组合式整流墩改善魏村枢纽泵站进水条件研究

苏叶平 徐文俊 徐静 李学德

摘要：在常州市魏村枢纽原设计方案中，闸站导流墙侧泵站边机组前方易形成大尺度回流、旋涡等，以致引起边机组前方水流流动紊乱、降低机组运行效率，甚至会引起水泵振动。针对上述不良流态的影响，通过CFD数值模拟方法，分析了3种不同整流方案对该闸站枢纽泵站不同工况的水流整流效果，总结了不同方案的水流流动规律。在上述分析成果的基础上，提出了组合式整流墩布置方案，并分析了其整流机理。计算结果表明：组合式整流墩布置方案能大幅度降低边墩机组侧向大尺度回流强度，回流现象基本消失，有效地改善了不同工况下泵站进水的不良流态，提高了箱涵流道进水效率，达到了预期整流效果。组合式整流墩布置方案已被魏村枢纽泵站初步设计、施工图设计采纳应用。研究成果可为其他类似大型闸站工程设计提供技术参考与借鉴。

关 键 词：闸站枢纽; 不良流态; 整流效果; 组合式整流墩; 魏村枢纽; 常州市

中图法分类号： TV675

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.12.023

0 引 言

为了发挥平原地区大型水利枢纽排涝、引水的功能，在设计中会广泛采用闸站结合布置的形式。涵闸和泵站进出水通道一般均会采用导流墙隔开，从而在结合处易形成较大尺度的回流、斜流等不良流态;导流墙侧的泵站边孔回流、斜流容易在流道进口处形成旋涡，影响到流道的进水效率，甚至会引起水泵振动[1-4]。

闸站枢纽进水流态改善措施主要包括：采用不同长度及体型的导流墙、整流墩及组合式整流墩等。其中，整流墩结构简单、布置灵活，结合采用导流墙整流则效果更佳，这种方式在闸站枢纽中应用比较广泛。

关于闸站枢纽导流墙、整流墩及组合式整流墩整流机理方面，傅宗甫等[5]对平面对称的闸站枢纽展开了水工模型试验研究，整理了导流墙附近流场规律，提出了导流墙体型的适宜长度范围及计算公式。严忠民[6]、赵苗苗[7]、罗灿[8]以及许建[9]等开展了CFD数值模拟和试验验证，基于计算、验证结果，通过在泵站前池、闸站枢纽导流墙侧泵站边孔增设一道整流墩，消除了大尺度回流和旋涡等不良流态;而且边孔机组流道進水较为均匀，整流墩整流流态效果较佳，能提高导流墙泵站边孔进水流速分布均匀度。徐波等[10-11]在对闸站工程进行CFD数值模拟和试验的过程中，重点研究了不同开孔尺寸的导流墙的组合方案，研究认为：在最优开孔尺寸方案下能减小泵站前池及闸前水流回流区域的面积，整体水流流态会得到较大改善。部分学者已将组合式整流墩应用到新孟河拓浚工程骨干节点工程——界牌水利枢纽的设计中，并通过水工模型试验验证了枢纽的整体进水条件[12-14]。

对于低扬程、大流量泵站机组的闸站枢纽而言，单一的整流墩整流往往不能满足改善闸站进水流态以及泵站机组运行的要求，需要对组合式整流墩布置型式下泵站进水条件的整流机理开展研究，以使其能在实际闸站水利枢纽设计中得到应用。

1 工程概况

位于江苏省常州市通江航道德胜河的魏村枢纽，距长江夹江约1.5 km。现状枢纽已不能满足内河运输船型大型化发展的要求，亟需进行扩容改造;同时，为了提高防洪排涝效益，也需要改善太湖流域的水环境[15]。魏村枢纽扩容改造工程主要由船闸、泵站及节制闸工程组成。其中，泵站与节制闸并排，导流墙隔开，导流墙原方案长为56 m;泵站排涝流量为160 m3/s，引水流量为90 m3/s;泵站共装有5台“X”型流道机组，单台泵的设计流量为32.0 m3/s，单块底板上分别布置3台双向机组和2台单向机组，泵站总宽度为54.8 m;节制闸净宽为40 m，共4孔，设计过闸流量为296 m3/s。图1和图2分别为魏村枢纽鸟瞰图和站身剖面图。

