输水泵站扩大改建设计方案比选研究——以郑集站为例

纪凤杰 刘 攀 王 朝 郭连峰 张 楚

（1.徐州市水利建筑设计研究院有限公司，江苏 徐州 221000；2.盐城市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 盐城 224055）

水利工程是我国重要的基础工程，建设水利工程对社会的稳定发展有重要意义[1]。因为水利工程的建设规模在不断扩大，所以要合理配置水资源，确保水利工程发挥作用。泵站水闸是水利工程的重要组成部分，在建设过程中，如果不能有效处理会对水利工程正常运行造成影响[2-3]。在扩大改建输水泵站的工程中，泵站改扩建工程不仅要考虑工程实际需求，还要考虑泵站的实际条件，因此方案比选阶段十分重要，对工程后续建设过程和工程投入等方面起到决定性作用[4]。为进一步提高输水泵站扩大改建方案比选水平，该文以黄河故道郑集站为例，深入分析输水泵站扩大改建方案比选要点。

1 工程简介

1.1 工程概况

郑集站位于铜山区郑集镇东侧，郑集河下游，由东、西两座泵站组成，是江水北调工程的第九级翻水站，承担湖西地区丰、沛、铜3 县1000km2农田灌溉和防洪排涝任务，现状设计总流量为50m3/s。郑集东泵站建于1995 年，安装10 台36ZLB2.8-6.7 型轴流泵，设计流量为25m3/s。在2009 年大型泵站更新改造中拆除郑集西站进行重建，设计流量为25m3/s。经过多年运行，工程主要问题如下：主副厂房伸缩缝处的不均匀沉降较严重，泵房漏雨，水泵的汽蚀破坏严重，效率低，主电动机老化严重，变压器和电气设备使用年限过久，老化严重。

郑集站主要问题如下：1）泵站厂房与检修间连接点沉降，最大沉降超过20mm，主副厂房伸缩缝处不均匀沉降较严重。2）进水池检修门槽质量差，检修闸门严重漏水，封堵困难。3）进水涵洞混凝土闸门砼剥落，露筋严重；止水损坏导致漏水严重。4）水泵的汽蚀破坏严重。叶片正面和背面均有不同程度汽蚀，背面范围更大，程度更严重，汽蚀面积约占叶片表面积的15%～30%，叶片运行4000h，多处接近穿孔，属于严重汽蚀。另外，机组间隙汽蚀也比较严重，叶片外缘已呈锯齿状，叶轮室蚀带宽10cm～18cm，在运行过程中多次出现叶轮室四周严重穿孔现象，甚至导致喇叭管脱落。

1.2 工程地质与水文地质条件

郑集东站进水涵洞基础底高程为26.20m，位于③层壤土上。站身基础底高程为23.06m，位于④层含砂姜壤土上，允许承载力为260kPa。承载力满足要求，采用天然基础。出水池基础底高程为29.80m，出水涵洞基础底高程为29.20m，均位于②层粉砂夹壤土，该层夹粉砂较多，局部呈互层状或团块状，局部夹壤土、淤泥质土薄层，土质不均匀、饱和以及松散，允许承载力为100kPa。下卧层为淤泥质砂壤土，该层土质软弱、压缩性高、承载力低、易流变及产生不均匀沉降，允许承载力为65kPa，须进行地基处理。

该工程属于沂沭泗流域南四湖水系。南四湖由南阳、独山、昭阳和微山4 个湖泊组成，周边与济宁市任城区、鱼台县、滕州市、薛城区、徐州市沛县及铜山区接壤。南四湖湖形狭长，南北长125km，东西宽6km～25km，湖面面积为1300km2，流域面积为31400km2，其中湖西为21600km2，湖东为8500km2，是我国第六大淡水湖，有调节洪水、蓄水灌溉、发展水产、航运交通和改善生态环境等作用。

黄淮气旋多发生在6～9 月，其中7 月最多。该流域的大范围、长历时降水多数由接连出现切变线和低涡造成。该工程采用水温计算有关排水模数，如公式（1）所示。

式中：M为排水模数，m3/s·km2；R为设计净雨量，mm；F为流域面积，km2。

根据计算，得出郑集东站排水模数，见表1。

表1 郑集东站排水模数

设计流量与水位见表2。

表2 郑集东站设计流量与水位

1.3 比选方案分析

原郑集东站设计流量25m3/s，安装10 台36ZLB2.8-6.7 轴流泵。通过安全鉴定得知，土建结构为3 类，可以对其进行加固处理；机电设备为4 类，须全部更新。在老旧泵站的位置进行改建，拆除原郑集东站，在原址建设一座流量为55m3/s 的新泵站，安装6 台1850ZLQ 型轴流泵，水泵效率为84%，进水采用肘型流道，出水流道采用平直管出流，拍门止逆。根据进水形式及站室布置，重建泵站可以采用A、B、C 这3 种方案。具体方案见表3。

