泵站取水建筑物的主要水力学问题分析

'泵站取水建筑物的主要水力学问题分析赖翼峰（广东省水利水电科学研究院，广州，510610）摘要：泵站取水建筑物的布置受很多因素影响，所遭遇的水力学问题主要表现为取用水量的保证程度、泥沙淤积和水流流态等，这些问题对泵站的安全运行有很大的影响。通过MT抽水站和QL泵站的工程实例，说明了取水建筑物水力学问题的复杂性和敏感性。关键词：泵站取水建筑物泥沙淤积水流流态工程实例1概况泵站主要包括取水建筑物、泵房及出水建筑物三大部分。泵房是泵站的核心，取水建筑物及出水建筑物是将水流引入和导出泵房的建筑物。泵站建筑物总体布置应当在占地面积最小的情况下，为泵站运行创造最有利的条件。为此，建筑物的布置宜尽量紧凑，以便充分利用划定的区域，但同时必须满足泵站安全运行对水流顺畅的要求。取水建筑物一般由引水渠、前池和进水流道组成。取水建筑物布置受很多因素影响，其内的水流流态也比较复杂，相对而言，出水建筑物内水流流态要简单得多，也较易解决。泵站进出流道的水流流态对于确保泵站的安全运行有很大的影响。本文结合具体工程实例说明取水建筑物水力学问题的复杂性和敏感性，以引起人们足够的重视，并供有关规划设计和运行参考。2泵站取水建筑物的主要水力学问题2.1引水建筑物的水力学问题泵站引水建筑物包括取水头部、取水管道或引水渠，主要须解决好水源水位、取水口位置布设及含沙量等对泵站安全运行可能带来的影响。为此，必须了解河岸的地质情况、河道的洪水特性、含沙量情况和河床演变规律等，谨慎选择取水口位置和高程。对于河流侧面引水方式，由于它对天然河道的影响较小，工程简单，投资少，易于施工，因此应用较多，但在多泥沙河流上引水时，如果取水口位置布置不当，又没有相应的工程辅助措施，则可能引入大量泥沙，使渠道发生淤积，影响泵站的正常工作。一般情况下，取水口应布设在弯道凹岸，以引取表层较清的水流，如果受条件限制取水口只能布置在凸岸，则要进行专门论证，并视具体情况布设有效的导沙或拦沙工程措施，解决好分流分沙问题。取水口高程设置要充分考虑取用水量、河道枯水期水位及河床的演变趋势，并留有余地。2.2进水建筑物的水力学问题泵站进水建筑物主要是指取水管道、引水渠末端与泵房之间的前池和流道，其作用是保证向泵房所有的进水孔口均匀直接供水，防止带涡水流进入水泵，给水泵的正常运行带来不利的影响。但是，实际工程中，往往出现进水池中主流来不及充分地向整个取水前缘扩散的现象，水流在取水前缘之前发生水流转弯，在主流一侧或两侧出现旋涡区，水流斜向进入流道，特别是靠边的进水流道更为严重。水流从侧向进入流道一般会形成旋涡漏斗，使水泵吸水管入流不均匀甚至发生水泵吸水管吸入空气，导致水泵效率降低乃至引起水泵振动，影响水泵正常、高效、安全运行。大型泵站由于取水前缘长，进水池扩散锥角大，水流流态问题更为突出。迄今，常规的水力计算尚不能准确判断和解决泵站进水池的水流流态问题。工程设计上，引320 水渠道到进水池的形状、尺寸，一般是利用已有的水工模型试验结果和类似已建建筑物的资料，或进行针对性的专题试验成果来选择确定。一般来说，绝大多数抽水泵站引水渠及进水池内的水流均为缓流，并不存在水力学意义上的水流消能问题，分析研究的思路应是根据特定边界条件下进池水流状况，采取适当的工程措施引导水流均匀、平稳地向整个取水前缘扩散。工程措施力求结构简单、经济，一般采用导流墩、坎，在短的扩散型前池采用倒坡池底，也是改善池内水流扩散和减少泥沙淤积的有效方法。3工程实例分析3.1MT抽水站MT抽水站是某大型引水工程的第三级抽水站，抽水站布设在MT拦河坝下游300m左右的右岸台地上，取水口位于弯曲河道的端部，进口底板高程和河床高程相同，河道弯曲角度约110°，33而曲率半径又较小。抽水站装机5台，单机流量13.2m/s，扬程6.50m，设计抽水量38.2m/s。该抽水站1993年8月建成，竣工庆典刚过，9月26日，受18号台风影响，石马河流域普降大雨，3MT拦河坝下泄流量约1400.0m/s（相当于拦河坝7年一遇洪水），洪水过后，MT抽水站进水渠和前池出现大面积严重的泥沙淤积，最大淤积高度达2.50m，抽水站无法使用。现场踏勘发现，进水渠和前池的淤积主要为推移质泥沙，流道附近主要为悬移质泥沙。