第10卷 第12期 中 国 水 运 Vol.10 No.12 2010年 12月 China Water Transport December 2010
泵站前池改造方法与效果
石礼文，杨洪存，刘 伟
（济南市平阴田山电灌管理处，山东 济南 250400）
摘 要：：济南市田山灌区一级泵站采用闸门控制前池水位，由于黄河水位变幅较大，前池较短，当黄河水位较高时致使闸下形成射流直冲泵室，造成前池及泵室流态恶化，水流紊乱，严重影响了机组的正常运行。针对这一问题，一级泵站分别于1991和2009年，先后实施了《一级泵站水泵汽蚀防护与技术改造》和《引黄泵站运行特性数值模拟与应用研究》两种前池改造方法的研究，经过现场测试及计算分析比较表明，后一种方法能够容易的选择确定前池最优改造方案，更能达到改善前池流态，消除气蚀，减少机组震动，提高泵站运行效率的目的，并为类似泵站前池改造提供了科学方法。
关键词：泵站；前池；流态；改造方法；效果
中图分类号：TU992 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2010）12-0168-04
济南市田山引黄工程是山东省境内最大的引黄电灌工程，一级泵站原共装有36ZLB-85型轴流泵4台、36ZLB-100型轴流泵8台，2005年后更新3台36ZLB-85轴流泵为900ZLB2.4-4型轴流泵，现总装机容量2,670kw，。泵站于1971年建总提水能力30m 3/s，设计扬程7.7m，
成并投入使用，由于受地形所限，前池较短，因黄河水位变幅较大，当黄河水位较高时需压闸控制前池水位，致使闸下形成射流直冲泵室，造成水流紊乱，流态恶化，引起机组强烈振动，易使水泵喇叭口及导叶体螺栓松动或剪断，造成水泵过水部件脱落。这样不但造成水泵部件损坏，而且水泵效率降低，运行周期短，增加了维修工作量及维修费用。
一、方法一
针对上述问题，于1991年实施完成了《一级泵站水泵汽蚀防护与技术改造》课题研究（简称：方法一），其目的是解决因前池流态紊乱，汽蚀，机组不稳定运行等问题。
图1 方法一前池改造布置立面和平面示意图 课题研究选择了4#前池的7号泵，泵型为36ZLB-100。技术路线主要是先进行原型测试，然后在有条件的水工试验室进行前池技改措施的模型试验，确定了泵站前池消能整流的技术改造方案。其改造方案为：闸后水流跃前底部消能采用三道梳流趾墩，设在闸后水流断面的底部，使水流在深度方向扩散，在平面上起导流墩的作用；闸后水流跃后消力消
收稿日期：2010-09-29
作者简介：石礼文（1963-），男，山东泰安人，济南市平阴田山电灌管理处高级工程师，党委书记、主任，从事机电排
灌工作。
杨洪存（1962-），男，山东宁阳人，济南市平阴田山电灌管理处工程师，站长、主要从事机电排灌工作。 刘 伟（1983-），男，河南浚县人，济南市平阴田山电灌管理处工程师，副站长，主要从事机电排灌工作。
波采用整流梁以便使水流平稳，在前池内不同高程上设置4条整流梁；把矩形泵室改为蜗壳型，使水流平顺，减少旋流。布置见图1。
技术改造后经测试，改造基本达到了预期目的。前池底部流速降低，表层回流及旋涡减轻，水泵在最低水位运行时，在很大程度上减轻了水泵汽蚀和振动。技改后流态得到了改善，延长了机组寿命，泵站装置效率达到54%以上，比技改前提高了4.4%，取得了较好的经济效果。但此种方法因需进行模型试验，改造周期较长，此次技改从1987年开始至1991年测试验收历时5年；另外，技改的效果很大程度上依靠模型设置和试验的准确性，难度较大，费用较高。
