無為神塘河泵站出水箱涵水力優化研究

金海銀，李 雷，徐 軍

(1.江陰市澄江水利農機管理服務站，江蘇 江陰 214400； 2.江陰市重點水利工程建設管理處，江蘇 江陰 214431； 3.無錫市水利設計研究院有限公司 江陰分院，江蘇 江陰 214400)

0 引 言

無為神塘河泵站以排澇為主，結合排洪。泵站設計排澇流量85 m3/s，設計裝機功率10 MW[1]。根據《泵站設計規范》(GB 50265-2010)規定，樞紐工程等別定為Ⅱ等工程，屬大(Ⅱ)型泵站[2]。神塘河泵站為堤后式，穿堤建筑物(排澇出水涵)位于無為大堤上，其工程等別與無為大堤一致，為Ⅰ等工程。由此確定泵站穿堤建筑物為1級、泵房為2級，次要建筑物前池及擋墻為3級，前池兩側堤防等級同馬口河堤防等級為4級，出水渠與長江側神塘圩堤防等級相同，為4級。無為神塘河泵站工程總體布置型式詳見圖1。

圖1 泵站總體布置簡圖

該泵站出水箱涵共10道出水口，出水箱涵出水流態紊亂，設計有一定的不合理之處，需要對出水箱涵出水流態進行優化設計[3-4]。

1 泵站出水池水力計算

根據該泵站出水池以及箱涵布置，按照1∶1(單位：m)比例，建立出水池水流三維物理模型。計算工況選取：排澇設計水位為12.70 m，排澇流量85 m3/s，初設階段出水池、箱涵結構布置型式詳見圖2。

圖2 出水池及箱涵結構布置

2 控制方程

該泵站出水池水流流動區域三維數值模擬采用三維雷諾時均N-S方程來描述其不可壓縮湍流流動，方程式如下:

雷諾時均N-S方程：

式中：ρ為流體密度；t為時間；ui(i=x，y，z)為速度沿i方向的分量；p為壓力；v為流體的運動黏性系數。

計算湍流模型選擇realizable k-e方程，對于旋轉流動、強逆壓梯度的邊界層流動、流動分離、強流線彎曲、漩渦和旋轉、二次流有很好的表現。

3 原方案水力計算結果分析

泵站出水池、箱涵水流流態及流速分布結果詳見圖3。

圖3 出水池及箱涵水流流態、流速分布云圖

根據計算結果顯示，中間側機組出水水流及中間兩側機組部分水流基本沿著中間兩孔箱涵出流，中間兩孔箱涵水流流速分布范圍在1.2～1.4 m/s；兩側邊墩機組出水水流及中間兩側機組部分水流基本沿著邊孔箱涵出流，邊孔箱涵水流流速分布范圍在1.6～2.0 m/s。中間兩孔箱涵與邊孔箱涵平均流速不均勻系數比為1.385左右。

4 方案水力優化方案

根據原方案水力計算結果，對出水池、箱涵結構布置型式優化調整。原4孔箱涵調整為3孔，兩側邊孔寬為5.8 m，中孔3.0 m；出水池中間機組兩側隔墩連接箱涵中墩，其他型式不變；出水池、箱涵頂板高程由9.95 m調整為9.85 m。優化后的出水池、箱涵結構布置型式詳見圖4。

圖4 出水池及箱涵結構優化布置

5 方案水力優化計算

根據調整后的出水池、箱涵結構布置方案，中間機組出水水流與中孔箱涵銜接，兩側及邊墩機組出水水流與邊孔箱涵銜接，流動空間不互相干擾。優化方案水流流態平順，三股水流互不干擾，邊孔箱涵、中孔箱涵出水水流流速分布范圍1.5～1.6 m/s，邊孔箱涵、中孔箱涵出水水流平均流速不均勻系數比為1.0左右。

圖5 優化方案出水池及箱涵水流流態、流速分布云圖

6 方案比較

原方案出水箱涵中間兩孔箱涵與邊孔箱涵平均流速不均勻系數比為1.385左右。優化方案出水箱涵邊孔箱涵、中孔箱涵出水水流平均流速不均勻系數比為1.0左右。優化方案出水箱涵平均流速不均勻系數比較為理想。

綜上所述，優化方案出水池、箱涵結構布置方案達到水力優化目標。

7 結論與展望

7.1 結 論

1) 原方案出水箱涵中間兩孔箱涵與邊孔箱涵平均流速不均勻系數比為1.385左右，流速分布不均勻，局部流態紊亂。

2) 優化方案出水箱涵邊孔箱涵、中孔箱涵出水水流平均流速不均勻系數比為1.0左右，流速分布較為均勻，局部流態紊亂范圍小。

7.2 展 望

綜上所述，優化方案出水池、箱涵結構布置方案達到水力優化目標。CFD水力優化方法在泵站工程設計過程中能較好地調整泵站總體工程布置。泵站出水水流自帶環量，是旋轉水流，無法在CFD數值模擬方法中體現，需要更新相關技術確保邊界條件符合工程設計應用，操作簡單，能大規模推廣。