基于模型试验的泵站进水前池优化和特性研究

文章编号:1006 2610(2023)03 0082 06
基于模型试验的泵站进水前池优化和特性研究
胥维纤1,张晓斐2,孙　斌3
(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安　710065;2.西安曲江渼陂湖投资
建设有限公司,西安　710300;3.郑州大学黄河实验室(郑州大学),郑州　450001)
摘　要:为研究南水北调支线工程安和泵站进水前池体型参数优化,采用水工模型试验对比的方法,对不同入池流量工况的泵站前池体型参数开展了水力特性研究㊂模型试验结果表明:前池体型参数不会影响池内断面水位分布变化,但会影响流速分布特征;池长体型参数愈大,则池内水位与流速均愈低,且影响效应均在池长25m后减弱,池长10~20m与25~35m方案下断面均速分布为1.1~1.74m/s㊁0.855~0.9m/s㊂在池长体型参数超过20m 后,挡水闸门面板时均压强峰值为测点5号,入池流量变化,时均压强与体型参数关系并不改变,体型参数愈大,则压强愈低,且以池长体型参数10~20m降幅最显著㊂研究认为泵站前池体型参数为20~25m最适宜㊂
关键词:模型试验;泵站;体型参数;水力特性
中图分类号:TV68;TV131 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2023.03.015
Study on Hydraulic Characteristics of Pumping Station Intake Forebay under
Shape Optimization based on Hydraulic Model Test
XU Weixian1,ZHANG Xiaofei2,SUN Bin3
(1.PowerChina Northwest Engineering Co.,Ltd.,Xi'an　710065,China;2.Xi'an Qujiang Meipi Lake Investment and Construction
Co.,Ltd.,Xi'an　710300,China;3.Yellow River Laboratory,Zhengzhou University,Zhengzhou　450001,China) Abstract:In order to study the optimization of the shape parameters of the intake forebay of the Anhe pumping station in the South-to-North Water Diversion Branch Project,the hydraulic characteristics of the shape parameters of the pump station forebay under different in⁃flow conditions are studied by using the method of hydraulic model test and comparison.According to the model test result,the shape pa⁃rameters of the forebay will not affect the water level distribution of the cross-section in the forebay,but will affect the flow velocity distri⁃bution characteristics;The larger the shape parameter of the forebay length is,the lower the water level and flow velocity in the forebay are,and the influence effect is weakened after the forebay length is over25m.The average velocity distribution of the section under the forebay length of10~20m and25~35m is1.1~1.74m/s and0.855~0.9m/s.After the shape parameter of the forebay length ex⁃ceeds20m,the peak value of the hourly mean pressure at the gate panel of the water retaining gate is measured at the measuring point No.5,and the relationship between the hourly mean pressure and the shape parameter does not change when the flow into the forebay fluctuates.The larger the shape parameter is,the lower the pressure is,and the drop of pressure under the shape parameter of the forebay length of10~20m is the highest.It is considered that the shape parameter of the forebay of the pump station is20~25m.
Key words:model test;pump station;shape parameters;hydraulic characteristics
收稿日期:2023-03-20
作者简介:胥维纤(1983-),女,山东省济南市人,高级工程师,主要从事水利工程㊁水环境工程设计工作.
