丰和电排站扩建工程引水前池设计及流态特性分析

胡 静

(南昌市水利规划设计院，南昌 330009)



丰和电排站扩建工程引水前池设计及流态特性分析

胡 静

(南昌市水利规划设计院，南昌 330009)

文章以江西南昌丰和电排站扩建工程为例，通过比选分析确定引水前池设计方案及其水力参数，并运用CFD和湍流模型RNG 对所设计前池的流态特性进行分析，验证了新设计前池方案的合理性，并为后期电排站运行管理提供借鉴。

电排站；引水前池；设计方案；流态特性；甩负荷状态

0 引 言

前池是水利工程建设中一种重要的水工建筑物，其功能主要是改善水流流态和减少水头损失，通过调整水流流态为泵房电机工作提供良好的水流条件。前池设计方案合理性对电排站的经济、安全运行有着重要的影响，如前池设计方案与电排站运行状态不匹配，将会造成前池内水流能力分布不均匀、水流流态紊乱，进而产生淤积、涡旋、回流等不良水流情况，导致泵站工作性状发生改变[1]。因此，水利工程在前池结构设计中，应通过工程运行需求，选择适宜的前池设计方案，并通过有效的验证措施以保障设计方案的合理性。

1 工程概况

丰和电排站(老站)位于丰和联圩的铁臂前圩段(桩号4+700)，东侧紧邻庐山南大道，于2000年建成运行。丰和片区采用雨污分流方式处理，近年来由于城市道路及城市建设发展，原调蓄水面被不断挤占。同时，由于老泵站前池狭小，城市排水无法正常引入前池，且前池容积太小，已不能满足机组全部运行要求。为了较好解决丰和治涝区排水问题，工程设计确定采用易址扩建方案，保留老站，在调蓄湖北侧扩建丰和电排站，调蓄湖通过丰和联圩内侧引水箱涵与老站相连。

2 前池设计方案

2.1 前池引水结构设计比选

结合扩建电排站方案及地质环境情况，前池设计方案有两种型式，方案一：正面引水发电，侧面溢流、排砂；方案二，正面溢流、排砂、侧面引水发电，两方案的综合比较情况见表1。

表1 压力前池方案比较表

参考老站运行情况，并通过经济、施工、工程实施效果等方面进行比选扽系，确定设计扩建站前池采用正向进水方式。前池进出口底板高程分别为15.00m和13.00m，底坡为1:6。考虑老站前池容积不足情况以及扩建站排涝流量，设计增加前池结构尺寸。前池总长(中心线处)12.00m，前池进口净宽9.1m，出口与泵房相接净宽13.2m。前池边墙采用C25钢筋混凝土悬壁式挡墙，墙顶高程20.30 m，墙顶现浇混凝土面板，使前池部分顶板成为中控楼的地面板，前池底板采用C25钢筋混凝土底板，板厚0.7m，底板上设φ=80mm的排水孔，排水孔梅花形布置，间距为1.5 m×1.5m，排水孔下设土工布和反滤层。

2.2 水力计算

1)设计水位。参考扩建站排涝量及防洪标准，采用水面线计算法求得最低运行水位为17 m。

(2)最高水位。以扩建站机组全部处于甩负荷状态计算，并参考电排站最大涌波高度为准，计算公式如下[2-3]：

ξn=Qn/CnBn

(1)

式中：ξn涌波高度，m；Qn为水流流量变化值，m3；Cn为行进波波速，m/s；Bn过水断面宽度，m。

带入相关参数，计算得到4台电排站机组甩负荷时的最高水位为19.5m，而最高运行水位为17.5m。

(3)最低运行水位。最低运行需求应满足丰和区域排涝量需求，考虑老站与扩建站的运行管理方式，确定扩建站进水口的最低运行水位为15.5m。

3 电排站前池流态特性分析

电排站前池水流流态模拟运用CDF方法，计算模型选择RNGk-ε，采用流体模拟软件Flow3D对前池结构内水流流速扽不及水位变化情况进行分析[4-5]。丰和电排站扩建工程有工作机组4台，设计模拟机组不同数量机组在增负荷情况下的流态特性。

3.1 流态模拟工况

考虑电排站正常时期以及特殊时期的运行需求，按照不同时期机组工作状态进行工况的设计。模拟工况方案如下：

1)工况Ⅰ：4#机组增负荷。

2)工况Ⅱ：3#和4#依次增负荷。机组在增负荷之前，池内水流流速处于不均匀分布状态，增负荷后池内水流流速将变大，直至所有机组进水口流速相同。这一时期内池内水位会首先发生降低，过程会伴随有缓慢升降的变化直至与前室水位相同。前池水位降低会导致泵站压力管道进水口流态发生变化，并可能产生吸气或回流漩涡，同样对机组的安全运行造成影响。

3)工况Ⅲ：4台机组全部处于甩负荷状态。当机组全部处于正常运行状态时，前池内部水流流速分布较为均匀，且呈对称分布状态，水流流态较为稳定。而当机组全部处于线性甩负荷状态时，扩建站的发电流量由设计流量逐渐降至零，这一过程中通过前池流量将变小，并且池内水位将逐渐；当达到泄流水位时，前池内水流将通过泄流槽下泄水量。此过程中前池内水位发生反复的波动变化，并可能产生回流漩涡的情况，对机组的运行产生不良影响。

