改善城市排水泵站進水流態的試驗研究

羅海軍，張 睿，徐 輝,

(1.河海大學 水利水電學院，江蘇 南京 210098；2.河海大學 農業工程學院，江蘇 南京 210098)

0 引 言

城市排水泵站因受用地面積限制、排水管網布置、施工條件復雜等因素影響，使得泵站進水建筑物難以按照泵站設計規范中水力條件良好的要求布置。因此，城市排水泵站進水建筑物尺寸偏小、布置局促，水力條件復雜，容易在前池和進水池內產生漩渦、回流、橫向流動等不良水力現象，進而會造成水泵能量性能下降，甚至會引起水泵機組振動和誘發汽蝕現象等[1]。因此，改善城市排水泵站進水系統內的不良流態，對于保障其運行的安全可靠性具有重要意義。

目前，增設整流措施是有效改善泵站進水系統內水流流態的主要方法，諸多學者對此開展了深入廣泛的研究[2-6]。夏臣智等[7]研究了倒T型底坎對前池流態改善的影響，結果表明倒T型底坎可顯著改善前池中的流態，提高邊側機組的流速，改善前池中流速分布均勻度；洪磊等[8]通過數值計算和物理模型試驗相結合的手段，研究了前池壓水板對改善前池流態的影響，明確了合理的壓水板布置參數；陸曉如等[9]通過模型試驗研究了導流墩對泵站進水池流態的改善效果，結果表明導流墩可以有效改善進水池進水流態，提高水泵運行工作效率；項曉嬡等[10]以一大型泵站為例，研究了十字消渦板對喇叭管下方水體及進入喇叭管內部水體的整流效果。對于泵站進水系統流態的改善，大多數研究者所提出的整流措施較為單一，對于水力條件較為復雜的城市排水泵站來說，其改善效果十分有限。組合式整流措施通過合理運用多種整流方案，能夠較為全面地改善泵站進水系統水流流態[11,12]，是值得研究和推廣應用的新型整流措施，但目前對此研究還普遍偏少。

某城市排水泵站由于受到占地面積、施工條件等因素的限制，布局較為緊促，為分析該泵站進水系統的水力流動特性，本文基于物理模型試驗的方法，研究該泵站進水箱涵、前池及進水池內的水流流態，并針對存在的不良流動現象，提出一種組合式整流措施并分析其對泵站進水系統水力流動特性的改善效果，以期為泵站設計提供參考。

1 研究對象

1.1 泵站概況

某城市排水泵站由斜向進水總管進流，經閘門井向兩側進水箱涵和前池配水，泵站排水總流量為20.4 m3/s，屬于大型城市排水泵站，水泵采用干式抽芯混流泵，共6臺，其中單泵流量為3.4 m3/s，揚程為6.9 m，功率為400 kW。泵站設置左右前池兩個，前池對稱布置，前池總長13.85 m，前池底部高程-8.0 m，最高水位-1.1 m，進水池的長度為5.3 m，相鄰兩泵的泵中心線相距4 m。泵站結構圖如圖1所示，水泵機組編號從上至下為1、2、3、4、5和6號，進水箱涵從上至下編號為1孔、2孔、3孔、4孔。

圖1 泵站結構圖(尺寸單位：mm)Fig.1 the structure of pump station

1.2 物理模型設計

2 原方案流態分析

圖2是模型試驗中測得的斷面垂線平均流速分布圖，圖中流速均換算為原型泵站的流速，圖3是模型試驗觀測的前池表面流態圖。模型試驗發現，進水管出流集中，在閘門井中產生回流，主流斜向流入閘門井，受箱涵頭部隔墻和前池布置形式影響，水流分為兩股流入箱涵，使得箱涵內配水不均，箱涵中間孔過流量較大，兩側孔過流量較小，1孔箱涵、2孔箱涵、3孔箱涵、4孔箱涵過流流量占總流量的百分比分別是8.3%、52.1%、27.2%、12.4%，前池內流速分布很不均勻，最大流速是最小流速的38倍，且斷面1、斷面2有反向流速出現。由于箱涵來流不均勻，主流偏向一側，且前池擴散角過大，水流在前池內形成大范圍回流區，造成水泵配水不均勻，受前池擴散段底坡影響，前池末端立面流速分布上，表面流速較大，底層流速較小，對水泵進流不利。進水池前流速分布不均勻，橫向水流明顯，進水流道內無任何消渦裝置，部分進水池內有回流及間歇性吸氣渦產生。

圖2 泵站斷面垂線平均流速分布圖(流速單位：m/s)Fig.2 Pump station cross-section vertical flow velocity distribution map

圖3 前池表面流態圖Fig.3 Flow state diagram of for-bay

3 組合式整流措施的研究

3.1 整流措施設計

由于占地面積、工程造價等方面的原因，在不改變泵站主體結構的情況下，提出合理的工程整流措施，改善泵站內不良水力流態，對于泵站的安全高效運行至關重要。導流墩是泵站前池調整流態的一種常用工程措施，原理是通過不同角度導流墩的導流作用，對來流進行分割，并強迫其轉向，減小前池平面擴散角，在平面上均化水流，消除拖壁回流、偏流等不良流態[13]。為了防止進水池內產生漩渦、吸氣渦等不良流態，可在進水池進口添加消渦板。