随后进行的水工模型试验表明，MT抽水站取水口水流横向环流作用强，且恰好在凹岸泥沙往3凸岸推移的堆积区内。拦河坝下泄400m/s流量（仅为常遇泄流），进水渠和前池即开始出现泥沙3淤积，下泄620m/s流量（2年一遇洪水），则会出现大面积的泥沙淤积。通过试验提出了简单可行的导流墙加导沙坎结合的防淤工程措施，如图1。该方案是从抽水站位置向下游方向修筑一段图1MT抽水站防淤工程布置图导流墙，并在导墙末端设置两条导沙坎。试验表明，导流墙的矗立削弱了取水口河段的水流横向环流，主河道绝大部分泥沙径直沿导流墙边缘往下游输移；部分顺着导墙输移至导墙末的泥沙，进一步通过两个低导沙坎的作用进入主河槽后输移至下游。试验研究还表明，设置两条导沙坎一方面可以使导墙长度缩短，另一方面还可以避免泥沙在导墙尾端积聚。抽水工况下，由于抽水流量不大，进水渠水流平缓，流速较小，主河道推移质泥沙一般不会逆向带入前池。321 设置导流墙后，从河道平面上看，水流过水断面被缩窄，但由于原凸岸部分区域为回流区，主流的有效过水断面并非占据整个河道断面。因此工程实施后，河道的水面纵坡降没有明显的变化，主河槽的水流运动状况反而较为平顺。导流墙内外水位差也不大，实测最大24cm.。该方案于1994年12月实施后，抽水站附近没有再发生泥沙淤积；1994年6月拦河坝曾下泄332300m/s流量（20年一遇洪水流量2030m/s），抽水站位置河段水流平稳，汛后检查进水渠和前池基本没有泥沙淤积，说明试验提出的方案是十分有效的。3.2QL抽水泵站3QL抽水站是某大型跨流域引水工程的第三级抽水站。泵站设计抽水流量90.0m/s，扬程25.0m（最大工作扬程27.6m，最小工作扬程22.3m），安装8台液压全调节立轴抽芯式混流泵机组，其3中6台为工作泵，2台为备用泵，水泵单机流量15.0m/s。引水渠底宽15.50米，边坡1:2.5，引水渠至进水池首部侧墙以扭曲面渐变，引渠末端至吸水口呈喇叭型扩散，泵站进口前缘宽度65.30米，扩散锥角23.445o。试验过程中发现，原布置情况下，泵机组不同开启运用时，进水池内均有较大范围的回流，主流水股婉延行进，泵站取水口前缘水流横行。回流自泵站取水前缘一直延伸至引水渠末端的扭曲面端部。设计水位下，泵站二台机组运行时，最大回流流速0.20m/s；四台机组运行时，最大回流速度0.47m/s，六台机组运行时，回流流速达0.70m/s，泵站取水前缘的最大横向流速可达0.40m/s。当进水池水位低于设计水位时，回流流速将有所增大。引水渠及进水池内的回流还存在流动不稳定现象，当机组出力不均匀或在引水渠首部发生扰动时，原先发生于一侧的回流会失去稳定而转移到另一侧。因此原布置情况下，水流流态不能满足泵站正常运行的要求。针对原方案出现的问题，进行了多种不同形式的导流措施试验，提出在进水池内设置横向导流坎或图2的三角导流墩方案。在距进水流道50.00m处加设横向导流坎后，水流由梯形引水渠至进水池扭曲段后，经横向导流坎对水流的重新分配，使得纵向水流均匀进入前池。入池水流表面较平静，不出现回流。吸水口前缘断面流速减小，多为0.2m/s左右，最大不超过0.4m/s，水流分布较均匀，泵站取水前缘不存在横向流速。横向导流坎高3.00m，坎顶高程为8.56m，在泵站停机水位9.50m以下，淹没于水中，泵站机组在设计水位时泵站机组不同组合开启情况下，进水池水面平顺，横向导流坎前后水位落差最大为6.0cm。横向导流坎引水面可开设一些孔洞，可使坎的受力状况得到较大的改善。但是，从水力学的角度看，横坎前也较易沉积泥沙；另一方面，加设横向导流坎后清泥工作车难以进入进水池。为此，有关部门建议采用三角导流墩方案。图2QL泵站导流墩方案平面布置图加设图2的导流墩后，水流由梯形引水渠至进水池扭曲段时，经两个三角导流墩的作用，主流被均匀分为三部分，并随后进一步通过渡槽桥墩的作用，将中间水股再次调整，避免由于进水322 池回流的挤压而在该区引起的主流水股偏折现象。使水流在其后横断面左右对称地进入进水池。试验中发现，入池水流表面较平静，不出现回流。吸水口前缘断面流速大大减小，多为0.2m/s左右，开启6台机组运行时，前缘最大不超过0.4m/s，水流分布较均匀，泵站取水前缘横向流动消失。