2 数学方程

2.1 控制方程

对于魏村枢纽闸站进水流动区域的三维数值模拟，采用的是三维雷诺时均N-S方程，以描述其不可压缩向湍流流动。方程式如下[16]：

连续性方程：

（ρu-i）/xi=0（1）

雷诺时均N-S方程：

ui-t+uj-ui-xj=-1ρp-xi+xj（ν+νt）uixj+ujxi（2）

式中：ρ为流体密度;t为时间;ui（i=x，y，z）为速度沿i方向的分量;p为压力;ν为流体的运动黏性系数。

2.2 可实现k-ε模型方程

选择realizable k-ε湍流模型方程来进行计算。该方程对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离、强流线弯曲、漩涡和旋转、二次流均有很好的表现[16]。

ρkt=xjμ+μtσkkxj+Gk+Gb+ρε-YM（3）

ρεt=xjμ+μtσtεxj+ρC1Sε-ρC2ε2k+νε+C1εεkC3εGb（4）

式中：C1=max0.43，ηη+5，η=Sk/ε。

3 CFD计算模型与评价指标

3.1 CFD数值计算模型

魏村枢纽原设计方案的计算模型包括：引河、泵站前池、泵站清污机桥墩、进水流道、节制闸及导流墙等。在不同工况下，排涝、引水来流进口为速度进口，出口为自由出流，水流自由表面波动小，因此采用刚盖假定平面，计算迭代收敛级数为1×10-4。图3为魏村枢纽内河侧、长江侧闸站原方案的几何计算模型（内河排涝，长江引水）。

3.2 流速分布均匀度评价指标

为了更好地描述魏村枢纽泵站机组箱涵流道进口的流速分布的均匀性，引入了流速分布均匀度水力优化目标函数并通过编程进行简捷快速计算。流速分布均匀度公式如下[17]：

Vu=1-1ua（uai-ua）2ΔAiA×100%（5）

式中：ua为进口断面的平均轴向速度;uai为进口断面各单元的轴向速度;ΔAi为进口断面第i个网格单元面积;A为进口断面面积。

关于魏村枢纽泵站的运行方式：当内河排涝时，分别关闭内河侧上菲闸门、长江侧下菲闸门;当内河引水时，分别关闭内河侧下菲闸门、长江侧上菲闸门。流道机组进口取内河侧下菲闸门所在的流速断面，其中4号和5号机组靠近导流墙，机组进口断面分布情况如图4所示。

4 流场流动规律与整流方案研究

4.1 计算工况

魏村枢纽初步设计任务急，设计成果交付时间短，有关闸站设计中水流流态整流措施，经慎重考虑，选择了CFD数值模拟方法进行比选。魏村枢纽泵站的排涝、引水计算水位工况的选取如表1所列。

4.2 原方案流场规律

原方案是以魏村枢纽初步设计方案为基础，通过CFD数值模拟，总结该枢纽闸站水流流动的基本流场信息，以为后续优化方案提供思路，进而提出改善流态的措施。

由图5可以看出：原方案排涝设计工况下4号和5号机组侧形成了大尺度回流不良的流态，回流长度接近于导流墙长度，回流流速达0.1～0.3 m/s（图中数值为水流流速，下同）;边机组侧水流流态恶劣，对边机组的运行效率影响极大。图6为原方案排涝设计工况下泵站侧回流范围内的速度剖面云图，由图6可以看出，来流流速随水深深度平均分布，在回流区范围内，随水深深度速度分布有了适度的变化。根据类似工程布置的马甸水利枢纽竣工验收后运行结果可知，该工程泵站的边机组侧流态不佳，抽水流量达不到额定流量，需要加大电机功率。原方案引水设计工况下只有3台机组，3台机组的进水流态较好，但是在导流墙侧形成了巨大的回流漩涡，对3号机组进水存在一定的影响;而引水工况运行结果较好，无须对该工况进行流态整流。

