北疆某一級泵站前池及進水池布置型式比選研究

高 鑫

(水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 概 述

泵站前池、進水池是連接引渠(或引水箱涵))和泵站機組進水流道的建筑物，為水泵創造必要的進水條件[1]。許多試驗和現場觀測表明, 前池的回流可能波及進水池, 前池中形成的漩渦也會隨水流方向游動, 甚至將空氣帶入水泵中, 使池中水流紊亂, 進水條件惡化, 水泵效率降低, 嚴重時將引起水泵汽蝕、振動和噪聲等[2]。因此，良好的前池及進水池結構，對保證泵站穩定運行至關重要。

目前，許多學者對于泵站進水流場進行了數值計算和模型試驗。徐磊等[3]和陳松山等[4]對大型泵站裝置進水流場進行了模型試驗和數值計算，分析了進水流場的流動特性。Kadam 等[5]觀測了前池和進水管的流動特征，發現過大的前池擴散角和過小的淹沒深度導致進水流態惡劣。王雷等[6]用模型試驗觀測了惠南莊泵站各工況進水池內外流態，介紹了主副回流區、漩渦發生位置和水面波動情況。

本文以北疆某一級泵站為研究對象，對泵站前池、進水池布置型式進行比選研究，分析推薦方案的合理性，并通過模型試驗驗證此方案的可行性，以期為同類泵站的設計和更新改造提供參考。

2 泵站前池、進水池布置型式比選研究

該泵站設計流量為13.0 m3/s，設計總揚程為186 m。采用6臺(4用2備)臥式雙級雙吸離心泵，水泵單機設計流量為3.25 m3/s。泵站所在位置地形較平緩，地勢開闊，不存在空間上的限制，具備布置正向前池、進水池的條件，同時參照國內其它類似大型泵站的實踐經驗，本泵站采用正向進水的前池布置方式。前池、進水池用于連接上游分水閘與泵房，根據泵站前池與分水閘布置及結構型式的不同，分別擬定3個方案即整體式箱涵方案、扶壁擋墻無蓋方案、直接連分水閘方案，進行方案的比選。

2.1 整體式箱涵方案

分水閘后為引水埋涵，前池與引水埋涵相接。引水埋涵長度為30 m，為C35鋼筋混凝土整體式箱涵結構。通常情況下，在擴散段增設導流墩，可以適度調整兩側水流的方向，減小前池有效擴散角，避免擴散段水流的脫流，從而達到水流均勻擴散的目的[7]。因此為避免各臺水泵進水的相互影響，保證進水流態的穩定性，前池由1孔逐漸分隔成6孔，各臺水泵單獨進水。

前池采用C35鋼筋混凝土整體式箱涵結構，在平面上為漸變擴散式，由起點凈寬4 m逐漸擴散成末點凈寬80.5 m，底板高程由527.52 m漸變為519.30 m，長度為66.251 m，縱坡為1∶8.06。末點斷面分為6孔，每3孔設一道結構縫[8]。前池后接進水池，進水池長度為21.5 m，結構型式與前池相同。整體式箱涵方案布置圖見圖1。

圖1 整體式箱涵方案布置圖

2.2 扶壁擋墻無蓋方案

此方案中，前池、進水池采用分隔式結構，前池、進水池兩側采用扶壁擋墻結構，底板為分離式底板結構。前池、進水池頂部未設置蓋板。 前池左右側C35鋼筋混凝土扶壁式擋土墻高度5.480～13.2 m，墻身厚度0.5～1 m，墻背坡度1∶0.6；底板寬度4.781～11.220 m，厚度1～1.5 m；肋板間距3.5 m，厚度0.6～0.8 m[9]。前池底板采用厚0.5～1.5 m的 C35混凝土護底。前池后接進水池，進水池長度為21.5 m，結構型式與前池相同。扶壁擋墻無蓋方案布置圖見圖2。

圖2 扶壁擋墻無蓋方案布置圖

2.3 前池直接連分水閘方案

從縮短前池長度、降低水流擴散影響的角度考慮，擬定方案三，采用前池直接與分水閘相接的方法，即取消連接涵洞，前池寬度80.5 m不變。前池采用C35鋼筋混凝土整體式箱涵結構，斷面分為6孔，每3孔設一道結構縫，單孔孔口尺寸寬11.913 m，高13.20 m，邊墻、中墩、底板、頂板厚度均為1.5 m。每一孔底板高程由527.52 m漸變為519.30 m，保證水流的平順連接。前池直接連分水閘方案布置圖見圖3。

圖3 前池直接連分水閘方案布置圖

2.4 方案比選分析

見表1。

表1 方案比選分析表

2.5 方案比選結果

從表1可以看出，方案二(扶壁擋墻無蓋方案)結構型式最簡單、投資最少，但是池中無導墻、擴散角大，存在較大的滯流、偏流、回流現象；北疆冬季氣溫低，前池無蓋水面為露天開敞式，存在冬季水面極易結冰的問題；泵站處于沙漠地區，平常風沙較大，開敞式結構的前池、進水池水面較寬，水體容易受到沙塵污染。方案三(前池直接連分水閘方案)取消了連接涵洞，縮短了泵站前的輸水距離，但是由于前池寬度大，體型龐大，造價較高，同時因為前部無控制閘門，檢修時將影響其它方向的正常供水。方案一(整體式箱涵方案)多孔箱涵結構雖然投資稍多，但是設置了隔墩而減小水流擴散角，各臺水泵單獨進水，較大改善了水流條件，泵站效率較高。北疆冬季氣溫低，設置蓋板后，水面上部封閉冬季不結冰，水體不容易受到沙塵污染，優勢較為明顯。

本工程是北疆長距離調水工程，建筑物級別為1級，而泵站是在輸水中起承前啟后的作用，位于整個線路的中部，位置非常重要。因此綜合考慮，選擇方案一(整體式箱涵方案)為泵站前池、進水池的推薦方案。

3 模型試驗

為了驗證推薦方案合理性，我院委托其他單位通過模型試驗對前池、進水池、進水流道在各主要運行工況下水流流態進行驗證，并對可能存在的影響水泵進流的不良流態提出改進方案，并進行優化調整，確定在各種流量下的最佳水泵組合方式，以便于指導今后的運行管理。

模型試驗結果顯示：①不同開機組合及部分泵運行對前池流態的影響亦在流槽中逐漸消除，至前池中部，各流槽水流已較為均勻平順，不同開機組合對進水池進流無明顯不良影響。②各工況水泵進水喇叭口周向進流且較為均勻，進水池內未觀測到回流、旋渦、渦帶等不良流態，水泵進流條件良好。③泵站前池和進水池調節能力較強，能有效消除來流不均及不同開機數量、不同開機組合的影響，各試驗工況下，進水池水位變化平穩。正常運行工況前池表面流態見圖4，増負荷運行4m n 見圖5。

圖4 正常運行工況前池表面流態

圖5 増負荷運行4臺泵同時啟動進水池水位變化過程

4 結 論

通過綜合比選和模型試驗，證明該泵站前池和進水池采用整體式箱涵方案較為合理。基于模型試驗成果，對泵站運行管理提出以下建議：①泵站增負荷建議采取1～4臺水泵順序開啟，間隔不小于4.5 min，適當加大開泵時間間隔，有利于減小瞬時水面落降。②設計運行工況下,單個分水方向甩負荷，分水池、泵站前池及進水池水面波動的最高水位均低于設計最高水位，且有一定余量，能夠滿足設計要求。