高含沙水泵站側(cè)向進(jìn)水前池試驗(yàn)與分析

楊慶勝，顧靖超，竇元之，陸立國(guó)

(1.寧夏水利工程建設(shè)管理局，銀川 750001；2.寧夏水利科學(xué)研究院，銀川 750021)

1 基本情況

鹽環(huán)定揚(yáng)黃泵站更新改造工程是國(guó)家實(shí)施的精準(zhǔn)脫貧項(xiàng)目之一，泵站進(jìn)出水建筑物布置形式和尺寸直接影響水泵性能、裝置效率、工程造價(jià)以及運(yùn)行管理等。一般泵站前池?cái)U(kuò)散段較短，來(lái)流進(jìn)入前池后，水流難以均勻擴(kuò)散，易形成回流、旋渦等不良水流態(tài)，從而影響水泵效率，造成能源浪費(fèi)。嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起噪音、振動(dòng)、汽蝕等現(xiàn)象, 影響水泵正常運(yùn)行。對(duì)于多泥沙河流來(lái)說(shuō)，由于水流中夾帶有大量的泥沙，前池內(nèi)的不良流態(tài)將引起池內(nèi)泥沙淤積，引發(fā)水泵機(jī)組的振動(dòng)、氣蝕并降低水泵的效率[1]。

30年來(lái)，寧夏依托黃河建設(shè)了諸多高揚(yáng)程多梯級(jí)揚(yáng)水工程。薛塞光[2]等通過(guò)對(duì)寧夏最有代表的紅寺堡和固海擴(kuò)溉揚(yáng)水工程泵站前池泥沙淤積狀況的量測(cè)，分析了實(shí)際工程中前池形式與泥沙淤積形態(tài)和規(guī)律，提出了多泥沙河流條件下，前池形式應(yīng)優(yōu)選緊縮性側(cè)向進(jìn)水或圓形進(jìn)水。馬春生[3]等提出多泥沙水源泵站前池防淤的對(duì)策。陳小鵬[4]分析了前池的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及其對(duì)水流流態(tài)和水泵機(jī)組運(yùn)行的不利影響，提出了設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)及改善水流條件的措施等。

泵站前池內(nèi)的水流流動(dòng)是一種復(fù)雜的三維流動(dòng)，目前多采用物理模型來(lái)進(jìn)行研究。模型試驗(yàn)一般采用正態(tài)模型，同時(shí)滿足相應(yīng)的相似準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。

清水模型試驗(yàn)方面，衛(wèi)勇、王孝儉等提出：兩岸岸坡應(yīng)盡量陡一些，直立為最好；水平段不宜設(shè)置攔沙坎；左、右岸擴(kuò)散角應(yīng)盡可能的?。磺俺貎?nèi)的分流墻宜采用直線型，不宜采用折線型；在泵前斜坡段沿橫斷面加設(shè)導(dǎo)流墻(壓水板)，既可增加進(jìn)水池的底部流速；又可在水泵停運(yùn)時(shí)，使斜坡段的泥沙少一些落入進(jìn)水池，從而減少泵前泥沙淤積[5]。周濟(jì)人等通過(guò)針對(duì)側(cè)向進(jìn)水和多泵聯(lián)合運(yùn)行的復(fù)雜前池進(jìn)水流態(tài)的試驗(yàn)，提出通過(guò)加大水流速度以獲得原型相似的模型流速，保證模型內(nèi)水流流動(dòng)能夠正確地模擬前池水流在流道進(jìn)口處的漩渦的生成、發(fā)展情況以及前池內(nèi)大尺度的回旋[6]。鄭源，屈波等結(jié)合廣昌泵站前池水流流態(tài)進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，提出在供水管出口設(shè)置八字形導(dǎo)流隔板、在水泵和后墻之間加隔板，在各種工況下前池水流均勻，無(wú)旋渦產(chǎn)生，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)[7]。