3.2 流态特性模拟成果分析

3.2.1 工况Ⅰ

工况Ⅰ条件下水流流态变化情况如图1所示。4#机组增负荷150s之内，前池内水流流态仍然较为稳定，未出现明显的紊流或回流漩涡等不良情况。而在150s后，水流状态发生变化，并逐渐出现不稳定流态，在250s后出现回流漩涡。这主要是由于机组负荷增加后，引水流量变大，池内水位降低；而明渠内的水流又迅速涌入前池，使得前池水量得到补充，使得水位又得以回升，水位反复波动极易出现水流的回流情况。而在300s后，前池水流回流现象逐渐消失，回流漩涡始终与压力管道进水口位置较远。综合分析可知，机组增负荷过程中，池内水流流态变化情况仍较为理想，不会对泵站机组安全运行造成影响。

图1 1台机组甩负荷流态变化情况

3.2.2 工况Ⅱ

模拟得到3#、4#依次增负荷时前池水流流态变化情况如图2所示。随着3#、4#机组工作负荷的增加，前池内水位首先逐渐下降，水流流态发生变化。在100s时，池内水流开始出现较为强烈回流迹象，并在130s时形成回流漩涡。此后，回流漩涡规模逐渐减小，在200s时消失，水流转为稳定状态，未出现不利机组运行的情况。

图2 2台机组甩负荷流态变化情况

3.2.3 工况Ⅲ

工况Ⅲ条件下水流流态变化情况如图3所示。正常条件下的前池内水流流态稳定，而当t=5s时，前池内部水流水位开始逐渐上升，并在局部区域出现轻微的回流现象。出现这种情况的原因主要是机组的引水量减少，而来水量仍按照泵站正常运行状态时的需求进行，造成前池内水量增加、水位上升，并产生回流现象。当t=80s时，前池内的水流状态更差，在距离压水管道进水口较远的池中心位置出现两个回流漩涡，这主要是池内上升水流与泄洪水流共同作用的结果。而在t=200s时，在池内正负涌波的作用下，回流漩涡情况逐渐消失，并逐步恢复到稳定流态。

图3 4台机组甩负荷流态变化情况

工况Ⅲ为最不利工况，模拟此时期池内水位变化情况，如图4所示。由图可知，当机组属于甩负荷状态时，前池内水流对称分布状态将被破坏，水流在泄流堰前方发生回流。一段时间后，池内流速降低，水位继续上升。但最高水位仍不超过设计水位，故不会出现进水口水流漫过顶部的情况。

图4 溢流堰水位变化示意图

4 结 语

引水式前池在调节水电站水流流态方面具有重要的作用，在设计中应根据工程运行需求确定有效的引水方式，控制电站负荷与前池的容积等内容，并可有效的验证手段验证方案设计合理性，以保障电排站的经济、安全运行。通过丰和电排站扩建工程设计前池模拟得出，电排站在不同甩负荷情况下，前池内水流流态特性较为理想；在全甩负荷情况下，前池水位虽已经发生溢流，但最高水位仍低于设计允许值，表明扩建工程前池结构体型及参数符合工程设计要求。

[1]李敏.循环水泵房正向进水前池水力性能探究及结构优化[D].太原：太原理工大学,2012.

[2]王治中,刘林章.水电站压力前池容积研究[J].西北农林科技大学学报：自然科学版，2005(12):143-147.

[3]罗小鹏,李宇,孟涛.新疆喀什地区疏附县栏杆水电站前池改造设计方案初探[J].水利与建筑工程学报,2005(04):51-54，71.

[4]侯才水.基于CFD的水电站压力前池流态特性研究[J].水利水电技术,2012(04):49-52.

[5]赵涛，侯杰.甩负荷后压力前池的水流特性及输排沙的试验研究[J].新疆农业大学学报,2005,28(02)：72-75.

文章编号：1007-7596(2016)08-0011-03

[收稿日期]2016-06-26

[作者简介]张坡(1973-)，男，山西临汾人，工程师。

Fenghe Electric Water Drainage Station Extension Project Diversion Forebay Design and analysis of Flow Regime Characteristics

HU Jing

(Nanchang Municipal Water Conservancy Planning Design Institute，Nanchang 330009，China)

Taking the extension project of Fenghe electric water drainage station in Nanchang of Jiangxi Province as the example，by comparing and analyzing the diversion forebay design scheme and its hydraulic parameters，CFD and RNG were applied to analyze the characteristics of designed forebay flow regime ，this paper verified the rationality of new design forebay scheme and supplied

for future operation and management of electric water drainage station in the future.

electric water drainage station; forebay of water devision;design scheme;characteristics of flow regime;state of load shedding

S277.1

B

1007-7596(2016)08-0145-03

2016-06-24

付彦鹏(1981-)，男，辽宁北票人，工程师，研究方向为水土保持。