基金项目:中国博士后科学基金面上项目(2022M722881);农业农村部节水灌溉工程重点实验室开放课题(FIRI2021020201);河南省高等学校重点科研项目(22A570009);河南省自然科学基金面上项目(232300421199).0　前　言
各类水工建筑在设计建造之初,都会开展设计方案的优化,期以能提高水工结构安全稳定性,并促进结构体型设计的最优化[1-2]㊂泵站结构体型参数较复杂,涉及宏观体型与附属结构构件较多[3],优化设计方案,有利于提高泵站运行效率㊂刘爽[4]㊁徐存东等[5]考虑水工建筑的水力特性问题,采用
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Fluent 平台模拟溢洪道㊁泵站等工程渗流场状态,对流场水力参数开展方案对比,从而判断最优方案可行性㊂不仅于此,水工模型试验方法同样在方案优化设计中应用较多,吉庆伟等[6]㊁秦钟建等[7]建立起了泵站的水工模型,并通过更改不同体型设计方案,对模型试验结果所获得参数展开对比分析,从而宏观上获得最利于结构流场安全的设计方案㊂综合以上研究成果可知,前池宏观体型设计具有较大优化空间㊂因此,本文采用多元化㊁综合性试验手段,依托南水北调支线工程安和泵站进水前池体型参数优化,采用水工模型试验对比的方法,对不同入池流量工况的泵站前池体型参数开展了水力特性研究,提出前池体型优化特征,为提高前池结构运营水平提供借鉴㊂
1　试验概况
1.1　工程介绍
为提高南水北调工程北线工程的输调水效率,计划在襄阳以北新建安和泵站枢纽,确保北线各水
源输水调度,同时也保障区域内洪涝调节㊁农业灌溉,有效支撑地区用水安全㊂安和泵站主厂房尺寸为32.5m×24.5m×33.8m(长×宽×高),枢纽计划装机超过7万kW,上游水库调节水位为15~30m,泵站最大高程可达510.00m,峰㊁谷值扬程分别为4.5㊁2.2m,设计净扬程为5.2m,泵站几何平面布置如图1(a)所示,主轴宽度为4.6m,前池口体型呈 三角平面”,共有3个拦污栅闸,间距为1m,图1(b)为在泵站竣工后智慧水利仿真模型㊂进水口分为了引水渠段与渐变段,主要是为了削弱水势㊁降低泥沙含量,提高进入前池中水流稳定性,前池口最宽处为1.8m,池内设置有底坎㊁隔墩等构件,降低动水势能对下游集水室渗流场影响㊂经3a 水文数据运营模拟,最大泥沙淤积厚度可达0.6m,泥沙含量达4kg /m 3,前池内流态㊁流线分布不佳,进流不畅㊂为此,设计部门考虑对泵站前池宏观体型进行优化,期以提高前池渗流与水力特征,从而降低池内非稳定流体
㊂
图1　泵站前池模型 单位:mm
1.2　试验设计
在考虑安和泵站宏观体型的前提下,在室内复制泵站各部分结构,特别是对进水前池结构进行原型复制,图3为模型试验各模块设计包括了可循环回收水箱㊁下游尾水渠以及回水渠作为集水室模拟
模块,而模型前池上游采用闸阀设施模拟挡水闸门开度控制,试验方案的对比段均集中在模型前池段,图4为所建立的实际水工模型,全模型主轴范围长为50m,宽度为4m,在安和泵站实际运营工况的前提下,对前池进水口宏观体型特征开展对比研究
㊂
图2　模型试验模块设计
3
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图3　水工模型试验设计
为确保水工模型试验结果可靠性,模型各模块
糙率设定为0.017,按照比尺1.852进行糙率系数换算,各部分挡水构件均为刚性材料,视为非透水边界,试验中模型几何比尺为50,流速比尺㊁流量比尺以及时间比尺参数均按照相似理论计算,分别设定为7.2㊁17520㊁7.2,前池上㊁下游挡水闸门尺寸为0.5m×0.5m(长×宽),底缘为后倾45°,池内底坎高度为15cm㊂试验中,按照襄北地区常年径流量状态,最大过流量设计为200m 3/s,模型中水位限值
为24.5cm,浸润线湿周为6.58m,过流面水力半径㊁面积分别为1.25m㊁5.1m 2,试验雷诺数低于2000,满足水工模型试验要求[8]㊂不仅于此,水工
模型不仅需要贴合实际工程,同样还需要布置各类监测设备,才能对模型试验过程中各类水力参数开展分析,所有监测设备最大误差控制在0.1%㊂图5(a)为试验动水泵机装置与流量计设备,可控制流