渾水模型方面，何耕等分析了前池中設(shè)置壓水板對(duì)改善水泵進(jìn)水流態(tài)、減少泥沙淤積的機(jī)理，以45°傾斜的壓水板效果最佳[8]。萬(wàn)樂(lè)平[9]通過(guò)寧夏固海擴(kuò)灌六泵站模型試驗(yàn)研究認(rèn)為，多泥沙河流泵站前池?cái)U(kuò)散角不易過(guò)大，擴(kuò)散角過(guò)大會(huì)引起水流脫壁，導(dǎo)致回流和漩渦。

2 模型設(shè)計(jì)與布置

2.1 模型試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過(guò)水工模型試驗(yàn)，觀測(cè)不同水沙條件、不同工況下泵站進(jìn)口流態(tài)、流速分布、前池的淤積形態(tài)，對(duì)多泥沙河流引水工程泵站“緊縮式”側(cè)向進(jìn)流前池關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)研究，論證前池體型設(shè)計(jì)的合理性。根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合其他現(xiàn)有工程實(shí)際情況和設(shè)計(jì)依據(jù)，分析側(cè)向前池的特點(diǎn)，研究前池關(guān)鍵技術(shù)，提出改善前池流態(tài)、提高泵站效率、降低泥沙淤積的泵站“緊縮式”側(cè)向進(jìn)流的優(yōu)化體型和泵站運(yùn)行方式。

2.2 模型相似準(zhǔn)則與比例尺

根據(jù)《水工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》(SL155-2012)[10]進(jìn)行模型設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，模型采用正態(tài)，幾何比例尺選定1∶10。

2.3 模型沙

模型沙一般要求滿足沉降、起動(dòng)流速和糙率等方面的相似條件，研究泵站前池的泥沙淤積問(wèn)題，重點(diǎn)滿足泥沙沉降相似。模型沙容重γs=2.1 t/m3，干容重γ0=0.72 t/m3。

2.4 試驗(yàn)水沙條件

根據(jù)黃河青銅峽站懸沙級(jí)配實(shí)測(cè)資料，試驗(yàn)水流懸沙含沙量采用汛期平均含沙量6.94 kg/m3，非汛期泥沙中值粒徑范圍為0.039～0.054 mm，汛期中值粒徑范圍為0.008～0.024 mm。模型淤積試驗(yàn)汛期細(xì)模型沙中值粒徑選為0.024 5 mm，非汛期粗模型沙中值粒徑選為0.042 mm。

2.5 模型布置

側(cè)向進(jìn)水方案模型范圍包括干渠(原型長(zhǎng)度約50 m)、進(jìn)水閘、前池及8臺(tái)泵吸水管及輸水管。包括模型進(jìn)水穩(wěn)流池、地下水庫(kù)等，模型范圍15 m×3 m，模型布置參見圖1。

圖1 模型布置圖

2.6 觀測(cè)項(xiàng)目與斷面布設(shè)

觀測(cè)項(xiàng)目包括有水位、流態(tài)、流速、含沙量、懸移質(zhì)級(jí)配、前池淤積物形態(tài)等。

模型流速量測(cè)斷面見圖2，具體位置為：渠道彎道段末端及漸變段起始段和前池中在1號(hào)～8號(hào)泵中線方向，共10個(gè)斷面，每個(gè)測(cè)速斷面布設(shè)五條垂線，每條垂線布測(cè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)。進(jìn)口含沙量量測(cè)斷面與測(cè)流斷面LV-2一致。水位量測(cè)共布置6個(gè)斷面：渠道布置一個(gè)，位置與測(cè)流斷面LV-2一致，前池布置5個(gè)，分別與測(cè)速斷面LV-3、LV-5、LV-7、LV-10一致。

圖2 流速量測(cè)斷面位置圖

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

前池有3種寬度體型：前池9.1 m方案(前池前端寬度9.1 m，末端寬度6.5 m)、前池6 m方案(前端寬度6 m、末端寬度3 m)以及前池3 m方案(前端寬度3 m、末端寬度2 m)，3種方案前池長(zhǎng)度均為67.76 m。前池底高程1 231.15 m，喇叭口中心高程1 233.08 m，前池內(nèi)水泵吸水口為彎喇叭口，水泵吸水口伸進(jìn)前池長(zhǎng)度為1.8 m，進(jìn)水前池最小水位1 235.13 m，設(shè)計(jì)水位1 236.30 m。