图7为泵站各设计工况下机组进口速度分布的云图。由图7可以看出：在排涝设计工况下，3～5号机组的进口流速分布在前方回流、偏流影响下，流速与水流方向成斜向分布，1号和2号机组的进口流速分布基本上与水流方向平行;在引水设计工况下，1～3号机组的进口流速分布基本上与水流方向平行。

由图8可以看出：在排涝设计工况下，受箱涵流道上菲闸门水流遇阻的影响，流道进口流速分布均匀度数值整体不高，最大不超过0.7。平面进水流态大尺度回流对4号和5号机组的进口流速分布均匀度的影响较大，其均匀度普遍要低于其他机组。

4.3 導流墙长度对闸站水流流动影响

方案1是在分析原设计方案水流流场规律的基础上，拟设置不同导流墙长度进行分析，长度分别设为66，76，86和96 m。

由图9可以看出：魏村枢纽闸站平面流态在4号和5号机组侧形成了大尺度回流区，回流长度几乎等同于导流墙的长度，最大宽度接近于2组机组的宽度，回流流速为0.1～0.3 m/s。随着导流墙长度的增加，节制闸侧进水水流的侧向流动明显，流线弯曲程度越大，4号和5号机组前方大尺度回流区的范围就越广。计算结果表明：导流墙长度增加并不能起到很好的整流效果，反而会加大导流墙两侧进水水流的侧向流动影响，将恶化泵站侧向机组的进水流态。

4.4 单一整流墩对闸站水流流动影响

方案2是在导流墙末端设置单一长度为20 m的整流墩，顺水流方向，整流墩对应清污机桥第一个桥墩（泵站机组侧），垂直水流方向，整流墩中点对应导流墙端部。方案1（a）的导流墙总长度为66 m，导流墙过短难以布置整流墩;方案1（d）的导流墙总长度为96 m，导流墙过长导致泵站边机组侧回流范围更大，流态更加恶劣。方案2在方案1的基础上取长度分别为76 m和86 m的导流墙结合单一整流墩为计算模型。

由图10可以看出：方案2（a）～（b）整流墩侧局部小范围的回流对整体进水流动没有产生实质影响;4号和5号机组侧的回流范围大幅减小，流线弯曲程度也明显减弱，在一定程度上改善了4号和5号机组的进水流态。由图11可以看出：方案2（a）～（b）1～4号机组的进口流速分布均匀度与方案1相比较有了一定的提高（提高幅度很小），5号机组的进口流速分布均匀度还有一定小幅度的下降。说明单一的整流墩整流效果仍然难以达到预期目的。

5 组合式整流墩水力优化

5.1 组合式整流墩布置

根据方案2计算结果，方案3取导流墙长度为80 m，在清污机桥前方导流墙侧布置组合式整流墩：在顺水流方向，各整流墩对应清污机桥桥墩;在垂直水流方向，20 m长的整流墩中点对应导流墙端部。方案3的计算模型示意如图12所示。

5.2 组合式整流墩对闸站水流流动的影响

由图13可以看出：组合式整流墩对闸站进水流动影响显著，极大地改善了泵站进水流态。排涝设计工况下，5号机组前方的回流基本消失，水流流动较为均匀;排涝校核工况下，5号机组前方存在着范围较小的回流，但影响有限。由图14可以看出：5号机组进口流速分布均匀度比上述方案均有了较大的提高，1～5号机组进口流速分均匀度大小基本一致。整体而言，组合式整流墩整流效果更佳，基本上达到了闸站水力优化的效果。

综上所述，魏村闸站枢纽上下游导流墙设计长度均为80 m，内河侧组合式整流墩结构布置型式在很大程度上改善了闸站枢纽工程进水水流的流态，避免了在运行机组正向进水口位置出现高强度回流。同时，设计水位工况、校核水位工况均未考虑清污机桥格栅对水流流态的影响。根据类似工程经验，清污机桥格栅对水流具有一定的整流作用，预计排涝校核工况下，对靠近导流墙侧边墩机组前方的小范围回流区将会具有一定的改善作用。

