水利工程泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及流道優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

楊彬

摘 要 泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮多方面影響因素，結(jié)合施工及使用運(yùn)行情況，注重把握關(guān)鍵問(wèn)題。此外，應(yīng)注意對(duì)流道加以優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)水利工程綜合作用。

關(guān)鍵詞 水利工程;泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);流道優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

河洪泛濫嚴(yán)重影響到沿岸居民的生活、河道通航及沿線城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此，需要通常采用新建水利樞紐工程對(duì)河道進(jìn)行整治。常用的河道治理工程措施包括：堤防、大壩、泵站等。針對(duì)城鎮(zhèn)發(fā)展情況，以及水路運(yùn)輸需要，可修建船閘以改善通航條件。

1泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

一是，泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要堅(jiān)持適當(dāng)原則，泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足當(dāng)前的工程實(shí)際和施工技術(shù)水平，以此來(lái)確保泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，要盡量控制泵站結(jié)構(gòu)的合理性，受力的明確性，真正實(shí)現(xiàn)泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全與經(jīng)濟(jì)等目標(biāo)。二是，泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要堅(jiān)持安全原則，在泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要通盤考慮地基的穩(wěn)定性、土壤性質(zhì)，避免出現(xiàn)泵站結(jié)構(gòu)施工中大量挖掘和填埋，在妥善利用地形地利的情況下，做到泵站結(jié)構(gòu)的安全。三是，泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要堅(jiān)持優(yōu)化選型原則，要通過(guò)泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作來(lái)控制整個(gè)泵站的結(jié)構(gòu)尺寸，減少泵站結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過(guò)多的裂縫影響結(jié)構(gòu)功能，同時(shí)提高泵站結(jié)構(gòu)對(duì)震動(dòng)、溫差、負(fù)荷的抵抗能力，確保泵站結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。四是，泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要堅(jiān)持經(jīng)濟(jì)性原則，泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)該結(jié)合施工當(dāng)?shù)氐奶攸c(diǎn)，采用因地制宜的措施與方法，控制泵站結(jié)構(gòu)建設(shè)的成本，例如：在泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中要注意到材料的選擇，通過(guò)就地取材來(lái)降低泵站結(jié)構(gòu)的建設(shè)造價(jià)，從成本上進(jìn)行深入的控制和合理的設(shè)計(jì)[1]。

2水利工程泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略

設(shè)計(jì)工作中應(yīng)根據(jù)泵站混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)做好各方面的處理和強(qiáng)化，做到對(duì)腐蝕作用的有效防治。一方面要做好泵站混凝土結(jié)構(gòu)溶解性腐蝕的防治設(shè)計(jì)，要在設(shè)計(jì)中控制混凝土pH值，避免在pH值超標(biāo)而出現(xiàn)腐蝕性離子的溶解，預(yù)防泵站混凝土結(jié)構(gòu)外部的“泛鹼”，控制腐蝕性離子對(duì)鋼筋、混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕，確保泵站混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與耐久性。另一方面要做好泵站混凝土結(jié)構(gòu)周圍土壤腐蝕的防治設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中根據(jù)土壤中存在的硫酸根、碳酸根、氯酸根離子的特點(diǎn)，采用化學(xué)防護(hù)和物理保護(hù)相結(jié)合的措施，確保混凝土結(jié)構(gòu)的性能，控制鋼筋腐蝕的速度，做到從設(shè)計(jì)的角度實(shí)現(xiàn)泵站混凝土結(jié)構(gòu)的高抗腐蝕性能。此外，在設(shè)計(jì)中可以應(yīng)用防腐涂料來(lái)對(duì)抗混凝土腐蝕問(wèn)題，例如：可以在設(shè)計(jì)中增加噴涂防腐涂料——環(huán)氧粉末，以此來(lái)達(dá)到提高泵站混凝土結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性和防腐性，使泵站混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)鹽堿、水分、二氧化碳等腐蝕性物質(zhì)的抵御能力大幅度提升，做到對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的保證，進(jìn)而從設(shè)計(jì)的角度提高了泵站結(jié)構(gòu)抗腐蝕性能。最后，在設(shè)計(jì)中還可以通過(guò)規(guī)范施工技術(shù)來(lái)做到對(duì)防腐蝕性能的提升，例如規(guī)范施工環(huán)境，加強(qiáng)混凝土表面等方式都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)腐蝕的有效防治[2]。

