穿堤涵洞设计对闸站结合式泵站进水流态的影响

陈　伟，孙　瀚，王铁力，陈立冬

(江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225127)

0　引　言

泵站工程是将电能转化为水能进行灌溉、供水、排涝以及调水的综合性水利工程[1]。水闸是一种既能挡水又能泄水的水工建筑物，通过闸门启闭来控制水位和流量，以满足防洪、灌溉、排涝等的需要[2]。在工程实际运用中，受地形条件及工程投资的影响，常常采用泵站和水闸合建的布置方式，以满足工程运用的多种要求。当闸站结合工程布置于堤后时，需要通过穿堤涵洞用于排涝时排水以及灌溉时引水。泵站前池进水方式可分为正向进水和侧向进水，侧向进水前池容易在水泵进水池中产生漩涡、回流等不良流态，对水泵的安全、稳定运行产生不利影响[3-5]。本文通过数值模拟穿堤涵洞与泵站引水前池不同的连接设计下的不同流态，确定较合理的连接设计，以期对以后同类型工程设计提供参考。

1　工程概况

泰兴市是江苏省省直管县级市之一，属泰州市行政辖区。泰兴市位于江苏省中部、长江下游北岸。

根据《泰兴市治涝规划》以江平公路为界，分为高沙土区和沿江圩区两大涝区。江平公路以西为沿江圩区，根据地面高程又可分为两片，沿江高等级公路以东地面高程3.5～4.5 m，为沿江地区与高沙土区过渡带，沿江高等级公路以西片地面高程为2.0～3.5 m。虹桥镇位于沿江高等级公路以西片，由于该区域地面高程较低，暴雨后极易形成内涝。主要存在问题如下：

(1)现状排涝标准与经济社会发展不相适应。 随着区域经济发展，泰兴市加快现代农业建设，进行农业结构调整，发展高效农业，但区域治理滞后，涝区通江口门外排出路不足，内部河道淤积与行水能力下降，现状排涝标准不足10年一遇，局部洼地不足2年一遇。另外城市快速开发建设，建成区面积不断扩大，打乱了现状的水系，下垫面及工情、水情发生了变化，原有的排灌的河道、泵站，已不能适应全面建成小康社会和率先基本实现现代化的要求。

(2)沿江圩区抽排动力不足，因洪治涝尤为突出。沿江圩区地势低洼、暴雨后易形成内涝，汛期常受台风、江潮顶托，常引起因洪致涝。由于外排动力不足，现有排涝泵站老化失修、带病运行，排涝效益低，区内现状泵站排模仅0.36 m3/(s·km2)，排涝标准不足5年一遇。

为了提高虹桥镇排涝和引水，新建泰兴市四桥港闸站工程。泰兴市四桥港闸站位于虹桥镇四桥港与长江堤防交汇处，闸站的主要功能为排涝，兼顾区域生态引水，且预留自排或自引通道。拆除原泵站，新建闸站，设计流量6 m3/s。

2　初始方案与流态计算分析

2.1　初始方案设计

泵站采用堤后式布置，泵站中心线与大堤垂直。站身布置在内河侧，通过穿堤涵洞与长江连接。根据泵站功能要求，站身采用闸站结合型式。泵站安装2台套机组，单机设计流量为3.0 m3/s，中间布置闸孔，用于自排和自引。泵站布置闸孔两侧，用于泵排和泵引。

泵身共一块底板，底板长20.1 m，宽14.0 m，边墩和中墩厚1.0 m，底板底面高程-1.70 m，站身顶部高程根据长江侧200年一遇水位确定7.00 m。水泵叶轮中心高程-1.30 m。

