第八章-泵站进水建筑物

第八章泵站进水建筑物第一节取水建筑物第二节引水建筑物第三节前池第四节进水池第一节取水建筑物一、水流在天然河道中的流态顺直河段弯曲河段当水流从河道进入引渠时由于运动方向改变，也会引起弯道环流，致使取水口附近冲刷和淤积，甚至造成引渠变形。所以取水角度应小于90°。在支流与主流汇流口的下游侧，也会有淤积现象，所以取水口位置不能紧靠汇流口。天然河道：产生环向流动，使得泥沙由凹岸向凸岸移动，导致凹岸冲刷，凸岸淤积。二、取水建筑物的位置选择河道上取水的提水泵站工程，取水口位置要满足以下条件：（1）尽量靠近供水区的中心地带，以减小引水或输水长度，节约工程投资。（2）取水口应避开断层、滑坡、冲积堆、移动沙丘等地质不良地段，尽量选在岩基或其他较好的地基上。（3）取水口一般宜设在岸线顺直、流势平稳河段的主流深槽稍下游处。（凹岸中部偏下游，凸岸中部偏上游。）（4）在支流入口的上下游河段取水时，取水口应与支流入口有足够的距考虑离，一般设在支流的上游或对岸较为合适。（5）当河道上有人工建筑物（桥梁、丁坝、码头、拦河闸等），取水口位置应考虑它们的相互影响。（6）沿海地区的内河水系取水，取水口应考虑避免咸潮影响。第二节引水建筑物引水建筑物的主要结构形式有：管式、涵洞式和明渠式。取决于水源水位变幅、水中含沙量、河岸坡度等地形、地质、水文等条件，同时也和当地的技术、经济条件等有关。一、管式引水建筑物重力自流式：虹吸自流式：靠水源与集水室之间的水位差，使水流从取水头部自流至集水室。特点：形式简单，对河床及岸坡地形和地质构造适应性广。可选用钢管、铸铁管或预应力钢筋混凝土管。多用于大中型取水工程。施工简单、投资省，特别适用于当引水管线与堤坝相交，而不允许管道穿越堤（坝）身的情况。缺点：需配备抽真空装置，且对管材和管道施工要求较高，一旦漏气，虹吸破坏就会断流。所以为了防止管道漏气，宜采用钢管。二、隧洞式引水建筑物用隧洞或涵洞将水源的水引入泵站进水池，洞身多位混凝土或喷射混凝土衬砌，适用于岸坡为较陡的坚硬基岩，主流靠近岸边的山区河段。为防止洪水季节水源中所挟带的泥沙流入隧洞，可在进水口设置迭梁闸门，以便从含沙量较小的表层取水。三、明渠式引水建筑物连通水源与泵房的明渠，也称泵站引水渠。引水渠的作用：使泵房尽可能接近灌区（或容泄区），以减少输水管道的长度，从而节省工程投资和能耗；为水泵正向进水提供条件；可以避免泵房与水源直接接触，从而简化泵房结构和方便施工；对于从多沙水源中提水的泵站，还可以提供设置沉沙池的场地并为前池利用自流冲沙提供必要的高程。注意：在水源水位变幅较大，地面坡度比较平坦，设置引渠不经济时，也可采用引水管道。引水渠的分类：分为自动调节能力和无自动调节能力两种。AB5216430自动调节能力的引渠：渠顶不按一定的坡降沿渠逐渐降低，而是水平或逐渐升高。当渠中通过设计流量时，水面线2—3与渠底平行。当泵站不运行（Q=0）时，渠中水位与水源水位平行，即为2—4。优点：不论渠中通过的流量大小，其水位均不会超出渠顶而发生漫溢现象，所以无需设置控制建筑物。它具有棱柱体容积（0124），可自动调节。无自动调节能力的引渠：渠顶沿渠有一定坡降，其值。一般与渠底坡降相同。当渠中流量为设计流量时，为2—3，当通过流量等于零或小于设计流量时，就有产生渠水漫顶的危险，因此需在引渠末端设置溢水设施，或在渠首设闸门进行节制。带有自动调节能力的引渠的泵站：可利用站前出现的高水位运行，从而节省能量消耗，但是填挖方工程量大，且泵房和前池的边墙必须有较高的挡水段，从而增大工程投资。当水源水位变幅很大时，还需考虑渠道控制建筑物。灌溉泵站泵房常设置在灌区控制高程附近，因而其引渠常位于深挖方中，即成为自动调节的引渠。从自流渠道中引水的灌溉站引渠和排水站引渠通常是无自动调节能力的引渠。一、引渠断面设计：包括渠道的纵、横断面设计。而纵、横断面又是互相联系互为条件的，在实际工作中根本不能分开，所以需要将二者设计交替进行，经过反复计算和比较，最好才能确定合理的设计方案。