平山堂泵站进水池泥沙淤积成因研究

陈 伟 陈冠通 李尚红

(1.江苏省江都水利工程管理处,江苏 扬州 225200;2.江苏省泗洪县水利局,江苏 泗洪 223900)

平山堂泵站工程于2014年9月9日开工建设,2015年9月建成,工程概算投资10969万元。工程布置于江苏省扬州市邗江区扬子江路与农科院之间,泵房东侧边线距扬子江路边线约32m。进水通过434m长双排顶管穿越平山堂路和扬子江北路,连接瘦西湖支流家禽河;出水通过沿平山堂西路北侧新开850m河道(包括200m顶管和120m箱涵)与原沿山河头部相连。泵站设计流量10m3/s,配备4台900ZLB-85立式轴流泵,单台装机容量为180kW。工程平面布置图见图1。该泵站是扬州城区“清水活水”工程的关键节点工程,可将瘦西湖活水引入沿山河,使东部水系与西部水系彻底打通,实现邵伯湖→古运河→瘦西湖→沿山河→新城河水系和赵家沟水系的水系联通。平山堂泵站在日常运行中,机组运行到3000多台时就出现了振动、噪声较大的现象;经水下检查发现,进水池淤积较严重;水泵解体检查发现各部件磨损严重,与水体含沙量高有关。因此有必要采用CFD技术对进水池内的流态进行泥沙淤积的数值模拟,总结出泥沙淤积的过程,分析出泥沙淤积的原因,进而为减淤措施提供思路。

图1 平山堂泵站平面布置

1 泥沙淤积对泵站运行的危害

泥沙问题是我国河流的突出问题,河流中所含的泥沙颗粒将会给泵站的运行、管理造成诸多困难与问题[1]。挟沙水流中的泥沙容易在泵站前池或进水池淤积,导致过水断面减小,引起水流流向改变,使得进水流态进一步恶化。其结果一方面会降低水泵的运行效率,导致输水耗能和成本的增加;另一方面在进水池内淤积的泥沙可能会使得进水断面缩减,减少喇叭管悬空高度,使得实际运行状况远远偏离设计标准,产生吸气旋涡进入水泵,导致机组强烈振动,水中挟带的大量泥沙颗粒还会进入轴颈与轴承间隙导致轴颈与轴承严重磨损。

2 平山泵站水样分析

依据平山堂泵站长期观测数据,选取了低含沙量期和高含沙量期的水样进行比对分析,采样位置位于泵站出水侧河道水流平缓处。

经分析,低含沙工况含沙量为440g/m3,高含沙工况含沙量为650g/m3,颗粒分析成果见图2和图3。

图2 低含沙工况粒径分布

图3 高含沙工况粒径分布

根据实际采取的水样,换算出低泥沙浓度工况下泥沙的体积分数为0.000176,高泥沙浓度工况下泥沙的体积分数为0.00026。

3 设计水位组合下的模拟计算

目前国内外学者对于泵站含沙水流有许多研究[2-3],陆林广等[4]采用数值模拟的方法对泵站进水流道的流态进行了研究,分析了流道高度、圆锥角、弯曲段形状等因素对流态的影响。Ansar等[5]将泵站进水池流动的数值模拟结果与试验结果进行对比,验证了无论泵站是正向还是侧向进水,数值模拟结果与实验结果均基本一致,能满足实际运用需求。高传昌等学者[6-10]采用雷诺时均N-S方程结合标准k-ε湍流等模型对泵站前池与进水池整流方案进行了数值模拟,并通过现场试验验证取得了明显成效。

在设计水位组合下,泵站4台机组全开,单机流量2.5m3/s,泵站站身进水侧水位4.062m,出水侧水位7.838m。运用MESH划分非结构化网格,网格尺寸采用0.15m。

通过Fluent进行数值模拟计算,分析了含沙工况、设计水位组合下计算区域的流速分布、流线分布、泥沙淤积位置等信息,研究平山堂泵站进水侧的水流条件。软件计算时参数设置为瞬态。采用Tecplot进行结果的后处理。

运用Fluent进行数值模拟,通过记录不同运行时间后底层泥沙体积分数后,得到在设计水位组合下,高、低两种含沙浓度水流工况下泥沙的淤积变化过程,见图4和图5。

图4 设计水位组合低泥沙工况下泥沙淤积变化

图5 设计水位高泥沙工况泥沙淤积变化

在设计水位低泥沙工况下运行1200s的结果为:内侧进水结构内泥沙淤积面积为23.83m2、质量为2462.1kg,外侧进水结构内泥沙淤积面积为23.50m2、质量为2330.0kg。

在设计水位高泥沙工况下运行1200s的结果为:内侧进水结构内泥沙淤积面积为31.05m2、质量为3421.5kg,外侧进水结构内泥沙淤积面积为32.97m2、质量为3422.5kg。

