站布置方式同30°方案。

3.4.1 清水试验

试验工况同扩散角30°方案。

试验结果表明，扩散角35°方案中，由于前池长度进一步缩短，其主流位于前池中部，左侧形成逆时针方向回流、右侧形成顺时针方向回流的正向进水特征进一步突出。特别是左侧形成逆时针方向回流、右侧形成顺时针方向回流，进一步加剧了两侧各水泵的吸水口前侧向流的不利影响。

3.4.2 泥沙淤积试验

该体型泥沙淤积共进行一种工况(关2号)不同水沙条件、不同历时3个组次的试验，详见表3。不同组次前池淤积物高程等值线图见图6。

组次1：由于扩散角35°布置下左侧形成逆时针方向回流、右侧形成顺时针方向回流流态进一步凸显，前池内泥沙主要落淤在前池两侧也更加明显。

表3 扩散角35°方案泥沙淤积试验工况表Tab.3 Sediment test conditions of 35 ° dispersion angle scheme

图6 扩散角35°方案前池内淤积物高程等值线图(组次1～3)Fig.6 Altitude isogram of sludge in the pool before the 35° dispersion angle scheme (group 1 to 3)

组次2：前池泥沙淤积物分布仍然是两侧淤积厚度较中部厚。如闸下20 m断面中部淤积厚度几乎为0，左右两侧最大淤积厚度0.2 m。组次3：由于水流含沙量较大，前池内泥沙落淤量明显增加，淤积形态总体表现仍为两侧淤积厚度大于中部。如闸下20 m断面中部淤积厚度为0.20 m，左右两侧最大淤积厚度0.70 m。

4 结论与建议

对正向进水方案前池不同扩散角方案下前池流态、流速分布以及淤积形态进行了量测，主要结论和建议如下：

(1)前池进口扩散角20°、25°、30°、35° 4种布置方案各工况下，前池水流流态基本平稳，其中扩散角20°、25°布置下的前池，主流偏左现象明显多见，池内水流呈顺时针方向大回流流态，其原因目前难以深入分析；扩散角30°、35°布置下的前池主流位于前池中部，左侧形成逆时针方向回流、右侧形成顺时针方向回流的正向进水特征更加突出。

(2)在前池中心轴方向的水流是正向，而偏离中心轴后的前池末端均表现为侧向水流，其中30°、35°较突出，35°为各工况最大。

(3)前池进口扩散角四种布置方案设计工况下，主流带流速范围分别为0.3～0.8、0.5～0.6、0.8～0.9、0.9～1.0 m/s，50%工况下主流带流速范围为0.2～0.5、0.5～0.6、0.6～0.7、0.7～0.75 m/s，主流带流速值随着扩散角增加增大。

(4)如果泵站引水含沙量小于4 kg/m3，则前池内泥沙主要淤积在两侧；如果持续引含沙量高于6.94 kg/m3浑水，则前池内普遍存在淤积，只是两侧淤积厚度大于中部，含沙量越大，前池淤积厚度越大。各扩散角的前池淤积形态均为前池两侧淤积厚度较中部厚，相同水沙条件、运行相同时间，扩散角越小淤积量越大。如30°方案前池泥沙淤积量大于扩散角35°方案。

(5)若泵站前池采用正向进水形式，前池扩散角25°和30°的布置较合理，水流、淤积等综合表现较好，可以作为设计单位进一步优化比选的方案。

(6)对试验中出现的一些异常现象，还有待于今后进一步的深入研究与论证。

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