輸水泵站擴大改建設計方案比選研究
——以鄭集站為例

紀鳳杰 劉 攀 王 朝 郭連峰 張 楚

（1.徐州市水利建筑設計研究院有限公司，江蘇 徐州 221000；2.鹽城市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 鹽城 224055）

水利工程是我國重要的基礎工程，建設水利工程對社會的穩(wěn)定發(fā)展有重要意義[1]。因為水利工程的建設規(guī)模在不斷擴大，所以要合理配置水資源，確保水利工程發(fā)揮作用。泵站水閘是水利工程的重要組成部分，在建設過程中，如果不能有效處理會對水利工程正常運行造成影響[2-3]。在擴大改建輸水泵站的工程中，泵站改擴建工程不僅要考慮工程實際需求，還要考慮泵站的實際條件，因此方案比選階段十分重要，對工程后續(xù)建設過程和工程投入等方面起到?jīng)Q定性作用[4]。為進一步提高輸水泵站擴大改建方案比選水平，該文以黃河故道鄭集站為例，深入分析輸水泵站擴大改建方案比選要點。

1 工程簡介

1.1 工程概況

鄭集站位于銅山區(qū)鄭集鎮(zhèn)東側(cè)，鄭集河下游，由東、西兩座泵站組成，是江水北調(diào)工程的第九級翻水站，承擔湖西地區(qū)豐、沛、銅3 縣1000km2農(nóng)田灌溉和防洪排澇任務，現(xiàn)狀設計總流量為50m3/s。鄭集東泵站建于1995 年，安裝10 臺36ZLB2.8-6.7 型軸流泵，設計流量為25m3/s。在2009 年大型泵站更新改造中拆除鄭集西站進行重建，設計流量為25m3/s。經(jīng)過多年運行，工程主要問題如下：主副廠房伸縮縫處的不均勻沉降較嚴重，泵房漏雨，水泵的汽蝕破壞嚴重，效率低，主電動機老化嚴重，變壓器和電氣設備使用年限過久，老化嚴重。

鄭集站主要問題如下：1）泵站廠房與檢修間連接點沉降，最大沉降超過20mm，主副廠房伸縮縫處不均勻沉降較嚴重。2）進水池檢修門槽質(zhì)量差，檢修閘門嚴重漏水，封堵困難。3）進水涵洞混凝土閘門砼剝落，露筋嚴重；止水損壞導致漏水嚴重。4）水泵的汽蝕破壞嚴重。葉片正面和背面均有不同程度汽蝕，背面范圍更大，程度更嚴重，汽蝕面積約占葉片表面積的15%～30%，葉片運行4000h，多處接近穿孔，屬于嚴重汽蝕。另外，機組間隙汽蝕也比較嚴重，葉片外緣已呈鋸齒狀，葉輪室蝕帶寬10cm～18cm，在運行過程中多次出現(xiàn)葉輪室四周嚴重穿孔現(xiàn)象，甚至導致喇叭管脫落。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

鄭集東站進水涵洞基礎底高程為26.20m，位于③層壤土上。站身基礎底高程為23.06m，位于④層含砂姜壤土上，允許承載力為260kPa。承載力滿足要求，采用天然基礎。出水池基礎底高程為29.80m，出水涵洞基礎底高程為29.20m，均位于②層粉砂夾壤土，該層夾粉砂較多，局部呈互層狀或團塊狀，局部夾壤土、淤泥質(zhì)土薄層，土質(zhì)不均勻、飽和以及松散，允許承載力為100kPa。下臥層為淤泥質(zhì)砂壤土，該層土質(zhì)軟弱、壓縮性高、承載力低、易流變及產(chǎn)生不均勻沉降，允許承載力為65kPa，須進行地基處理。

該工程屬于沂沭泗流域南四湖水系。南四湖由南陽、獨山、昭陽和微山4 個湖泊組成，周邊與濟寧市任城區(qū)、魚臺縣、滕州市、薛城區(qū)、徐州市沛縣及銅山區(qū)接壤。南四湖湖形狹長，南北長125km，東西寬6km～25km，湖面面積為1300km2，流域面積為31400km2，其中湖西為21600km2，湖東為8500km2，是我國第六大淡水湖，有調(diào)節(jié)洪水、蓄水灌溉、發(fā)展水產(chǎn)、航運交通和改善生態(tài)環(huán)境等作用。

黃淮氣旋多發(fā)生在6～9 月，其中7 月最多。該流域的大范圍、長歷時降水多數(shù)由接連出現(xiàn)切變線和低渦造成。該工程采用水溫計算有關排水模數(shù)，如公式（1）所示。

式中：M為排水模數(shù)，m3/s·km2；R為設計凈雨量，mm；F為流域面積，km2。

根據(jù)計算，得出鄭集東站排水模數(shù)，見表1。

表1 鄭集東站排水模數(shù)

設計流量與水位見表2。

表2 鄭集東站設計流量與水位

1.3 比選方案分析

原鄭集東站設計流量25m3/s，安裝10 臺36ZLB2.8-6.7 軸流泵。通過安全鑒定得知，土建結(jié)構(gòu)為3 類，可以對其進行加固處理；機電設備為4 類，須全部更新。在老舊泵站的位置進行改建，拆除原鄭集東站，在原址建設一座流量為55m3/s 的新泵站，安裝6 臺1850ZLQ 型軸流泵，水泵效率為84%，進水采用肘型流道，出水流道采用平直管出流，拍門止逆。根據(jù)進水形式及站室布置，重建泵站可以采用A、B、C 這3 種方案。具體方案見表3。