基于设计水位组合下两种不同泥沙浓度的泥沙淤积变化图,可以得到以下的泥沙淤积规律:

a.当水位组合相同时,水流含沙浓度越高,淤积就越加严重。

b.在低泥沙浓度工况与高泥沙浓度工况下,泥沙淤积规律基本一致,即:泥沙先从沉井处开始淤积,随着水泵的运行,沉井处的泥沙被水流冲向进水箱涵段,随着水泵的进一步运行,箱涵里的泥沙因为水流的冲刷在箱涵的分叉处产生分离,泥沙更多地向内侧箱涵淤积。随着水泵的进一步运行,圆弧中心处的泥沙被水流冲刷到箱涵的尾部,但由于进水池底坎的存在,大部分的泥沙在此处堆积。当水泵继续运行时,箱涵内的泥沙从向箱涵的尾部逐步向箱涵的头部淤积。随着水泵的长时间运行,淤积范围变大,淤积程度加重。

c.泥沙的淤积位置主要集中在进水箱涵的圆弧段。

将原始方案在设计水位组合下的模拟结果经Tecplot软件进行图像处理后,得到底层断面流线图,见图6。

图6 设计水位工况下底层断面流线(H=0m)

通过底层断面流线图、断面流速图可以清楚地发现:

a.在进水管与沉井连接处存在一定范围内的回流区。

b.进水箱涵圆弧段的流线较为稀疏,并且箱涵内侧的流线比箱涵外侧的流线更加稀疏,箱涵内的外侧流速比内侧流速高。

c.第一道进水箱涵的内侧边壁存在一个底层漩涡。

d.平山堂泵站存在偏流问题。

4 校核水位工况下的模拟计算

运用Fluent进行数值模拟,通过记录不同运行时间后底层的泥沙体积分数,得到在校核水位组合下,高、低两种含沙浓度水流工况下泥沙的淤积变化过程,见图7和图8。

图7 校核水位低泥沙工况泥沙淤积位置变化

图8 校核水位高泥沙工况泥沙淤积位置变化过程

通过对校核水位低泥沙工况下运行1200s的结果进行分析,得出内侧进水结构内泥沙淤积面积为22.48m2、质量为2342.8kg,外侧进水结构内泥沙淤积面积为22.87m2、质量为2272.9kg。

通过对校核水位高泥沙工况下运行1200s的结果进行分析,得出内侧进水结构内泥沙淤积面积为28.68m2、质量为3167.6kg,外侧进水结构内泥沙淤积面积为32.17m2、质量为3320.3kg。

通过对校核水位组合下高、低两种泥沙浓度下的数值模拟,分析得到泥沙淤积位置变化情况,可以看出:两种水位组合下,泥沙的淤积规律基本一致。

对比分析两种水位组合下的数值模拟结果可以发现:相同水流含沙浓度不同的水位组合,水深越小,泥沙淤积就越严重。

将校核水位组合下的模拟结果通过Tecplot软件进行图像处理,得到底层断面流线图,见图9。

图9 校核水位工况底层流线图(H=0m)

5 泥沙淤积的成因分析

通过对数值模拟得出的泥沙淤积位置变化过程图、底层流线图进行分析后,可以得出以下结论:

a.进水管与沉井连接处的底层水流在靠近内侧边壁存在回流形成死水区,造成沉井内测边壁先出现泥沙淤积。

b.圆弧形的进水箱涵导致底层水流流线稀疏,流速较小,引起了泥沙的沉降淤积。

c.水流在圆弧段产生了离心力,导致进水箱涵段外侧流线较为密集,流速较大,内侧流线稀疏流速较小,使得泥沙主要淤积在箱涵的内侧。

d.由于进水池底坎的阻碍作用,使得工程在持续运行过程中,泥沙难以进入进水池内,导致箱涵段泥沙淤积严重。

6 结 语

本文对平山堂泵站设计、校核两种水位组合下高、低泥沙工况进行了数值模拟,得出了流速流线图以及泥沙淤积位置变化的过程图。通过分析,总结出了泥沙淤积的过程,即泥沙淤积从进水箱涵的圆弧起点开始,随着水泵的运行,沿着水流方向发展,当运动到底坎处后,因受底坎阻碍再反向蔓延;随着水泵的运行时间增加,淤积范围逐步变大,淤积程度加重。此外得出了泥沙的淤积规律,即相同水位组合下,高含沙工况的淤积更为严重;相同泥沙浓度工况下,水深越大泥沙淤积越严重;同一进水箱涵内,箱涵内侧淤积比外侧严重;各个运行工况下,泥沙淤积规律基本一致。本文为同类型的平原泵站进水池淤积成因分析提供了思路,同时对含沙河流的泵站优化研究有一定的参考价值。