二、方法二
2005年后更新安装了3台900ZLB2.4-4型轴流泵，该泵比36ZLB-100型轴流泵效率高流量大，原前池受一级泵站地形条件的限制不能扩大，当黄河水位较高时，致使闸下射流造成前池底流流态恶化，更容易引起机组的强烈振动，喇叭口振幅大于100微米，严重影响了机组的寿命，造成泵站运行效益下降，为了更有效的解决此问题，进一步探讨沿黄泵站前池改造的科学方法，济南市平阴田山电灌管理处和华北水利水电学院于2007年至2009年共同完成了《引黄泵站运行特性数值模拟与应用研究》项目。
此次课题研究主要是利用现在先进的计算机技术，通过对田山一级泵站的前池、进水池和水泵机组运行特性及黄河水位之间的关系研究，建立泵站的运行特性数学模型，经现场测试验证和修正后，模拟推演泵站技术改造的各种方案，为改善流态、消除气蚀和减少机组振动选择确定最佳技术改造方案，以保障泵站安全稳定运行，提高机组及泵站运行效率，为引黄泵站前池改造提供科学依据。
根据一级泵站的机组运行状况，更新的3
台
第12期 石礼文等：浅析建设生态和谐社会的水资源保护探讨 169 900ZLB2.4-4型水泵由于流量较大，前池水流紊乱、汽蚀、机组振动情况较为严重，选择5#前池安装的9#、10#900ZLB2.4-4型新泵作为研究对象。
1．研究方法与技术路线 （1）研究方法
本项目综合运用水泵及水泵站、流体力学、计算流体动力学、电机学等多学科知识，采用理论研究与试验研究相结合，计算机数值模拟与试验相结合，对泵站前池、进水池各种改造方案的水力特性进行数值模拟与分析，并进行相应的现场试验，提出合理的泵站技术改造方案。
（2）技术路线
计算采用Flunt 软件，压力速度耦合选用SIMPLE 算法，考虑到前池与进水池网格数较多，采用并行算法，速度、湍动能等方程对流项离散均采用二阶迎风格式。
（3）测试结果分析与技术改造方案
经原型测试结果表明，数学模型与原型基本吻合，水流变化趋势一致，我们针对泵站前池存在的问题，提出了4种技术改造方案，采用数值模拟手段对四种技术改造方案进行了运行推演和分析。经过分析比较最终选择了第四种技术改造方案：非连续底坎+非连续挑流消能防沙墩+2道压水板。布置形式如下图4
图2 技术路线图
A-A 断面
图4 方法二前池改造布置示意图
2．试验研究
（1）泵站前池数学模型的建立
本项目应用现代先进的计算机技术，首先建立泵站前池的数学模型。由于黄河水中含有大量泥沙，所以前池与进水池内流动属于两相流。但是田山灌区一级泵站所引的黄河水泥沙体积浓度为3.6%左右，低于5%，属于低浓度两相流范畴，可以不考虑泥沙对水流运动的影响，所以采用三维单项定常流体模型来进行数值模拟。
（2）数值模拟计算
采用分块贴体网格生成技术，以结构化网格为主，局部采用非结构网格，将前池与进水池分成多个子块，在每个块中首先用无限插值法生成初始网格，再用Thompson 和Middle 方法进行平滑。最终选择的整流方案网格图如下图3，网格数为2720000左右。
图3 计算网格
进口采用速度入口条件。田山泵站实际上多为单泵运行，单泵设计流量为3.0m 3/s，湍流强度I=5%；出口假定：出口处的流动是完全发展的情况，即出口面上所有变量的梯度都为0；根据实际情况，进水池水深取为
5.1m，考虑到水面波动不大，采用钢盖假定；壁面采用标准壁面函数法来处理。
改造方案确定后，对5#前池进行了改造，改造后进行了现场测试，测试结果与计算机数值模拟结果一致，主要效果特征如下：
（1）改造前后水平剖面流速矢量对比
图5为改造前后前池部分表面流速矢量图。改造前，前池中部表。
