基于CFD鄭集東站方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊 寧，張崴棟，張 楚，李洋洋

(徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院，江蘇 徐州 221000)

泵站是一種極為常見(jiàn)的水工建筑物，具有調(diào)洪、蓄水等作用，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益極為顯著。因此，我國(guó)已經(jīng)修建了大量的泵站等水利設(shè)施。但是，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，泵站出現(xiàn)不同程度的破損，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)狀需求，且安全性有所降低。針對(duì)這一類(lèi)型泵站，進(jìn)行除險(xiǎn)加固工程治理是十分必要的[1- 2]。泵站水流流態(tài)是影響泵站效益發(fā)揮和結(jié)構(gòu)安全的重要因素，目前，常用的流態(tài)模擬方法包括：水工模型和數(shù)值模擬[3- 6]。數(shù)值模擬方法與水工模型相比具有建模簡(jiǎn)便、計(jì)算速度快等優(yōu)勢(shì)，計(jì)算結(jié)果也較為可靠。目前，流態(tài)數(shù)值模擬通常采用ANSYS軟件，該軟件在流體模擬中較為常用[7- 10]。結(jié)合鄭集東站除險(xiǎn)加固工程，對(duì)泵站布置方案優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

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，現(xiàn)狀設(shè)計(jì)流量25m3/s，是江水北調(diào)工程的第九級(jí)翻水站，擔(dān)負(fù)著徐州市湖西地區(qū)豐、沛、銅三縣150萬(wàn)畝農(nóng)田灌溉任務(wù)。鄭集東站建于1995年，1996年投入運(yùn)行，安裝36ZLB2.8- 6.7型軸流泵10臺(tái)套，配用JSL- 14- 12三相異步電動(dòng)機(jī)，總裝機(jī)容量2500kW，主變?yōu)閮膳_(tái)S7- 1600- 35/0.4kV，共3200kVA， 泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.3m，設(shè)計(jì)流量25m3/s。鄭集西站已于2009年在大型泵站更新改造中拆除重建，安裝6臺(tái)1400ZLB5.5- 5.5型軸流泵(5機(jī)1備)，單機(jī)功率450kW，總裝機(jī)容量2700kW。

2 現(xiàn)狀泵站復(fù)核

鄭集西站現(xiàn)狀為安裝6臺(tái)1400ZLB5.5- 5.5型立式軸流泵(5用1備)，葉片安放角0°，配套電機(jī)功率為450kW，額定轉(zhuǎn)速為370r/min。經(jīng)復(fù)核，在本次工程的設(shè)計(jì)工況下，即站下河道水位30.9m、站上河道水位35.7m，鄭集西站現(xiàn)狀流量可達(dá)到25m3/s。現(xiàn)狀水泵葉輪中心最小淹沒(méi)深度要求不低于1.5m，鄭集西站葉輪中心高程29.0m，考慮進(jìn)水涵洞損失10cm、清污機(jī)損失20cm，即葉輪中心淹沒(méi)深度為1.6m，大于1.5m，滿(mǎn)足要求。故在鄭集河輸水?dāng)U大工程中，現(xiàn)有鄭集西站流量可以達(dá)到25m3/s，且泵機(jī)組能安全穩(wěn)定運(yùn)行。

鄭集東站現(xiàn)狀安裝10臺(tái)36ZLB2.8- 6.7型立式軸流泵，葉片安放角0°，配套電機(jī)功率為250kW，額定轉(zhuǎn)速為480r/min。經(jīng)復(fù)核，在本次工程的設(shè)計(jì)工況下，即站下河道水位30.9m、站上河道水位35.7m，老鄭集東站現(xiàn)狀流量可達(dá)到25m3/s。現(xiàn)狀水泵葉輪中心最小淹沒(méi)深度要求不低于0.9m，老鄭集東站葉輪中心高程29.27m，考慮進(jìn)水涵洞損失10cm、清污機(jī)損失20cm，即葉輪中心淹沒(méi)深度為1.33m，大于0.9m，滿(mǎn)足要求。故在鄭集河輸水?dāng)U大工程中，鄭集東站經(jīng)過(guò)除險(xiǎn)加固后，流量可以達(dá)到25m3/s，且泵機(jī)組能安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 特征水位及水位組合

根據(jù)規(guī)劃數(shù)據(jù)，鄭集東站特征水位及水位組合見(jiàn)表1。

表1 運(yùn)行水位組合表

2.2 工程地質(zhì)

鄭集東站進(jìn)水涵洞位于③層壤土上，允許承載力120kPa。站身基礎(chǔ)底位于④層含砂姜壤土之上，允許承載力260kPa。出水涵洞基礎(chǔ)底位于②層粉砂夾壤土，該層夾粉砂較多，局部呈互層狀或團(tuán)塊狀，局部夾壤土、淤泥質(zhì)土薄層，土質(zhì)不均勻，飽和，松散，允許承載力100kPa。

3 鄭集東站方案優(yōu)化

3.1 進(jìn)、出水渠型式比選

根據(jù)現(xiàn)狀鄭集站場(chǎng)區(qū)情況，進(jìn)、出水渠可采用開(kāi)敞式引河及箱涵兩種方案進(jìn)行比選。本次以進(jìn)水渠為例進(jìn)行比選。