由于扭曲段横断面较梯形引水渠大，布设的三角墩高度也不大，因此，在该段布设三角导流墩后，并没有使过水净面积减小，其横断面仍比引水渠大。另一方面，这些导流墩的布设，使原本受回流挤压的过水断面流速分布均匀化，反而使水位较原布置有所下降。试验过程中发现，进水池的水流流态对导流墩的布设位置、形状、高度等均较敏感，导流墩位置和尺寸的微小变化都会引起池内流态的变化。QL泵站实施时，引水渠后的前池发生变化。一是出于渡槽结构的需要，对横跨进水池首部的渡槽支墩进行了变更，由原来布设于两个三角导流墩后的一个墩，变成分别布设于两个三角导流墩后的两个墩；二是渡槽的桥墩长度由原5.0m变更为8.0m；三是前池的斜坡起点由原渡槽前5.0m变更为渡槽后8.0m，如图3所示。这样，原来模型试验提出的导流环境发生了很大的变化，原布设于中部的渡槽桥墩和两个三角导流墩组成的导流体系受到很大影响，原渡槽桥墩对中间水股再调整功能消失，而布设于三角导流墩后的两个长桥墩则有恶化墩后水流流态的作用。原方案实际实施方案图3QL泵站实施变更情况发生上述工程变更时，由于对可能引起的前池水流流态问题并未足够的重视，因此未进行相应的分析论证。QL泵站于2003年1月28日建成试运行，部分机组出现间歇性振动现象，振动没有固定的规律。现场观测前池及进水流道的流态时可见，表面存在小局部的弱回流，不同开启组合和前池水位组合情况下，小范围的弱回流位置有所变化；个别吸水流道入口边缘有弱回流，水泵吸水管口位置的水面可观察到间歇性旋涡的形成和消失过程。通过对泵站运行情况和机组结构资料、振动情况和现场进水池流态观测和流速测量分析，认为QL泵站水泵振动的内因是泵体结构存在局部缺陷，在排气设计上存在有排不掉的气腔，在一定的外因作用下，如水动力的变化都会诱发机组振动。外因是进水池水流不均匀，从而引起水泵吸水管头部，形成间歇性的小的吸气漏斗涡，在漏斗涡的形成、发展和消失过程中，不可避免可能会吸入部分空气，使过泵水体的动水压力发生变化，从而引起机组的振动。经研究有关方面决定从两方面来消除机组的振动。一方面，在水泵积聚气腔的部位安装自动排气阀，当气腔压力积聚到某一程度时，排气阀自动开启将泵内聚积的气体排出；另一方面，对进水池流态进行改善。通过专题水工模型试验对进水池流态进行了分析观测，试验是在拆除原来的两个三角导流墩后进行的。但经过多方案反复试验，认为原来布设的两个三角导流墩对弯道水流的调整作用十分323 有效，特别是在高水位工况下，有利于调整进入前池的水流，其它措施难以较好地取代。试验过程中还发现，两个加长的渡槽支墩恶化了两个三角导流墩后的水流流态。为此，决定保留原已布设的两个三角导流墩，再进一步在渡槽桥墩下游适当位置增设适当的导流措施。试验最终提出如图4的流态改善方案导流布置图。图4QL泵站流态改善方案平面布置图该方案付诸实施后，泵站运行时水面平静，没有明显的回流，进水池及流道的水流流态很好，排气阀在水泵正常启动后即关闭，泵站机组的振动现象显著改善，但偶尔仍有小振动发生，吸水管位置也还有小旋涡。这也从另一方面说明该泵由于抽水流量大，泵体结构上存在局部缺陷，水泵吸水口对流道水流流态要求很高。为完全消除泵体振动现象，下一阶段应该从改善泵体结构上考虑。4结束语大量的研究成果和经验证明，抽水站取水口不宜布设在弯曲河道凸岸的端部，否则很易因有泥沙淤积而影响泵站的正常运用，如受条件限制，取水口只能布设在弯曲河道凸岸的端部，则设计时就必须考虑辅以必要的导流导沙措施。而对于进水建筑物，要充分认识到水流流态的复杂性和敏感性，特别是大型抽水泵站，更要足够的重视。参考文献[1]中华人民共和国国家标准。泵站设计规范[S](GB/T50265-97)，中国计划出版社，1997。[2]国家电力公司电力规划设计总院，火力发电厂循环水泵房进水流道及其布置设计技术规定，1999。[3]赖翼峰等，MT抽水站引水防淤措施试验研究，第十二届全国水动力学研讨会文集，海洋出版社，1998。[4]广东省水利水电科学研究所，QL抽水泵站引水渠及进水池水工模型试验研究，1999.3。[5]广东省水利水电科学研究院，QL抽水泵站引水渠、前池及进水流道模型试验研究，2003.12。324'