改造前 改造后
流速图例
图5 前池部分表面流速矢量图
面流态存在明显两个漩涡，且漩涡大小不同；改造后，水流表面流态得到了明显改善，表层回流明显减少。
图6为闸门后1米平面流速矢量图，改造前闸后流速值较大，且分布较均匀。改造后，由于非连续底坎与挑流墩交错布置，水流被分成5股，然后由挑流墩形成水跃，达到了消能的目地。
改造前 改造后
（3）横剖面流速矢量图
图8为池中断面的流速矢量图，由图可以看出改造前除了边壁整个断面的水流几乎都是回流；改造后，断面上层及前池表面回流消失，中间部分的回流量与强度减弱，且整流后整个速度分布均匀性较好。
流速图例
图6 闸后平面流速矢量图
（2）改造前后纵剖面流速矢量对比
图7为整个前池和进水池流速矢量图，可以看出，技术改造后，消除了大部分水流能量，且速度分布均匀性要好于技术改造前，前池和进水池底部流速明显减小。另外，在两道板之间的流速较大，可以减小前池后部泥沙淤积的可能性。
改造前 改造后 图7 整个前池和进水池流速矢量图
改造前 改造后
流速图例
图8 池中断面流速矢量图
3．改造成果分析
表1和表2给出了泵站典型运行工况下改造前与改造后的相关性能参数。
表1 改造前后性能参数的对比（黄河低水位）
性能参数 改造前 改造后
流量m /s 2.89 3.02
3
总扬程m 4.45 4.32
功率kw 输入 206 186
轴功率180.84 171.28
管路损失m
0.51 0.63
效率%
电动机88 88
水泵69.7674.72
管路 88.54 85.42
装置 54.35 56.17
振动幅度um
33 12
表2 改造前后性能参数的对比（黄河高水位）
性能参数 改造前 改造后
流量 (m/s)
3.05 3.16
3
总扬程m 4.38 4.27
功率kw 输入 207 186
轴功率182.16163.68
管路损失m
0.56 0.60
效率%
电动机88 88
水泵71.3480.87
管路 87.21 85.95
装置 55.21 61.17
振动幅度um
65 13
表中数据表明，无论是高水位还是低水位，由于改造后前池及进水池水流流态得到了较好的改善，使得水泵效率得到了明显提高，装置效率也得到了较大的提高。改造后水泵喇叭口附近振动的振幅与改造前相比有了较大幅度的下降，机组振动明显减轻，而且在前池与进水池内几乎没有泥沙淤积。
三、结论
一级泵站通过2次技术改造，压闸形成的闸下高速射流能量得到消除，表层漩涡基本消失，回流现象减轻，振动噪音减小，泵站运行效率得到了提高，机组寿命得到了延长。对比这两次技术改造，得出如下结论：
（1）方法一和方法二都取得了很好的效果，但方法二效果更好，改善前池流态、减少气蚀和振动效果明显,在新机组效率较高的情况下，水泵效率仍能提高4.5%~9.6%,使装置效率最高达到67.5%,且经过改造后运行表明，前池淤积明显减少。
（2）方法二运用现代计算机技术，采用了“数值计算—现场试验—研究分析—改造方案—数值计算—技术改造—现场试验”的研究方法，能够方便的进行各种改造方案的模拟数值推演，容易选择和确定最佳改造方案，且改造周期短，
若不考虑依黄河调水调沙做为试验条件，可在一年内完成。该方法对比方法一，减少了泵站改造前后的模型试验，节省了模型试验投资，缩短了项目实施周期，提高了改造效果，为沿黄提水泵站技术改造提供了一种新的途径和技改经验。
3、方法二提出的非连续挑流消能防沙技术措施（非连续底坎+非连续挑流消能墩+两道压水板）不仅改善了前池与进水池水流流态，减轻了机组振动，提高了泵站运行效率，还有效防止了泥沙的淤积，取得了很好的整流效果。