為使前池、進水池流態更好地改善，首先應使四孔箱涵過流過流流量盡量相近，擬決定在閘門井內設置導流墩，使得進入四孔箱涵的流量盡量分配均勻。在四孔箱涵來流盡量相等的情況下，在前池、進水池設置合理的工程整流措施，與閘門井內整流措施組成組合式整流措施，從而更加有利于改善前池、進水池流態。對閘門井、前池、進水池內整流措施的組合進行了多組次多方案的試驗比較，最終選擇在閘門井內設置3個導流墩，在前池設置川字型導流墩，前池首段添加一道橫梁，橫梁頂部距最高水位進水池進口各設置一塊消渦板，使水流進水池底部進入進水池，從而構建了一種“導流墩+橫梁+消渦板”的組合式整流措施，整流措施相對位置如圖4所示，模型實物圖如圖5所示。

圖4 組合式整流措施布置圖(尺寸單位：mm)Fig.4 Layout of combined rectification measures

圖5 組合式整流措施模型布置圖Fig.5 Model layout of combined rectification measures

3.2 改善效果分析

圖6是整流后泵站斷面垂線平均流速分布圖，圖7是整流后前池表面流態圖，圖8是1號進水池3個測點的垂線流速分布圖，其中由于進水池進口斷面上層為消渦板結構，消渦板后基本為滯水區，因而斷面3-3僅量測下部四層流速。由圖6-8可知，通過在閘門井井內設置導流墩，利用導流墩導流、繞流、分割水流的作用，使得四孔箱涵流量分配較為均勻，1孔、2孔、3孔、4孔過流流量占總流量的百分比分別為29.8%、23.7%、21.2%、25.3%，較原方案改善較為明顯，有利于前池進水流態的改善；川字型導流墩具有導流、分流的作用，能有效減弱前池大尺度表面漩渦，使得水流均勻性提高，因此在前池擴散段，來流受導流墩和橫梁作用影響，前池表面基本無回流、漩渦等不良流態產生，橫梁立面上使部分水流下壓，增大了底層流速，減小了表層流速，水流平面方向上向前池兩側均勻擴散，在立面方向上向前池底部擴散，在前池末端，平面流速分布趨于均勻，立面流速呈底部流速稍大，表層流速稍小，對水泵底部抽水有利；進水池內水流均勻平順，底部流速較大，使得大部分水流從進水池底部流入水泵吸水口，表層水流流速較低，有利于防止表面漩渦產生。

圖6 整流后泵站斷面垂線平均流速分布圖(流速單位：m/s)Fig.6 Average flow velocity distribution of the section of the pumping station after rectification

圖7 整流后前池表面流態圖Fig.7 Flow state diagram of for-bay after rectification

圖8 1號進水池測點垂線流速分布(流速單位：m/s)Fig.8 Vertical velocity distribution of No.1 suction sump

為了進一步分析組合式整流措施對泵站前池、進水池流態的改善的效果，決定采用文獻[8]中的公式來計算泵站斷面1-1、2-2、3-3的橫向流速分布不均勻系數，其表達式為：

試驗過程中原方案斷面1共采集流速數據480個，斷面2采集數據560個，斷面3采集數據720個，整流后斷面1、斷面2、斷面3分別測得流速數據480個、560個和576個，根據所得數據可求得最大流速、最小流速和平均流速，并計算相應斷面的橫向流速分布不均勻系數。對于不均勻系數k，其值越小，表明流速分布均勻性越好。

經計算，原方案斷面1-1、斷面2-2、斷面3-3的不均勻性系數分別為2.16、1.95、1.07，整流后斷面1-1、斷面2-2、斷面3-3不均勻性系數為0.45、0.38、0.15，結果表明組合式整流措施能顯著改善前池、進水池流態，經組合式整流措施沿程調整，進水池內的水流流速分布較為均勻，為水泵提供了良好的進流條件。

4 結 論

本文以某城市排水泵站為研究對象，采用物理模型試驗的方法研究了其進水系統的水力流動特性，并針對所存在的不良流態，提出了一種新型的組合式整流措施，并通過物理模型試驗研究其流態的改善效果。通過上述研究，得到以下結論：

(1)因泵站進水管側向布置，原方案中閘門井進流集中且主流偏斜，使得進水箱涵兩側配水不均，進而導致前池內主流偏向一側，而另一側形成大范圍回流區，進一步造成進水池進流不均且存在漩渦、回流等不良流態，對于水泵運行不利。

(2)通過在閘門井內設置導流墩、在前池內設置川字型導流墩、橫梁以及在進水池進口處設置消渦板，構建了一種組合式整流措施。試驗結果表明，整流后泵站進水箱涵各孔流量分配性得到顯著改善，前池內的偏流和大范圍回流等不良流態得到有效改善，進水池進流均勻；前池進口、中部及進水池測速斷面不均勻性系數分別由2.16、1.95、1.07降至0.45、0.38、0.15；進水池內流速分布在立面上呈底部較大、上部較小分布，有利于水泵進流和防止表面渦形成。