渠道设计满足：纵向稳定和平面稳定的要求。纵向稳定即为渠道在设计条件下不发生冲刷和淤积，或者说子一定时期内冲淤平衡。平面稳定即为渠道在设计条件下不发生左右摆动，渠床和两岸不会造成局部冲刷或淤积。横断面尺寸主要是根据渠道的设计流量并通过水力计算加以确定。一般可按均匀流计算：16/QCRiCRn（1）渠底纵比降的确定纵比降大，流速就增大，可能造成渠道冲刷，同时也会增大水力损失。而如果纵比降小，有可能会加大渠道横断面积，从而引起渠道淤积。因此，渠道纵比降的确定应该进行技术经济比较。一般，在含沙量较大河道中取水时，取i=1/2000~1/5000，含沙量少的河道中取水，为防止冲刷，取i＜1/5000。（2）渠道糙率渠床糙率与渠道土壤、地质条件、施工质量及维修养护有关，还受通过的流量和含沙量等因素影响。（3）渠道断面宽深比①按输水能力最大或过水断面最小的选择②按渠道断面相对稳定来选择宽深比。断面过于窄深，易产生冲刷；过于宽浅，易形成淤积。都会造成渠道变形。但是总会有一个断面形成的宽深比满足不冲不淤的条件。221optbmmh以上各参数都确定后，可根据确定渠道横断面各尺寸。最后还要进行不冲不淤的校核。QCRi二、引渠和水泵工况的配合水泵各种工况对引渠流态是有影响的，因为引渠是按等流速进行设计的。因此，只有当水泵的工作流量QP等于引渠流量QC时，才能保证渠内的均匀流态，即引渠中的水面线和渠底平行，水深不变。但是，由于水泵运行时受各种因素的影响，流量是经常变化的。当水泵停机时，水泵流量从QP减小到0，水面雍高；当水泵开机台数逐渐增多或水泵实际扬程降低时，QP增大，引渠水面又会发生降落。水面的雍高或降低都是以波的形式出现的。首先出现在进水池和前池中，然后以一个速度向渠首传播。引渠中的水位随流量的变化而变化的过程，在水力学或流体力学中属于非恒定流，而不是恒定流中的均匀流。因此，通过非恒定流计算可以精确求出引渠不同断面不同时间的水位变化。可参考有关水力学教材。第三节前池泵站的进水建筑物：前池和进水池。前池是引渠与进水池的连接段，进水池是供水泵吸水管吸水的水池。作用：一般引渠底窄，进水池底宽，需设一渐变段（即前池）将引渠的水平稳地送到进水池。一、类型根据水流方向，分为正向进水前池和侧向进水前池。1、正向进水前池前池的来水方向和进水池的进水方向一致，过水断面一般是逐渐扩大。主要特点：形状简单，施工方便，水流容易满足要求。当水泵机组较多情况下，为了保证池中较好的流态，需增加池长，导致工程量和占地面积的增加。对于地质条件和用地紧张的城区十分不利。因此，在保证水水流较好的情况下，尽量缩短前池长度。流态分析：主要受扩散角的大小。当前池实际扩散角大于水流固有的扩散角时，前池中的水流将会脱离边壁，出现回流和漩涡。在主流的两侧有较大的回流区，在两侧的进水池中还会形成漩涡。由于水流来不及扩散，水流直接冲击进水池后墙，引起侧边回流。前池中的流态对水泵性能及工程管理带来很大影响。不良的水力条件还会引起前池的冲刷和淤积。2、侧向进水前池来水方向和出水方向为正交或斜交。特点：占地较少，工程投资较省，实际工程也常用到。侧向进水由于受地形条件的限制，易形成回流，漩涡，流速分布不均，当设计不合理时，后面水泵进水条件恶化，导致吸不上水。即使是正向进水的多机组泵站在少机组运行时，同样会发生类似现象，多沙河水还会发生淤积等。流态分析：主要取决于引渠的末端流速v，前池的形状和机组的运行组合。水流扩散示意图三、（对正向进水）前池扩散角а及池长L和纵向坡度i的确定1、水流扩散角θ及前池锥角α的确定引渠断面水流平均流速为v0，则在引渠末端的前池入口处，水流流速可以分解为横向和纵向流速。有tanθ=vy/vx一般情况а的大小，一是影响池中的流态，二是与工程量直接相关，а小，水流平顺，但前池较长（渐变段长），工程量大；а大，渐变段短，土石方小，水流条件差。所以а值应根据池中水力条件好，工程量省的原则加以确定。