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用别的边坡加固措施难以满足需要的水利工程中，各种各样的抗滑结构都得到了广泛的应用，并且产生了良好的效果。
2．采用锚固技术
采用锚固技术进行加固，就是采用锚索、锚杆等锚固构件穿越滑体深入滑体后面的稳定土层或稳定结构，通过由此产生的锚力来对滑体进行约束，从而保证边坡的稳定。其中包括锚索、土钉墙等加固措施。
采用锚索的加固措施，就是将预应力钢绞线一端固定于坡面，另一端固定在滑体内侧的稳定岩体中，从而对滑体产生抗滑阻力，并增大滑体抗滑摩擦阻力，从而达到稳定边坡的作用。其关键工序就是钻孔，在锚索的施工过程中应当注意保证钻孔的质量，并且在钻孔结束后将孔内清理干净，若钻孔及其清理没有处理好，将会给边坡加固带来极大的隐患，甚至导致重大事故的产生。采用锚索的加固措施，具有施工灵活、工期短、干扰小、无开挖工作量、受力形式为主动受力等优点。
采用土钉墙的加固措施，就是将锚杆从坡面垂直或斜向钉入滑体内侧的稳定岩土中，并在坡面上铺设钢筋网片、喷射混凝土，通过钢筋混凝土将锚杆连成一个整体，一齐抵抗滑体的滑动力，从而达到稳定边坡的作用。采用土钉墙的加固措施同样具有类似锚索加固的优点。但是应注意在土钉墙施工之前，要做好锚杆的抗拔试验，获得相关参数，从而确保设计的土钉墙体系能够安全有效地进行边坡加固；同时在土钉墙的施工过程中，要保证锚杆的插打深度满足要求。
总而言之，采用锚固技术来对水利工程中的边坡进行加固处理，是较为灵活和经济的措施，但是其前提条件是该水利工程是客观条件能够提供足够的锚力，否则就难以实现可靠的边坡加固或者造成施工成本的剧增。比如说某边坡拟采用土钉墙进行加固，经试验和计算发现锚杆需要插打几十米，那么继续采用此方案显然就是不合适的了。
3．改变边坡环境
通过改变边坡环境进行加固，就是采取某些措施来降低边坡滑体的滑动力，提高边坡自身的稳定，从而起到边坡加固的效果。其中包括减载、压坡、截水、排水等加固措施。
减载、压坡的加固措施，就是削去滑体内侧的一部分岩土，从而减轻滑体的自重，降低边坡的滑动力；同时将削去
的岩土压在滑体的外侧，从而又增强了边坡的抗滑力，可谓是一举两得。减载、压坡的加固措施，常用于深层滑体的边坡加固，对于上陡下缓的边坡效果尤佳。
截水、排水的加固措施，就是通过建立截水、排水体系，减少进入边坡滑体的水量，从而减轻滑体的自重，降低了滑动力，并且提高滑体的内摩擦力，增加了抗滑力。截水、排水的加固措施，不仅要做好地面排水，还要着眼于地下排水。其中地面排水可以通过明沟来实现；而地下排水，则应采取井点降水等措施来实现地下水位的降低和渗水压力的减小。
总而言之，通过改变边坡环境来对水利工程中的边坡进行加固处理，是真正意义上的治本的措施，而且是最经济的措施。一般来说，如果采用此类措施能够保证边坡的稳定，那就应尽量采取此类措施。
三、结语
在水利工程的边坡中，对于加固措施的选择应综合考虑工程特点、地质环境、自身能力和经济效益等因素，在保证边坡稳定性的基础上，采用最经济的措施来进行边坡加固处理，因为只有采用最经济且安全的加固措施才是最合理的。而且，对于比较大型的水利工程进行边坡加固处理，通常可以根据具体情况在不同的施工段采用不同的加固措施，这样比采用一概而论的加固措施往往能更好地节约成本，从而产生极大的效益。
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