北疆某一级泵站前池及进水池布置型式比选研究

高 鑫

(水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 概 述

泵站前池、进水池是连接引渠(或引水箱涵))和泵站机组进水流道的建筑物，为水泵创造必要的进水条件[1]。许多试验和现场观测表明, 前池的回流可能波及进水池, 前池中形成的漩涡也会随水流方向游动, 甚至将空气带入水泵中, 使池中水流紊乱, 进水条件恶化, 水泵效率降低, 严重时将引起水泵汽蚀、振动和噪声等[2]。因此，良好的前池及进水池结构，对保证泵站稳定运行至关重要。

目前，许多学者对于泵站进水流场进行了数值计算和模型试验。徐磊等[3]和陈松山等[4]对大型泵站装置进水流场进行了模型试验和数值计算，分析了进水流场的流动特性。Kadam 等[5]观测了前池和进水管的流动特征，发现过大的前池扩散角和过小的淹没深度导致进水流态恶劣。王雷等[6]用模型试验观测了惠南庄泵站各工况进水池内外流态，介绍了主副回流区、漩涡发生位置和水面波动情况。

本文以北疆某一级泵站为研究对象，对泵站前池、进水池布置型式进行比选研究，分析推荐方案的合理性，并通过模型试验验证此方案的可行性，以期为同类泵站的设计和更新改造提供参考。

2 泵站前池、进水池布置型式比选研究

该泵站设计流量为13.0 m3/s，设计总扬程为186 m。采用6台(4用2备)卧式双级双吸离心泵，水泵单机设计流量为3.25 m3/s。泵站所在位置地形较平缓，地势开阔，不存在空间上的限制，具备布置正向前池、进水池的条件，同时参照国内其它类似大型泵站的实践经验，本泵站采用正向进水的前池布置方式。前池、进水池用于连接上游分水闸与泵房，根据泵站前池与分水闸布置及结构型式的不同，分别拟定3个方案即整体式箱涵方案、扶壁挡墙无盖方案、直接连分水闸方案，进行方案的比选。

2.1 整体式箱涵方案

分水闸后为引水埋涵，前池与引水埋涵相接。引水埋涵长度为30 m，为C35钢筋混凝土整体式箱涵结构。通常情况下，在扩散段增设导流墩，可以适度调整两侧水流的方向，减小前池有效扩散角，避免扩散段水流的脱流，从而达到水流均匀扩散的目的[7]。因此为避免各台水泵进水的相互影响，保证进水流态的稳定性，前池由1孔逐渐分隔成6孔，各台水泵单独进水。

前池采用C35钢筋混凝土整体式箱涵结构，在平面上为渐变扩散式，由起点净宽4 m逐渐扩散成末点净宽80.5 m，底板高程由527.52 m渐变为519.30 m，长度为66.251 m，纵坡为1∶8.06。末点断面分为6孔，每3孔设一道结构缝[8]。前池后接进水池，进水池长度为21.5 m，结构型式与前池相同。整体式箱涵方案布置图见图1。

图1 整体式箱涵方案布置图

2.2 扶壁挡墙无盖方案

此方案中，前池、进水池采用分隔式结构，前池、进水池两侧采用扶壁挡墙结构，底板为分离式底板结构。前池、进水池顶部未设置盖板。 前池左右侧C35钢筋混凝土扶壁式挡土墙高度5.480～13.2 m，墙身厚度0.5～1 m，墙背坡度1∶0.6；底板宽度4.781～11.220 m，厚度1～1.5 m；肋板间距3.5 m，厚度0.6～0.8 m[9]。前池底板采用厚0.5～1.5 m的 C35混凝土护底。前池后接进水池，进水池长度为21.5 m，结构型式与前池相同。扶壁挡墙无盖方案布置图见图2。

图2 扶壁挡墙无盖方案布置图

2.3 前池直接连分水闸方案

从缩短前池长度、降低水流扩散影响的角度考虑，拟定方案三，采用前池直接与分水闸相接的方法，即取消连接涵洞，前池宽度80.5 m不变。前池采用C35钢筋混凝土整体式箱涵结构，断面分为6孔，每3孔设一道结构缝，单孔孔口尺寸宽11.913 m，高13.20 m，边墙、中墩、底板、顶板厚度均为1.5 m。每一孔底板高程由527.52 m渐变为519.30 m，保证水流的平顺连接。前池直接连分水闸方案布置图见图3。

图3 前池直接连分水闸方案布置图

2.4 方案比选分析

见表1。

表1 方案比选分析表

2.5 方案比选结果

从表1可以看出，方案二(扶壁挡墙无盖方案)结构型式最简单、投资最少，但是池中无导墙、扩散角大，存在较大的滞流、偏流、回流现象；北疆冬季气温低，前池无盖水面为露天开敞式，存在冬季水面极易结冰的问题；泵站处于沙漠地区，平常风沙较大，开敞式结构的前池、进水池水面较宽，水体容易受到沙尘污染。方案三(前池直接连分水闸方案)取消了连接涵洞，缩短了泵站前的输水距离，但是由于前池宽度大，体型庞大，造价较高，同时因为前部无控制闸门，检修时将影响其它方向的正常供水。方案一(整体式箱涵方案)多孔箱涵结构虽然投资稍多，但是设置了隔墩而减小水流扩散角，各台水泵单独进水，较大改善了水流条件，泵站效率较高。北疆冬季气温低，设置盖板后，水面上部封闭冬季不结冰，水体不容易受到沙尘污染，优势较为明显。

本工程是北疆长距离调水工程，建筑物级别为1级，而泵站是在输水中起承前启后的作用，位于整个线路的中部，位置非常重要。因此综合考虑，选择方案一(整体式箱涵方案)为泵站前池、进水池的推荐方案。

3 模型试验

为了验证推荐方案合理性，我院委托其他单位通过模型试验对前池、进水池、进水流道在各主要运行工况下水流流态进行验证，并对可能存在的影响水泵进流的不良流态提出改进方案，并进行优化调整，确定在各种流量下的最佳水泵组合方式，以便于指导今后的运行管理。

模型试验结果显示：①不同开机组合及部分泵运行对前池流态的影响亦在流槽中逐渐消除，至前池中部，各流槽水流已较为均匀平顺，不同开机组合对进水池进流无明显不良影响。②各工况水泵进水喇叭口周向进流且较为均匀，进水池内未观测到回流、旋涡、涡带等不良流态，水泵进流条件良好。③泵站前池和进水池调节能力较强，能有效消除来流不均及不同开机数量、不同开机组合的影响，各试验工况下，进水池水位变化平稳。正常运行工况前池表面流态见图4，増负荷运行4m n 见图5。

图4 正常运行工况前池表面流态

图5 増负荷运行4台泵同时启动进水池水位变化过程

4 结 论

通过综合比选和模型试验，证明该泵站前池和进水池采用整体式箱涵方案较为合理。基于模型试验成果，对泵站运行管理提出以下建议：①泵站增负荷建议采取1～4台水泵顺序开启，间隔不小于4.5 min，适当加大开泵时间间隔，有利于减小瞬时水面落降。②设计运行工况下,单个分水方向甩负荷，分水池、泵站前池及进水池水面波动的最高水位均低于设计最高水位，且有一定余量，能够满足设计要求。