表3 郑集东站站比选方案

2 数值模拟方法与计算条件

2.1 控制方程

在流体力学中遵循的流动守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，描述流动守恒定律被称为控制方程[5]。其中质量守恒方程又被称为连续方程，其描述的主要是在单位时间内，微元中的质量增加量与流入微元的静质量相等，通常将水视为不可压缩流体，质量守恒方程如公式（2）所示。

式中：u、v、w为时均速度分量，m/s。

动量守恒定律又被称为动量守恒方程，主要描述微元中，流动产生的动量在时间尺度上的变化率与外界在微元上作用的力相等，黏性为常数的不可压缩流体如公式（3）～公式（5）所示[6]。

式中：Su、Sv、Sw为广义源汇项。

进水口内，水的流动为复杂的三维湍流流动形式，在该形式下，水流呈现漩涡、回流等现象，因此在流体力学的流动守恒定律基础上，需要考虑线流弯曲、二次流和流动分析等方面，模型控制方程除了连续方程与动量守恒方程外，还须考虑雷诺平均N-S 方程、湍动能方程以及湍动能耗散率方程。其中湍动能方程又被称为k方程，如公式（6）所示[7]。

湍动能耗散率方程又被称为ε方程[8]，如公式（7）所示。

克罗内克函数如公式（8）所示。

2.2 数值模型及边界条件

该文主要对方案A 与方案C 进行数值模拟，进一步明确侧向引水、侧向出水以及进、出水水流流态。模拟计算主要采用有限体积法对控制方程进行离散化处理，同时对压力、动量以及湍动能等内容进行二阶离散格式。该工程计算区域较为复杂，数值计算主要采用分块网络生成方法，将计算模型划分为水泵吸水管和进水池内部2 个部分，整体模型采用非结构化网格，根据计算工作的侧重点，将模型中流动较为剧烈的进水口内部区域网格单独细化，在准确计算的前提下，尽可能降低计算难度，发挥计算机最大功效。模型完成后，计算区域中的歪斜率均＜0.97，总体网格质量较好。在整体模型中，流道部分网格总数为16308 个，流场计算区域网格总数为35025 个。

在该文建立的模型中，计算区域认为流体可充分发展，计算入口边界条件中的湍动能k以及湍流强度I的计算如公式（9）和公式（10）所示[9]。

湍动能耗散率如公式（11）所示。

式中：Cμ为湍流模型经验常数，取0.09；l为湍流长度尺寸，m。

流畅出口边界条件如公式（12）所示。

3 方案对比

3.1 数值模拟结果

对方案A 与方案C 进行数值模拟计算，方案A 进水流场初步数值模拟如图1 所示，方案C 进水流场初步数值模拟如图2 所示。在方案A 中，最大水流发生在进水通道内，最大水流能满足建设需求，方案B 并未拆除现有泵站，是在原本泵站的基础上增设郑集东站，增设后主要水流在郑集东站内部，郑集东站内部分为3 条进水通道，最大水流在左侧通道内。2 个方案进水水流流态均较好。

图1 方案A 进水流场初步数值模拟图

图2 方案B 进水流场初步数值模拟图

3.2 方案比选分析

根据数值计算结果，结合工程造价和工程建设规模等内容对比3 个方案，分析结果见表4。通过对方案进行经济技术综合比较，确定该阶段选用方案A，其优点是泵站运行水流流态较好，泵站装机效率较高，常年运行费用低，平面布置紧凑和管理运行方便，缺点是工程建设投资较大，但为保证泵站高效运行及管理区整体布局美观，选取合建方案A。

表4 方案优缺点对比

4 结论

为进一步提高输水泵站扩大改建方案比选工作质量，该文以黄河故道治理工程中郑集站的改扩建工程为研究对象，深入分析输水泵站扩建工程方案比选方式，得出以下结论：1）数值模拟分析结果表明方案A 与方案B在进水水流流态方面均能满足设计需求，但从长远角度看，综合考虑建筑经济、维护效益等方面，选择方案A 作为建设方案。2）研究分析了综合水流控制方程、湍动能方程以及湍动能耗散率方程的泵站水流数值模拟方法以及相应的边界条件等。该文研究内容对后续泵站扩改建工作方案比选工作有参考意义。