泵站采用立式潜水轴流泵机组配“X”型流道的结构型式。出水管采用拍门断流。两侧泵站出水通过在墩墙上开孔汇入中间闸孔。

闸孔采用胸墙式开敞式结构。为了减小闸门高度，闸孔底板上设折线堰，底板面高程为-1.70 m，堰顶高程为-0.7 m。胸墙采用板式胸墙，底高程为2.0 m。

闸站出水通过穿堤涵洞与长江侧沟通，设计穿堤涵洞引水流量6 m3/s，采用单孔矩形箱涵结构，为减少开挖及投资，涵洞与闸孔同宽，孔径4.0 m×3.0 m(宽×高)，涵洞底板顶面高程-1.7 m，长29.0 m。结构布置见图1～图3。

图1　初始方案闸站平面布置图(单位:m)Fig.1 The layout of the initial scheme

图2　初始方案站身纵剖面图(单位:m)Fig.2 The sectional elevation of the initial scheme

图3　初始方案水泵层平面图(单位:m)Fig.3 The pump layout of the initial scheme

2.2　初始方案流态计算分析

2.2.1控制方程

随着近二十多年来计算流体动力学方法(CFD)的迅速发展和应用，许多用于求解三维雷诺平均N-S方程和多种湍流模型方程组的专用软件应运而生。本文数值模拟采用的是目前应用广泛的Fluent软件。

控制方程采用用连续方程和Navier-Stokes方程对湍流的瞬时运动进行描述。考虑到湍流流动的脉动特性，目前广泛采用了时均法，即把湍流运动看作是时间平均流动和瞬时脉动流动的叠加。为了使方程组封闭，还需引入反映湍动能的k方程和反映湍动能耗散率的ε方程。k-ε模型中以标准k-ε模型应用最广，试验证明，标准k-ε湍流模型对很多三维流动都是适用的。对方程等具体表示形式已有很多文献[6,7]作了介绍，本文不再赘述。

2.2.2泵站引水工况

(1)边界条件[8]。计算流场的进口设置在穿堤涵洞进口处，由于涵洞较长，进口断面认为来流均匀分布。设计流量作为已知条件，流场进口采用速度进口边界条件。

计算流场的出口设置在站身出口处，出口边界垂直于水流方向。在这里，流动是充分发展的，可采用自由出流边界条件。

在计算流场中，前池底壁、进水流道边壁等，其边界条件按固壁定律处理。固壁边界条件的处理对所有固壁处的节点应用了无滑移条件，而对紧靠固壁处节点的湍流特性，则应用了所谓对数式固壁函数处理之，以减少近固壁区域的节点数。

前池的表面为自由水面，若忽略水面的风所引起的切应力及与大气层的热交换，则自由面可视为对称平面处理。

(2)数值模拟网格。应用GAMBIT软件对三维流动计算区域的建模和网格剖分工作，三维流场数值计算的边界及网格剖分情况见图4。

图4　初始方案引水工况计算边界及网格剖分Fig.4 Calculation regions and grid drawings of the initial scheme water diversion condition

(3)数值模拟结果。在水泵设计流量下对引水工况的流场进行数值计算，流场图见图5。

由图5所示的流场图可以看出，由于涵洞末端与闸孔同宽，泵站进水池方式为侧向进水，在进水池两侧边壁产生漩涡，且贴近闸孔边壁漩涡距离水泵喇叭口较近，不良流态容易影响水泵安全稳定运行。闸孔内产生漩涡，但对水泵运行无影响。

图5　初始方案引水工况流场图Fig.5 Flow pattern of the initial scheme water diversion condition

2.2.3泵站排涝工况

(1)边界条件。计算流场的进口设置在站身出口处，进口断面认为来流均匀分布。设计流量作为已知条件，流场进口采用速度进口边界条件。

计算流场的出口设置在穿堤涵洞进口处，出口边界垂直于水流方向。在这里，流动是充分发展的，可采用自由出流边界条件。其余设置同引水工况。

(2)数值模拟网格。三维流场数值计算的边界及网格剖分情况见图6。

(3)数值模拟结果。在水泵设计流量下对排涝工况的流场进行数值计算，流场图见图7。

由图7所示的流场图可以看出，由于排涝工况下泵站进水池方式为正向进水，在进水池内无漩涡等不良流态，水泵可以安全稳定运行。

3　改进方案与流态计算分析

3.1　改进方案设计

初始方案计算结果显示：在泵站引水工况时，泵站进水池内产生漩涡等不良流态。需对方案进行改进设计，改进方案为在原涵洞与闸站之间增加一节过渡段，过渡段洞宽由穿堤涵洞洞宽渐变到闸站站身宽度。改进方案结构布置见图8～图10。

