輸水泵站擴(kuò)大改建設(shè)計(jì)方案比選研究
——以鄭集站為例

紀(jì)鳳杰 劉 攀 王 朝 郭連峰 張 楚

（1.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 徐州 221000；2.鹽城市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 鹽城 224055）

水利工程是我國重要的基礎(chǔ)工程，建設(shè)水利工程對(duì)社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展有重要意義[1]。因?yàn)樗こ痰慕ㄔO(shè)規(guī)模在不斷擴(kuò)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(shè)過程中，如果不能有效處理會(huì)對(duì)水利工程正常運(yùn)行造成影響[2-3]。在擴(kuò)大改建輸水泵站的工程中，泵站改擴(kuò)建工程不僅要考慮工程實(shí)際需求，還要考慮泵站的實(shí)際條件，因此方案比選階段十分重要，對(duì)工程后續(xù)建設(shè)過程和工程投入等方面起到?jīng)Q定性作用[4]。為進(jìn)一步提高輸水泵站擴(kuò)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(kuò)大改建方案比選要點(diǎn)。

1 工程簡(jiǎn)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(jí)翻水站，承擔(dān)湖西地區(qū)豐、沛、銅3 縣1000km2農(nóng)田灌溉和防洪排澇任務(wù)，現(xiàn)狀設(shè)計(jì)總流量為50m3/s。鄭集東泵站建于1995 年，安裝10 臺(tái)36ZLB2.8-6.7 型軸流泵，設(shè)計(jì)流量為25m3/s。在2009 年大型泵站更新改造中拆除鄭集西站進(jìn)行重建，設(shè)計(jì)流量為25m3/s。經(jīng)過多年運(yùn)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(yán)重，泵房漏雨，水泵的汽蝕破壞嚴(yán)重，效率低，主電動(dòng)機(jī)老化嚴(yán)重，變壓器和電氣設(shè)備使用年限過久，老化嚴(yán)重。

鄭集站主要問題如下：1）泵站廠房與檢修間連接點(diǎn)沉降，最大沉降超過20mm，主副廠房伸縮縫處不均勻沉降較嚴(yán)重。2）進(jìn)水池檢修門槽質(zhì)量差，檢修閘門嚴(yán)重漏水，封堵困難。3）進(jìn)水涵洞混凝土閘門砼剝落，露筋嚴(yán)重；止水損壞導(dǎo)致漏水嚴(yán)重。4）水泵的汽蝕破壞嚴(yán)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(yán)重，汽蝕面積約占葉片表面積的15%～30%，葉片運(yùn)行4000h，多處接近穿孔，屬于嚴(yán)重汽蝕。另外，機(jī)組間隙汽蝕也比較嚴(yán)重，葉片外緣已呈鋸齒狀，葉輪室蝕帶寬10cm～18cm，在運(yùn)行過程中多次出現(xiàn)葉輪室四周嚴(yán)重穿孔現(xiàn)象，甚至導(dǎo)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(jìn)水涵洞基礎(chǔ)底高程為26.20m，位于③層壤土上。站身基礎(chǔ)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(chǔ)。出水池基礎(chǔ)底高程為29.80m，出水涵洞基礎(chǔ)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(tuán)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(jìn)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(dú)山、昭陽和微山4 個(gè)湖泊組成，周邊與濟(jì)寧市任城區(qū)、魚臺(tái)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(yùn)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(shí)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(jì)算有關(guān)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(shè)計(jì)凈雨量，mm；F為流域面積，km2。

根據(jù)計(jì)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(shè)計(jì)流量與水位見表2。

表2 鄭集東站設(shè)計(jì)流量與水位

1.3 比選方案分析

原鄭集東站設(shè)計(jì)流量25m3/s，安裝10 臺(tái)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(duì)其進(jìn)行加固處理；機(jī)電設(shè)備為4 類，須全部更新。在老舊泵站的位置進(jìn)行改建，拆除原鄭集東站，在原址建設(shè)一座流量為55m3/s 的新泵站，安裝6 臺(tái)1850ZLQ 型軸流泵，水泵效率為84%，進(jìn)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(jìn)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(jì)算條件

