金海银，李 雷，徐 军

(1.江阴市澄江水利农机管理服务站，江苏 江阴 214400； 2.江阴市重点水利工程建设管理处，江苏 江阴 214431； 3.无锡市水利设计研究院有限公司 江阴分院，江苏 江阴 214400)

0 引 言

无为神塘河泵站以排涝为主，结合排洪。泵站设计排涝流量85 m3/s，设计装机功率10 MW[1]。根据《泵站设计规范》(GB 50265-2010)规定，枢纽工程等别定为Ⅱ等工程，属大(Ⅱ)型泵站[2]。神塘河泵站为堤后式，穿堤建筑物(排涝出水涵)位于无为大堤上，其工程等别与无为大堤一致，为Ⅰ等工程。由此确定泵站穿堤建筑物为1级、泵房为2级，次要建筑物前池及挡墙为3级，前池两侧堤防等级同马口河堤防等级为4级，出水渠与长江侧神塘圩堤防等级相同，为4级。无为神塘河泵站工程总体布置型式详见图1。

图1 泵站总体布置简图

该泵站出水箱涵共10道出水口，出水箱涵出水流态紊乱，设计有一定的不合理之处，需要对出水箱涵出水流态进行优化设计[3-4]。

1 泵站出水池水力计算

根据该泵站出水池以及箱涵布置，按照1∶1(单位：m)比例，建立出水池水流三维物理模型。计算工况选取：排涝设计水位为12.70 m，排涝流量85 m3/s，初设阶段出水池、箱涵结构布置型式详见图2。

图2 出水池及箱涵结构布置

2 控制方程

该泵站出水池水流流动区域三维数值模拟采用三维雷诺时均N-S方程来描述其不可压缩湍流流动，方程式如下:

雷诺时均N-S方程：

式中：ρ为流体密度；t为时间；ui(i=x，y，z)为速度沿i方向的分量；p为压力；v为流体的运动黏性系数。

计算湍流模型选择realizable k-e方程，对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离、强流线弯曲、漩涡和旋转、二次流有很好的表现。

3 原方案水力计算结果分析

泵站出水池、箱涵水流流态及流速分布结果详见图3。

图3 出水池及箱涵水流流态、流速分布云图

根据计算结果显示，中间侧机组出水水流及中间两侧机组部分水流基本沿着中间两孔箱涵出流，中间两孔箱涵水流流速分布范围在1.2～1.4 m/s；两侧边墩机组出水水流及中间两侧机组部分水流基本沿着边孔箱涵出流，边孔箱涵水流流速分布范围在1.6～2.0 m/s。中间两孔箱涵与边孔箱涵平均流速不均匀系数比为1.385左右。

4 方案水力优化方案

根据原方案水力计算结果，对出水池、箱涵结构布置型式优化调整。原4孔箱涵调整为3孔，两侧边孔宽为5.8 m，中孔3.0 m；出水池中间机组两侧隔墩连接箱涵中墩，其他型式不变；出水池、箱涵顶板高程由9.95 m调整为9.85 m。优化后的出水池、箱涵结构布置型式详见图4。

图4 出水池及箱涵结构优化布置

5 方案水力优化计算

根据调整后的出水池、箱涵结构布置方案，中间机组出水水流与中孔箱涵衔接，两侧及边墩机组出水水流与边孔箱涵衔接，流动空间不互相干扰。优化方案水流流态平顺，三股水流互不干扰，边孔箱涵、中孔箱涵出水水流流速分布范围1.5～1.6 m/s，边孔箱涵、中孔箱涵出水水流平均流速不均匀系数比为1.0左右。

图5 优化方案出水池及箱涵水流流态、流速分布云图

6 方案比较

原方案出水箱涵中间两孔箱涵与边孔箱涵平均流速不均匀系数比为1.385左右。优化方案出水箱涵边孔箱涵、中孔箱涵出水水流平均流速不均匀系数比为1.0左右。优化方案出水箱涵平均流速不均匀系数比较为理想。

综上所述，优化方案出水池、箱涵结构布置方案达到水力优化目标。

7 结论与展望

7.1 结 论

1) 原方案出水箱涵中间两孔箱涵与边孔箱涵平均流速不均匀系数比为1.385左右，流速分布不均匀，局部流态紊乱。

2) 优化方案出水箱涵边孔箱涵、中孔箱涵出水水流平均流速不均匀系数比为1.0左右，流速分布较为均匀，局部流态紊乱范围小。

7.2 展 望

综上所述，优化方案出水池、箱涵结构布置方案达到水力优化目标。CFD水力优化方法在泵站工程设计过程中能较好地调整泵站总体工程布置。泵站出水水流自带环量，是旋转水流，无法在CFD数值模拟方法中体现，需要更新相关技术确保边界条件符合工程设计应用，操作简单，能大规模推广。