表3 鄭集東站站比選方案

2 數(shù)值模擬方法與計算條件

2.1 控制方程

在流體力學中遵循的流動守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，描述流動守恒定律被稱為控制方程[5]。其中質(zhì)量守恒方程又被稱為連續(xù)方程，其描述的主要是在單位時間內(nèi)，微元中的質(zhì)量增加量與流入微元的靜質(zhì)量相等，通常將水視為不可壓縮流體，質(zhì)量守恒方程如公式（2）所示。

式中：u、v、w為時均速度分量，m/s。

動量守恒定律又被稱為動量守恒方程，主要描述微元中，流動產(chǎn)生的動量在時間尺度上的變化率與外界在微元上作用的力相等，黏性為常數(shù)的不可壓縮流體如公式（3）～公式（5）所示[6]。

式中：Su、Sv、Sw為廣義源匯項。

進水口內(nèi)，水的流動為復雜的三維湍流流動形式，在該形式下，水流呈現(xiàn)漩渦、回流等現(xiàn)象，因此在流體力學的流動守恒定律基礎上，需要考慮線流彎曲、二次流和流動分析等方面，模型控制方程除了連續(xù)方程與動量守恒方程外，還須考慮雷諾平均N-S 方程、湍動能方程以及湍動能耗散率方程。其中湍動能方程又被稱為k方程，如公式（6）所示[7]。

湍動能耗散率方程又被稱為ε方程[8]，如公式（7）所示。

克羅內(nèi)克函數(shù)如公式（8）所示。

2.2 數(shù)值模型及邊界條件

該文主要對方案A 與方案C 進行數(shù)值模擬，進一步明確側(cè)向引水、側(cè)向出水以及進、出水水流流態(tài)。模擬計算主要采用有限體積法對控制方程進行離散化處理，同時對壓力、動量以及湍動能等內(nèi)容進行二階離散格式。該工程計算區(qū)域較為復雜，數(shù)值計算主要采用分塊網(wǎng)絡生成方法，將計算模型劃分為水泵吸水管和進水池內(nèi)部2 個部分，整體模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，根據(jù)計算工作的側(cè)重點，將模型中流動較為劇烈的進水口內(nèi)部區(qū)域網(wǎng)格單獨細化，在準確計算的前提下，盡可能降低計算難度，發(fā)揮計算機最大功效。模型完成后，計算區(qū)域中的歪斜率均＜0.97，總體網(wǎng)格質(zhì)量較好。在整體模型中，流道部分網(wǎng)格總數(shù)為16308 個，流場計算區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)為35025 個。

在該文建立的模型中，計算區(qū)域認為流體可充分發(fā)展，計算入口邊界條件中的湍動能k以及湍流強度I的計算如公式（9）和公式（10）所示[9]。

湍動能耗散率如公式（11）所示。

式中：Cμ為湍流模型經(jīng)驗常數(shù)，取0.09；l為湍流長度尺寸，m。

流暢出口邊界條件如公式（12）所示。

3 方案對比

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

對方案A 與方案C 進行數(shù)值模擬計算，方案A 進水流場初步數(shù)值模擬如圖1 所示，方案C 進水流場初步數(shù)值模擬如圖2 所示。在方案A 中，最大水流發(fā)生在進水通道內(nèi)，最大水流能滿足建設需求，方案B 并未拆除現(xiàn)有泵站，是在原本泵站的基礎上增設鄭集東站，增設后主要水流在鄭集東站內(nèi)部，鄭集東站內(nèi)部分為3 條進水通道，最大水流在左側(cè)通道內(nèi)。2 個方案進水水流流態(tài)均較好。

圖1 方案A 進水流場初步數(shù)值模擬圖

圖2 方案B 進水流場初步數(shù)值模擬圖

3.2 方案比選分析

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，結(jié)合工程造價和工程建設規(guī)模等內(nèi)容對比3 個方案，分析結(jié)果見表4。通過對方案進行經(jīng)濟技術綜合比較，確定該階段選用方案A，其優(yōu)點是泵站運行水流流態(tài)較好，泵站裝機效率較高，常年運行費用低，平面布置緊湊和管理運行方便，缺點是工程建設投資較大，但為保證泵站高效運行及管理區(qū)整體布局美觀，選取合建方案A。

表4 方案優(yōu)缺點對比

4 結(jié)論

為進一步提高輸水泵站擴大改建方案比選工作質(zhì)量，該文以黃河故道治理工程中鄭集站的改擴建工程為研究對象，深入分析輸水泵站擴建工程方案比選方式，得出以下結(jié)論：1）數(shù)值模擬分析結(jié)果表明方案A 與方案B在進水水流流態(tài)方面均能滿足設計需求，但從長遠角度看，綜合考慮建筑經(jīng)濟、維護效益等方面，選擇方案A 作為建設方案。2）研究分析了綜合水流控制方程、湍動能方程以及湍動能耗散率方程的泵站水流數(shù)值模擬方法以及相應的邊界條件等。該文研究內(nèi)容對后續(xù)泵站擴改建工作方案比選工作有參考意義。