3.1 前池9.1 m方案

3.1.1 清水試驗(yàn)

清水試驗(yàn)工況見表1，前池內(nèi)垂線平均流速分布見圖3、圖4。

表1 9.1 m前池方案清水試驗(yàn)工況表

圖3 前池內(nèi)垂線平均流速分布圖(工況1)

圖4 前池內(nèi)平面流速分布圖(工況2)

3.1.2 泥沙淤積試驗(yàn)

泥沙淤積試驗(yàn)按照100%設(shè)計(jì)流量(Q=11.67 m3/s)控制，關(guān)8號(hào)泵、平均含沙量S=6.94 kg/m3，模擬非汛期粗泥沙(d50=0.042 5 mm)和汛期細(xì)泥沙(d50=0.024 5 mm)兩種工況，持續(xù)引水44 h的淤積過(guò)程。試驗(yàn)對(duì)前池淤積情況進(jìn)行了觀測(cè)，前池淤積物形態(tài)圖見圖5、圖6。

圖5 前池內(nèi)淤積物的淤積形態(tài)圖(非汛期粗泥沙)

圖6 前池內(nèi)淤積物的淤積形態(tài)圖(汛期細(xì)泥沙)

非汛期粗泥沙工況：前池上游斷面淤積厚度略大于下游，4號(hào)泵上游斷面平均淤積厚度1.1 m，4號(hào)泵下游斷面平均淤積厚度0.8 m。

汛期細(xì)泥沙工況：前池1號(hào)～4號(hào)泵斷面平均淤積厚度0.88 m，略小于前一種工況；在7號(hào)泵下游斷面平均淤積厚度略大于前一種工況。

3.1.3 小 結(jié)

將前池9.1 m方案各工況下，前池的水流流態(tài)、流速分布情況以及泥沙淤積情況匯總于表2。從表中可以看出，前池9.1 m方案中，水流流態(tài)整體平穩(wěn)；相同工況、相同運(yùn)行時(shí)間條件下，前池左側(cè)底部貼角對(duì)淤積量的影響不大，非汛期來(lái)沙較粗，泵站非汛期運(yùn)行前池內(nèi)泥沙淤積量要稍大于汛期運(yùn)行。

表2 前池9.1 m方案成果匯總表

3.2 前池6.0 m方案

前池6.0 m方案的前池內(nèi)水泵吸水口為直喇叭口，伸進(jìn)前池內(nèi)長(zhǎng)度為0.8 m，其余尺寸同前池9.1 m方案。

3.2.1 清水實(shí)驗(yàn)

該試驗(yàn)共進(jìn)行5種工況，詳見表3。不同工況前池內(nèi)流速分布圖見圖7～圖11。

圖7 前池內(nèi)垂線平均流速分布圖(工況1)(單位：m/s)

表3 6.0 m前池方案清水試驗(yàn)試驗(yàn)工況表

圖8 前池內(nèi)垂線平均流速分布圖(工況2)(單位：m/s)

圖9 前池內(nèi)垂線平均流速分布圖(工況3)(單位：m/s)

圖10 前池內(nèi)垂線平均流速分布圖(工況4)(單位：m/s)

圖11 前池內(nèi)垂線平均流速分布圖(工況5)(單位：m/s)

3.2.2 泥沙淤積試驗(yàn)

工況1是模擬關(guān)2號(hào)泵、持續(xù)引水44 h的淤積過(guò)程，前池淤積物形態(tài)圖見圖12。

圖12 前池內(nèi)淤積物的淤積形態(tài)圖(設(shè)計(jì)流量、關(guān)2號(hào))

工況2為模擬開2號(hào)、3號(hào)、8號(hào)泵、持續(xù)引水44 h的淤積過(guò)程，前池淤積物形態(tài)圖見圖13。該工況為50%流量，設(shè)計(jì)水位。