2.1 控制方程

在流體力學(xué)中遵循的流動(dòng)守恒定律包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，描述流動(dòng)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(shí)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(shí)均速度分量，m/s。

動(dòng)量守恒定律又被稱為動(dòng)量守恒方程，主要描述微元中，流動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)量在時(shí)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(xiàng)。

進(jìn)水口內(nèi)，水的流動(dòng)為復(fù)雜的三維湍流流動(dòng)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(xué)的流動(dòng)守恒定律基礎(chǔ)上，需要考慮線流彎曲、二次流和流動(dòng)分析等方面，模型控制方程除了連續(xù)方程與動(dòng)量守恒方程外，還須考慮雷諾平均N-S 方程、湍動(dòng)能方程以及湍動(dòng)能耗散率方程。其中湍動(dòng)能方程又被稱為k方程，如公式（6）所示[7]。

湍動(dòng)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(duì)方案A 與方案C 進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)一步明確側(cè)向引水、側(cè)向出水以及進(jìn)、出水水流流態(tài)。模擬計(jì)算主要采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散化處理，同時(shí)對(duì)壓力、動(dòng)量以及湍動(dòng)能等內(nèi)容進(jìn)行二階離散格式。該工程計(jì)算區(qū)域較為復(fù)雜，數(shù)值計(jì)算主要采用分塊網(wǎng)絡(luò)生成方法，將計(jì)算模型劃分為水泵吸水管和進(jìn)水池內(nèi)部2 個(gè)部分，整體模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，根據(jù)計(jì)算工作的側(cè)重點(diǎn)，將模型中流動(dòng)較為劇烈的進(jìn)水口內(nèi)部區(qū)域網(wǎng)格單獨(dú)細(xì)化，在準(zhǔn)確計(jì)算的前提下，盡可能降低計(jì)算難度，發(fā)揮計(jì)算機(jī)最大功效。模型完成后，計(jì)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(gè)，流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)為35025 個(gè)。

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

湍動(dòng)能耗散率如公式（11）所示。

式中：Cμ為湍流模型經(jīng)驗(yàn)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(duì)比

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

對(duì)方案A 與方案C 進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，方案A 進(jìn)水流場(chǎng)初步數(shù)值模擬如圖1 所示，方案C 進(jìn)水流場(chǎng)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(jìn)水通道內(nèi)，最大水流能滿足建設(shè)需求，方案B 并未拆除現(xiàn)有泵站，是在原本泵站的基礎(chǔ)上增設(shè)鄭集東站，增設(shè)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(jìn)水通道，最大水流在左側(cè)通道內(nèi)。2 個(gè)方案進(jìn)水水流流態(tài)均較好。

圖1 方案A 進(jìn)水流場(chǎng)初步數(shù)值模擬圖

圖2 方案B 進(jìn)水流場(chǎng)初步數(shù)值模擬圖

3.2 方案比選分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，結(jié)合工程造價(jià)和工程建設(shè)規(guī)模等內(nèi)容對(duì)比3 個(gè)方案，分析結(jié)果見表4。通過對(duì)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比較，確定該階段選用方案A，其優(yōu)點(diǎn)是泵站運(yùn)行水流流態(tài)較好，泵站裝機(jī)效率較高，常年運(yùn)行費(fèi)用低，平面布置緊湊和管理運(yùn)行方便，缺點(diǎn)是工程建設(shè)投資較大，但為保證泵站高效運(yùn)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(diǎn)對(duì)比

4 結(jié)論

為進(jìn)一步提高輸水泵站擴(kuò)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(kuò)建工程為研究對(duì)象，深入分析輸水泵站擴(kuò)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(jìn)水水流流態(tài)方面均能滿足設(shè)計(jì)需求，但從長遠(yuǎn)角度看，綜合考慮建筑經(jīng)濟(jì)、維護(hù)效益等方面，選擇方案A 作為建設(shè)方案。2）研究分析了綜合水流控制方程、湍動(dòng)能方程以及湍動(dòng)能耗散率方程的泵站水流數(shù)值模擬方法以及相應(yīng)的邊界條件等。該文研究?jī)?nèi)容對(duì)后續(xù)泵站擴(kuò)改建工作方案比選工作有參考意義。