量以及进行量化分配,单㊁双泵均可方便控制,水流且不会受之影响,图5(b)为进水前池全断面上分布的流速㊁水位监测示意,共有15个监测断面,断面间距为0.5m,各断面测点处分别布设有智能回传流速仪与水位仪,每个断面测点处布置有四探头,可对水体各层同时测量数据,并回传标定误差后监测值㊂前池上㊁下游各设有2个闸门设施,分别在闸门面板上布设有压强监测点,如图4(c)所示,各监测点间高度差为40cm,由前池面板压强监测结果分析进水池内水流特性
㊂
图4　模型试验监测断面 单位:cm
作为模型试验优化对象,前池池长乃是宏观体
型参数,在保证池长不超过池宽模型10倍的原则下,池长设计为10㊁15㊁20㊁25㊁30㊁35m 共7个方案,此参数为进行几何比尺换算后设计方案㊂进水口流量工况分别设置为100㊁150m 3/s,由不同池长体型方案下试验监测结果,评价前池水力参数影响变化㊂
2摇前池体型优化下流态特征
基于不同入池流量下前池水位监测,获得了各池长方案下水位变化特征,如图5所示㊂观察图5中水位变化可知,不论入池流量为何值,改变前池长度体型参数,均不会影响池内各监测断面水位变化特征,峰㊁谷值水位所在断面恒定,流量100㊁150m 3/s 均分别位于断面5.5㊁3m㊂分析可知,同一入
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池流量下,前池长度设计参数改变,池内水位仍会保持相同的变化趋势,在固定区域具有较大水位,从池口至水位谷值断面,水位持续下降,此与进水口水势能在较短时间内由 窄闭空间”流通至 宽广”池内后,水位呈逐步下降,后在随入池口水体增加,水位也逐步增长至峰值㊂
从水位量值水平对比可知,当池长体型参数愈大,则水位愈低,在流量100m3/s工况中,池长10㊁20m时峰值水位分别为47.3㊁36.4cm,而池长15㊁25㊁35m峰值水位相比池长10m下分别减少了38.9%㊁54.5%㊁58.1%,随池长每递增5m,则池内水位平均减少了15.8%,当流量增大至150m3/s 后,随池长参数梯次变化,池内峰值水位平均下降了21.6%㊂对比之下可知,增大前池体型,可减少水位,且流量愈大,水位受池长体型参数影响愈敏感㊂从全断面水位均值对比也可知,流量100m3/s下池长10㊁15㊁20m下断面平均水位分别为33.8㊁26㊁20.7cm,而在池长25m后梯次变化过程中,断面平均水位增幅依次为10.5%㊁8%;同样的,当流量为150m3/s时,池长10㊁15㊁20m下谷值水位分别为31.7㊁23.5㊁18.1cm,在池长25~35m三个方案梯次间,谷值水位的降幅依次为15.2%㊁12.6%,此幅度显著低于前者池长10~20m方案㊂相比之下,池长体型参数对池内水位影响呈逐渐下降态势,特别是在池长25m后,断面平均水位降幅较小㊂综合可知,约束池长体型参数,可降低池内水位线,但池长参数的作用影响性并不是具有持续性显著效果[9],会在池长25m后减弱㊂
图5　池内水位线高度特征
3　前池体型优化下水力特性
3.1　流速特征
由模型试验监测数据处理,获得了池内渗流场
流速特征如图6所示㊂分析图6可知,不同池长体
型方案下,断面测点流速变化趋势有很大差异,部分
池长体型方案内断面流速呈 先增后减”变化,如池
长20㊁25m;而有的方案内断面流速呈 先增后减再
增”的双增特征变化,如池长10㊁15m;也有个别方
案断面流速呈 先增后减至稳定”变化,如池长30㊁35m㊂从断面流速变化可知,不同池长体型方案,断面流速变化趋势差异性明显,峰㊁谷值流速所在断面
各有区别㊂但对比同一体型下㊁不同流量工况中,断
面测点流速变化特征仍为一致性㊂
池长体型参数不仅会影响断面流速变化趋势,也作用于流速水平,在流量100m3/s下池长10m 时,池内峰值流速为2.04m/s,随池长每梯次变化5 m,其峰值流速分布为1.19~2.04m/s,平均降幅为10.1%,当流量为150m3/s时,同样增大池长参数,流速水平减少,其平均降幅为13.4%㊂在峰值流速对比中,池长体型参数愈大,断面监测流速水平愈小,但在池长10~20m方案间对比下,整体流速变化显著高于池长25~35m,流量100m3/s下,池长10~20m方案断面均速分布为1.1~1.74m/s,降幅可达36.8%,而池长25~35m内均速分别为0.9㊁0.87㊁0.855m/s,流速变化不及前者池长区间方案㊂
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图6　池内断面测点流速变化特征