圖13 前池內(nèi)淤積物的淤積形態(tài)圖(工況2)

3.2.3 小 結(jié)

前池6.0方案的水流流態(tài)、流速分布情況以及泥沙淤積情況匯總于表4。設(shè)計(jì)水位條件下，水流流態(tài)整體平穩(wěn)，最小水位條件下，前池表面有非貫通性表面回流漩渦；與前池9.1 m方案相比，相同水流條件下，前池尺寸縮窄，各斷面流速相應(yīng)增加；同水位條件下，泵站50%流量運(yùn)行前池內(nèi)泥沙淤積量大于泵站100%流量運(yùn)行。

表4 前池6.0 m方案試驗(yàn)匯總表

3.3 前池3.0 m方案

前池3 m方案的水泵吸水口伸進(jìn)前池長(zhǎng)度為1.4 m，形式為彎喇叭口，對(duì)該方案進(jìn)行了清水試驗(yàn)、漩渦觀測(cè)試驗(yàn)和泥沙淤積試驗(yàn)的觀測(cè)，試驗(yàn)工況見表5。

表5 前池3.0 m試驗(yàn)工況表

3.3.1 清水試驗(yàn)

前池內(nèi)流速分布圖見圖14～圖15。

圖14 前池內(nèi)平面流速分布圖(工況1)(單位：m/s)

3.3.2 泥沙淤積試驗(yàn)

圖15 前池內(nèi)平面流速分布圖(工況2)(單位：m/s)

前池淤積物形態(tài)圖見圖16。

圖16 前池內(nèi)淤積物的淤積形態(tài)圖(工況4)

3.3.3 小 結(jié)

將前池3 m方案各工況下，前池的水流流態(tài)、流速分布情況以及泥沙淤積情況匯總于表6。從表6中可以看出，前池3 m方案中，前池水流均有波動(dòng)；最小水位條件下，前池水面有較大波動(dòng)(波動(dòng)范圍-0.5～0.5 m)，局部有非貫通表面回流漩渦出現(xiàn)；與前池9.1 m方案相比，相同水流條件下，前池各斷面平均流速增大3倍左右，泥沙淤積量明顯減小。

表6 前池3.0 m方案試驗(yàn)匯總表

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)側(cè)向進(jìn)水方案前池9.1、6、3 m不同工況下前池流態(tài)、流速分布以及淤積形態(tài)進(jìn)行了量測(cè)，主要結(jié)論和建議如下。

(1)設(shè)計(jì)流量下前池9.1、6、3 m 3種體型下，前池水流流態(tài)均比較平順，水泵吸水口附近，未發(fā)現(xiàn)有貫通性漏斗漩渦。在50%設(shè)計(jì)流量、最小水位工況下，前池前端3 m體型下，前池水面波動(dòng)范圍-0.3～0.3 m，局部有非貫通表面回流漩渦，最大直徑0.5 m左右。

(2)前池3種不同尺寸體型中，在試驗(yàn)水沙條件下均存在不同程度的淤積，前池縮窄后，前池內(nèi)上段淤積厚度明顯減少。3種體型中，在相同水沙條件下，前池前端9.1 m寬度體型中淤積最多，前池首端3m寬度體型中淤積最少。

(3)前池底部貼角對(duì)前池淤積影響不明顯。泵站進(jìn)水口改為直喇叭口后，淤積高程有所增加。

(4)黃河流域多泥沙特征下的揚(yáng)水工程泵站前池形式受到諸多因素影響，本次有針對(duì)性的模型試驗(yàn)研究取得的成果，對(duì)鹽環(huán)定揚(yáng)水工程更新改造泵站設(shè)計(jì)有一定的參考，設(shè)計(jì)單位在泵站工程設(shè)計(jì)方案比選時(shí)，還應(yīng)綜合考慮其他因素，進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)。

(5)對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的一些異常現(xiàn)象，還有待于今后進(jìn)一步的深入研究與論證。