根据有关试验和实际经验，取а=20°~40°。2、池长的确定当引渠末端底宽b、前池锥角和进水池宽度B已知时，可根据下公式计算前池池长1/22LBbtg当B和b相差很大时，前池长度L会很大，从而增加工程投资。为此，常采用折线型或曲线型扩散前池。3、纵向坡度i的确定由于引渠末端高程一般比进水池底部高，因此，引渠和进水池相连时，前池的形状不仅在平面上扩散，在剖面上也有一个向进水池方向倾斜的纵坡i，其值为i=ΔH/L。通常取i=1/3～1/5。4、前池翼墙形式，有直立，倾斜和扭曲面等。由于直立式便于施工，故应用比较广泛。此种翼墙与前池中心线的夹角β＝450时可获得良好的水流条件。四、侧向进水前池有单侧向和双侧向两类。对水泵台数超过10台的常采用双侧式前池。根据边壁形状分为矩形、锥形和曲线形。结构简单，施工方便，但工程量大，前池后部易发生泥沙淤积。流量沿程减小，过水断面也小，工程量省，水流条件好。四、前池水流条件的改善主要措施为:(1)池中增设隔敦设置隔墩，可以避免在前池锥角过大或部分运行时池中产生回流和偏流。设置隔墩可加大扩散角，减少池长，而且可减小前池过水断面，增加流速，防止泥沙淤积。因此，在多泥沙河流上的泵站设隔墩分多多条进水道，每条进水流道通向单独的进水池，并在进水道首部设进水闸及拦污设施。(2)前池设置底坎和立柱第四节进水池作用：①为水泵提供良好的进水条件；②在检修水泵或吸水管时截断水流；③水泵运行时拦污。一、进水池的水力条件及类型：1、水力条件：要求水流平稳，不产生漩涡，空气不进入水泵。影响流态的主要因素：入池水流的流速和流向，水池形状和尺寸，吸水管的布置（特别注意吸水管的淹没深度）。进水池中漩涡的生成：水泵运转时，水面压力大，吸水管进口流速大，压力小，因此水在流向进口时，四周的流线就向进口收缩，收缩时的加速现象伴随相应的压力梯度变化，以从上层绕经吸水管后，再向进口后缘收敛的流线曲度最大。相应的角速度也增大，因此，水面漩涡最容易在吸水管至后墙的范围内发生。①如果淹没深度减小，（Q不变），将引起表层流速加大，水流紊乱，池中后部水域首先出现水面凹陷的局部漩涡。②当淹没深度再减小，表层水流流速继续加大，漩涡的旋转速度也随之加大，漩涡区的压力进一步减小，在大气压力的作用下，凹陷逐渐向下延伸。凹陷加深的同时，四周水流对它作用的压力也随之增大，所以漩涡随水深增加而变成漏斗状。③由于空气漏斗尾部受进口吸力的作用，就开始向进口方向弯曲，并从漏斗底部端断续地向进水管进气。这时的淹没水深称之为临界淹没水深。此后若再减小淹没深度，就会形成连续向进水管进气的漏斗管状型漩涡。④若水位继续下降，进水管周围的漏斗漩涡数目将增加，并很快练成一体，形成与进水管同轴的柱状漩涡，使大量空气进入水泵。Ⅰ型（正常型），表面漩涡，水面形成局部凹陷，进水管无空气进入。Ⅱ进气漩涡，凹陷进一步伸入水下，进水管断续进空气。Ⅲ漏斗管状漩涡，进水管连续进空气。Ⅳ同心漩涡，漩涡中心与进水管中轴重合，进水管四周吸入空气。Ⅴ水中漩涡（附壁式漩涡)。一般Ⅰ～Ⅴ型主要与淹没深度有关，当进水池的行近流速，管口的流速等条件不变时，随着淹没水深的减小，漩涡由Ⅰ型向Ⅳ变化。Ⅴ型主要与前池和进水池的设计有关。Ⅱ型对水泵的性能和运转无明显的不良影响。Ⅲ～Ⅳ型不允许发生。3、进水池的布置形式及适用条件⑴正面进水池特点：引水渠水流方向与水管轴线一致，因而进水平顺，供水较均匀，总体布置方便，可分以下几种形式：①开敞式进水池：结构简单，施工方便，用料较少。宜于机组少的小型泵站。当机组数目多，水流含沙量大时，由于进水池两侧进水不均匀，特别是有的机组停机时，则水池容易淤积，故不宜采用。②半开敞式进水池：池内设隔墙，宜用于含沙量不大，机组较多的泵站（隔墙布置在进水池内）。③分隔式和圆形进水池：各池互不干扰，宜用于机组数目多，含沙量大的较大泵站。但结构较复杂，施工不便，用料较多，且有进水不均现象。而圆形进水池则可避免这些缺点，在较大型泵站中应用