图6　初始方案排涝工况计算边界及网格剖分Fig.6 Calculation regions and grid drawings of the initial scheme drainage condition

图7　初始方案排涝工况流场图Fig.7 Flow pattern of the initial scheme drainage condition

图8　改进方案闸站平面布置图(单位：m)Fig.8 The layout of the improvement scheme

3.2　改进方案流态计算分析

3.2.1泵站引水工况

(1)数值模拟网格。三维流场数值计算的边界及网格剖分情况见图11。

(2)数值模拟结果。在水泵设计流量下对引水工况的流场进行数值计算，流场图见图12。

由图12所示的流场图可以看出，由于增加了一节过渡段，泵站进水池内流态较初始方案明显改善，无漩涡等不良流态，水泵可以安全稳定运行。闸孔内与初始方案相同产生漩涡，但对水泵运行无影响。

3.2.2泵站排涝工况

(1)数值模拟网格。三维流场数值计算的边界及网格剖分情况见图13。

(2)数值模拟结果。在水泵设计流量下对排涝工况的流场进行数值计算，流场图见图14。

由图14所示的流场图可以看出，排涝工况下泵站进水池方式为正向进水，在进水池内无漩涡等不良流态，水泵可以安全稳定运行。

4　结　论

本文通过对穿堤涵洞与闸站进水池两种连接方式下进水池内流态的数值模拟，得出如下结论：

(1)初始方案穿堤涵洞与泵站进水池连接形成侧向进水时，进水池内产生漩涡等不良流态，影响水泵安全稳定运行。

图9　改进方案站身纵剖面图(单位：m)Fig.9 The sectional elevation of the improvement scheme

图10　改进方案水泵层平面图(单位：m)Fig.10 The pump layout of the improvement scheme　　(2)改进方案通过增加过渡段，改变了穿堤涵洞与进水池的连接方式，形成正向进水，进水池内无漩涡等不良流态，可以确保水泵安全稳定运行。

图11　改进方案引水工况计算边界及网格剖分Fig.11 Calculation regions and grid drawings of the improvement scheme water diversion condition

图12　改进方案引水工况流场图Fig.12 Flow pattern of the improvement scheme water diversion condition

图13　改进方案排涝工况计算边界及网格剖分Fig.13 Calculation regions and grid drawings of the improvement scheme drainage condition

图14　改进方案排涝工况流场图Fig.14 Flow pattern of the improvement scheme drainage condition

(3)通过初始方案与改进方案的对比，在今后的类似工程中应尽量避免泵站进水池采用侧向进水方式。

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参考文献：

[1]严登丰.泵站工程[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[2]陈德亮.水工建筑物[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[3]成立,刘超,周济人,等.泵站侧向进水流态及其改善措施机理探讨[J].排灌机械,2001,19(1):31-34.

[4]张林,于永海,徐辉.侧向进水城市排水泵站配水池水力优化设计[J].中国给水排水,2008,24(8):37-40.

[5]陆美凝.闸站结合泵站前池水流流态的数值模拟研究[D].江苏扬州：扬州大学,2011.

[6]金忠青.N-S方程的数值解及紊流模型[M].南京:河海大学出版社,1988:11-66.

[7]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004:113-143.

[8]陆林广,徐磊,梁金栋,等.泵站进水流道三维流动及水力损失数值模拟[J].排灌机械,2008,26(5):55-58.