方案一：開(kāi)敞式引渠，利用泵站擋洪，即泵站為堤身式。初擬渠底高程27.5m，底寬8m，邊坡1∶3，地面高程36.5m，設(shè)計(jì)工況下水深3.4m(水位30.9m)，平均流速約為0.9m/s。由于鄭集河北堤堤頂高程為38.5m，因此引渠口處需填筑堤防，堤頂高程與鄭集河北堤一致，堤頂寬4m，堤坡1: 3。占用場(chǎng)區(qū)寬度94m。詳見(jiàn)開(kāi)敞式引渠橫斷面圖。

方案二：涵洞式引渠。采用3孔4.2m鋼筋混凝土箱涵，總寬15.4m；凈高4.0m，底板頂面高程27.5m。回填后不占用場(chǎng)區(qū)。如圖1—2所示。

圖1 開(kāi)敞式引渠橫斷面圖

圖2 涵洞式引渠橫斷面圖

方案比較：開(kāi)敞式引渠雖然只有土方工程，施工簡(jiǎn)單，但是占用場(chǎng)區(qū)較多，不利于整個(gè)鄭集站的布局，且需要利用站身?yè)鹾椋姍C(jī)層高程需高于36.95m或者增加站身防洪墻與兩側(cè)堤防相連，此外，場(chǎng)區(qū)內(nèi)宿舍樓及綠化等設(shè)施較多，采用明渠方案對(duì)其影響較大，因此本次推薦采用涵洞式引渠。

3.2 總體布置方案優(yōu)化

原鄭集東站設(shè)計(jì)流量25m3/s，安裝36ZLB2.8- 6.7軸流泵10臺(tái)套。根據(jù)安全鑒定，土建結(jié)構(gòu)為三類(lèi)，可以加固處理；機(jī)電設(shè)備為四類(lèi)，需全部更新。鄭集西站更新改造于2009年，設(shè)計(jì)流量25m3/s，可以安全運(yùn)行。

本階段采用合建方案，即結(jié)合增容對(duì)鄭集東站進(jìn)行拆除重建，原址擴(kuò)建至55m3/s泵站。根據(jù)CFD流態(tài)分析，并結(jié)合進(jìn)水型式及站室布置，重建泵站進(jìn)水角度采用30°、60°、90°三種方案進(jìn)行進(jìn)一步比選。

方案一(引水角30°)：重建泵站與現(xiàn)狀泵站及鄭集西站基本垂直；進(jìn)水側(cè)為正向引水，與鄭集河引水角約30°；前池位于現(xiàn)狀泵站出水池東側(cè)，平地開(kāi)挖。該方案最大優(yōu)點(diǎn)為正向引水，正向出水，進(jìn)、出水水流流態(tài)較好；最大的缺點(diǎn)為站室、前池基本為平地開(kāi)挖，土方量較大，引水涵洞較方案B增加約160m，并且部分進(jìn)水涵洞占用魚(yú)塘，需進(jìn)行賠償。本方案土建工程投資6943.9萬(wàn)元。

方案二(引水角60°)：重建泵站與現(xiàn)狀泵站及鄭集西站呈55°夾角；進(jìn)水側(cè)正向引水，引水角約60°。這種平面布置的較方案一最大優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)水涵洞長(zhǎng)度大大縮短，水頭損失較小，涵洞工程量較小；最大的缺點(diǎn)是與現(xiàn)狀泵站布局出入較大，管理區(qū)布置凌亂，不利于整個(gè)站區(qū)的景觀(guān)效果，此外進(jìn)、出水流態(tài)稍差，尤其是出水流態(tài)，相對(duì)于30°引水角方案流態(tài)較差。本方案土建工程投資約6135萬(wàn)元。

圖3 方案一進(jìn)水流場(chǎng)初步數(shù)值模擬圖

圖4 方案二進(jìn)水流場(chǎng)初步數(shù)值模擬圖

方案三(引水角90°)：在原址拆除重建鄭集東站，機(jī)組排列軸線(xiàn)與鄭集西站平行；進(jìn)水側(cè)仍采用側(cè)向引水。這種平面布置的最大優(yōu)點(diǎn)是平面布置緊湊、規(guī)整，原址拆建，土方量小，并且與現(xiàn)狀的管理區(qū)平面布置相適應(yīng)，拆遷量小；最大的缺點(diǎn)是側(cè)向引水，側(cè)向出水，進(jìn)、出水水流流態(tài)相對(duì)不佳。本方案工程投資約5822萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)充分考慮鄭集站現(xiàn)狀場(chǎng)區(qū)情況，盡量減少對(duì)現(xiàn)有建筑物、綠化等的影響，并經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比

較，采用涵洞式引渠。

圖5 方案三進(jìn)水流場(chǎng)初步數(shù)值模擬圖

(2)通過(guò)CFD模型，為保證更好的進(jìn)水流態(tài)，進(jìn)水涵洞與鄭集河夾角即引水角度調(diào)整為30°，東西站出水池中心線(xiàn)呈約5°夾角；進(jìn)水池內(nèi)增加八字導(dǎo)流墩。為保證更好的出水流態(tài)，東站出水池由首端北移約5m，使出水池軸線(xiàn)與站室軸線(xiàn)重合。