3水利工程流道優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

（1）進(jìn)水流道優(yōu)化。在進(jìn)水流道，水體的流速在不同斷面會(huì)發(fā)生變化，不同斷面的流速分布存在不均性。在彎道，水流由于受到慣性與離心力的共同作用，內(nèi)側(cè)流速要高于外側(cè)，到達(dá)直線斷面時(shí)，流速經(jīng)過(guò)調(diào)整會(huì)重新分布。在直線上升段，水流由于在平面方向發(fā)生擴(kuò)散，流速會(huì)降低，流速分布進(jìn)一步得到調(diào)整。在流道進(jìn)口處，如果處于彎曲段，水流會(huì)受到慣性的影響，因此水流在直線上升段的流速要高于下部。在駝峰區(qū)域，為提升水流的挾氣能力，降低虹吸發(fā)生時(shí)間，可以借助優(yōu)化增加流速，進(jìn)一步調(diào)整直線上升段。在駝峰的入口處，要保證斷面處的流速分布均勻。設(shè)計(jì)中還要考慮到流體經(jīng)過(guò)駝峰斷面，存在離心力作用，中下部流速要高于上部。由于在流道的下降區(qū)域，水體慣性與邊壁發(fā)生的共同作用，流道內(nèi)外側(cè)水體流速要高于內(nèi)側(cè)水體，流速處于平緩變化中，很少發(fā)生旋渦或脫流現(xiàn)象。泵站投入運(yùn)行后，水流要從引渠流入到前池，經(jīng)進(jìn)水流道到達(dá)葉輪室，在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到邊界條件，分析位置是否合適。進(jìn)口邊界條件的速度優(yōu)化可以適用于不可壓縮流體，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意不要讓速度受到影響。因此，要避免進(jìn)口處存在流體的影響，將流體流速分布情況加以優(yōu)化。借助計(jì)算分析流道的邊界條件，借助模型分析水流道數(shù)值的變化，優(yōu)化流場(chǎng)的進(jìn)口斷面，前池距離進(jìn)水流道的進(jìn)口要足夠遠(yuǎn)。流道進(jìn)口如果與水流方向相垂直，可以認(rèn)為流速在斷面分布均勻，流量計(jì)算要結(jié)合進(jìn)口邊界，可以將進(jìn)口速度作為邊界條件。為準(zhǔn)確計(jì)算上出口的邊界條件，優(yōu)化中要結(jié)合流場(chǎng)，對(duì)沿出流方向進(jìn)水流道出口直徑加以延長(zhǎng)，以保證流動(dòng)性充分?jǐn)U展，自由流邊界條件得以滿足。在優(yōu)化流場(chǎng)中，計(jì)算可將進(jìn)水前池的底壁、邊壁看作固壁，邊界條件可結(jié)合固壁定律加以處理，固壁存在的邊界條件要對(duì)各個(gè)固壁處的節(jié)點(diǎn)采用無(wú)滑移條件優(yōu)化。優(yōu)化還要結(jié)合緊靠固壁區(qū)域的節(jié)點(diǎn)縮流，對(duì)固壁函數(shù)加以優(yōu)化處理，以降低近固壁區(qū)域節(jié)點(diǎn)數(shù)量。進(jìn)水池表面由于為自由水面，可以忽略水面存在的切應(yīng)力，對(duì)于端流動(dòng)能與自由面的速度采用對(duì)稱平面處理優(yōu)化。

（2）出水流道邊界條件優(yōu)化。為了準(zhǔn)確測(cè)定進(jìn)口存在的邊界條件，針對(duì)出水流道的優(yōu)化計(jì)算可以借助流場(chǎng)的變化，將出水流道在進(jìn)口處的斷面沿逆水流方向加以等直徑延伸。流場(chǎng)進(jìn)口斷面計(jì)算可以采用距離圓管直徑2倍的地方流道。水流速的計(jì)算視為均勻分布。計(jì)算中將流量作為已知條件，計(jì)算流場(chǎng)進(jìn)口邊界條件，研究進(jìn)口速度是否可以滿足邊界條件。計(jì)算出水流道的流場(chǎng)，出口界斷面的選擇為垂直于水流方向，設(shè)置在距離出水流道出口處水流平穩(wěn)的區(qū)域，針對(duì)水流方向的優(yōu)化以保證水流動(dòng)的充分性，可以借助自由出流邊界條件。針對(duì)流場(chǎng)的計(jì)算，還要結(jié)合出水池底壁、流道遠(yuǎn)壁及導(dǎo)葉出口的邊壁等因素。對(duì)于邊界條件的處理可以依據(jù)固壁定律。針對(duì)固壁邊界的處理是對(duì)固壁處的節(jié)點(diǎn)加以優(yōu)化，以保證無(wú)滑移條件。

4結(jié)束語(yǔ)

泵房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，要全面分析參數(shù)指標(biāo)，結(jié)合受力條件對(duì)結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化對(duì)于泵房后期的運(yùn)行發(fā)揮著關(guān)鍵作用。此外，針對(duì)流道也要加以優(yōu)化，各個(gè)影響系數(shù)加以分析，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃良勇，吳忠，張嘯，等.大型雙向流道泵裝置優(yōu)化匹配與試驗(yàn)研究[J].灌溉機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016（7）：602-607.

[2] 喻弼群，邱安萍.大型泵房設(shè)計(jì)與運(yùn)行的回顧及探討[J].城市公用事業(yè)，2018（6）：13-14.