6 湍流动能（TKE）及整流机理

6.1 各方案下湍流动能（TKE）对比

由图15可以看出：原方案回流区的湍流动能（TKE）主要分布范围在0.015～0.035 m2/s2之间;方案1和方案2（导流墙长度均为76 m）的回流区湍流动能（TKE）分布区域有所扩大，方案2的尤为显著;方案3的组合式整流墩基本上消除了泵站边机组前方的回流，边机组前方的湍流动能（TKE）在0.015～0.035 m2/s2范围内的分布区域得以大幅缩小;各方案的湍流耗散率（TDR）均回归到了0.005 m2/s3。可见，方案3的组合式整流墩极大地降低了泵站边机组前方的回流强度。

6.2 整流机理

魏村枢纽闸站前方水流区域宽阔，水流流动遇水閘闸门关闭时，水闸前方会形成大尺度回流，水闸侧水流的流线大曲率弯曲进入泵站机组，部分流线无法平顺，且在导流墙泵站侧形成脱流，最终演变成在边机组前方形成大尺度回流。导流墙过长，泵站边机组前方回流区域范围广，不利于整流消除;导流墙过短，不利于布置整流墩。在合适长度导流墙下，布置单一整流墩仍然难以使进入泵站机组的所有流线平顺，且仍存在部分弯曲流线。因此，基于分析计算结果，布置组合式整流墩，对部分弯曲流线进行二次纠正，可以使最终进入泵站机组的水流具有正向进水特征，水流流态平顺。

7 结 论

通过对魏村枢纽泵站进水流场进行CFD数值模拟分析以及对整流方案开展计算研究，分析了泵站进水流场的流动规律和水力特性，并总结了整流机理，得出结论如下。

（1） 闸站枢纽仅设置导流墙，难以消除泵站靠近导流墙边墩机组前方的大尺度回流等不良流态。

（2） 通过设置单一整流墩，可以有效缩小泵站边墩机组前方的旋涡;但是边机组仍会存在回流现象，因而难以达到预期的整流效果。

（3） 组合式整流墩结合适宜的长度导流墙布置形式，可以基本消除泵站边墩机组前方的回流现象，大幅度地改善进水流态，提高泵站机组的进水效率。

本文研究过程中，结合了相关工程经验，并采用CFD数值模拟方法，将组合式整流墩应用在魏村闸站枢纽泵站进水水流整流布置方案中，并且在初步设计、施工图设计中均得到了采纳应用。目前，已交付该枢纽泵站的施工图并已开工建设。

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（编辑：赵秋云）

Study on water inflow condition improvement of Weicun sluice-pump station by combined rectifier pier

SU Yeping1，XU Wenjun1，XU Jing2，LI Xuede1

（1.Jiangsu Surveying and Design Institute of Water Resources Co.，Ltd.，Yangzhou 225127，China; 2.Yangzhou Survey Design Research Institute Co.，Ltd.，Yangzhou 225127，China）

Abstract：

In the original design scheme of Weicun sluice-pump station in Changzhou City，a large-scale return and vortex easily formed in the front of the units on the diversion wall side，which could even cause the water flow disorder in front of the side units，reduce the operation efficiency of the units，and even cause the vibration of the water pump.For mitigating bad flow patterns，the water flow rectification effect of three different rectification schemes was analyzed by CFD numerical simulation method，and the water flow laws under different schemes were summarized.Based on the above analysis results，the rectification mechanism was analyzed.The calculation results showed that the combined rectifier pier could greatly reduce the lateral large-scale backflow strength of the side-pier unit，the backflow basically disappeared，the water inflow pattern of the pump station under different working conditions were effectively improved，and the water inflow efficiency of the box culvert channel was improved，achieving expected rectification effect.The layout scheme of integrated rectifier pier had been adopted and applied by the preliminary design and construction drawing design，which can provide technical reference for other similar large sluice-pump stations.

Key words：

sluice-pump station junction;bad flow pattern;rectification effect;combined rectifying pier;Weicun junction;Changzhou City