3.2　压强特征
水面线㊁流速特征均是前池内水力特性,而改变池长体型参数,池口挡水闸门渗流状态也值得研究,图7为前池末端挡水闸门面板上时均压强变化特征㊂从图7中压强变化可知,不同池长体型方案下,压强变化呈显著差异,当池长不超过20m时,面板时均压强呈 陡增-缓增-稳定”变化,第一阶段陡增仅持续在测点2号,峰值压强位于7号测点;而在池长为25~35m时,面板压强呈 先增后减”变化,峰值压强位于测点5号㊂虽入池流量变化,但池长体型参数对面板时均压强变化趋势影响保持一致㊂从两流量工况下压强对比可知,同一体型方案下压强变化趋势一致,但量值水平会有显著差异:池长10m时,入池流量100㊁150m3/s两者峰值压强分别为1466.7㊁1826Pa,而池长15㊁25m时,两流量工况中峰值压强的差幅分别为22.4%㊁31.5%,相比之下,池长参数愈大,则不同入池流量间压强水平差异增大㊂另一方面,在同一流量工况中,池长愈大,面板时均压强愈小,流量100m3/s中池长15m面板峰值时均压强为1350Pa,在池长递增过程中,其峰值时均压强方案间平均减少了108.7Pa,降幅特别集中在池长10~20m,总体峰值时均压强降低可达8.7%㊂分析认为,挡水闸门面板时均压强会受池长体型参数影响,池长体型参数不应过大,可达到降低水力势能㊁削弱水冲压强即可[10-11],从体型优化考虑,池长为20~25m最契合安和泵站工程设计
㊂
图7　挡水闸门面板时均压强变化特征
4　结　论
(1)前池体型参数不会改变池内水位分布变化
特征,峰㊁谷值水位分别位于断面5.5㊁3m;体型参
数愈大,水位愈低,流量100㊁150m3/s工况中池内
峰值水位随体型参数梯次变化,分别具有平均降低
了15.8%㊁21.6%,但降幅会在池长参数25m后逐
渐减小㊂
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(2)当前池体型参数变化,池内断面流速分布
变化各有差异,但流量增大,并不会影响同一体型方案下断面流速分布变化趋势;池长参数愈大,流速愈低,且在池长25m 后流速受体型参数影响较弱,池长10~20m 与25~35m 方案下断面均速分布为1.1~1.74m /s㊁0.855~0.9m /s,而在前者区间内降幅可达36.8%㊂
(3)前池体型参数为25~35m 时,闸门面板时均压强呈先增后减变化,峰值压强为测点5号,即使入池流量变化,但时均压强受体型参数影响保持一致;池长参数愈大,面板时均压强愈小,降幅集中在池长10~20m㊂(4)结合前池水力特性分析,池长体型参数为
20~25m 最契合㊂
参考文献:
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对于M-15三级配碾压混凝土:Y =18.3449t /(2.2949+t )相关系数r =0.9959
从绝热温升试验结果可见,二级配碾压混凝土
的绝热温升速度高于三级配碾压混凝土的绝热温升速度㊂可见水泥用量越多,粉煤灰掺量越少,绝热温升速率越快,绝热温升温度越高㊂
5　结　语
马渡河水利水电枢纽工程试验所用集料岩性较为特殊,大坝坝区周围及初设中的料场,均为二迭系下统栖霞组岩石,岩性呈深灰色,间或夹有马鞍组岩石,呈黑色,质地较为松散及破碎㊂混凝土配合比设计试验经大量的试拌和调整后,形成结论如下:(1)配合比设计应依据原材料的性能及现场实
际情况进行,严格按照规范要求通过试验确定配合比的各项参数,并选取最优参数开展配合比设计试验㊂(2)二迭系下统栖霞组岩石骨料岩性不但影响混凝土配合比参数,而且影响混凝土的强度结果值㊂经对混凝土90d 抗压强度结果进行对比,二迭系下统栖霞组岩石骨料岩性混凝土抗压强度值降低(18±5)%左右㊂
(3)混凝土的干缩试验和体积变形试验结果均呈收缩趋势,经与景洪水电站碾压混凝土自生体积
变形结果进行比较,二迭系下统栖霞组岩石骨料岩性混凝土自生体积变形90d 检测数据与景洪水电站岩性混凝土自生体积变形试验检测结果相差70×10-6左右,可见不同岩性骨料混凝土配合比体积变形规律各不相同㊂
本次试验结果为马渡河混凝土配合比提供了非常有利的技术支持,解决了马渡河水电站碾压混凝土施工配合比的适用性㊂
参考文献:
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