余 新

（安徽省阜陽市阜南縣中心機(jī)灌站，安徽 阜南 236300）

1 工程概況

某引水工程是保證青島市可持續(xù)用水的關(guān)鍵性工程，從黃河某渠首樞紐引水，經(jīng)過252.5km的輸水渠最終到達(dá)青島。該工程始建于1986年，1989年11月建成通水，至今為青島輸水20余年，平均每年供水超7000萬m3，累積供水量近15億m3，極大地緩解了青島市供水緊張的問題，為促進(jìn)青島的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。

渠首樞紐泵站進(jìn)口前布置40.0m長的引渠，引渠后攔污柵段長18.0m，攔污柵段為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)設(shè)泵站進(jìn)口工作閘門、回轉(zhuǎn)式攔污柵各1道。在攔污柵段的后面是前池段和進(jìn)水池段分別長為20m和12m。主廠房順?biāo)飨蜷L15.0m，在主廠房前設(shè)1道檢修門，廠房內(nèi)安裝5臺(tái)1600ZLB9-5（+2°）型水泵，泵站總裝機(jī)容量超過4000kW。出水機(jī)房與主廠房間由5條壓力鋼管連接，出水機(jī)房內(nèi)安裝液壓工作門和事故門各1道。出水機(jī)房后設(shè)長10.0m的出水池及30.0m的漸變段與新建高輸沙渠銜接。新建的高輸沙渠長320m，和現(xiàn)有的高輸沙渠相連，全斷面采用混凝土板襯砌，以加強(qiáng)其整體強(qiáng)度和剛度，延長使用壽命。

2 建設(shè)的必要性

2.1 黃河下切水位降低

黃河經(jīng)過黃土高原夾雜著大量泥沙，因此其沖淤變化相對來說比較復(fù)雜。在黃河的流經(jīng)地洛陽建有小浪底水庫，主要作用是對黃河的泥沙加以控制，防止河床抬高導(dǎo)致洪水爆發(fā)，同時(shí)也可以發(fā)電。近10年利津站水利監(jiān)測的數(shù)據(jù)表明，黃河在利津段的河床是下切的，測得的水位流量資料可以描繪出小浪底水庫建成前后水位流量的關(guān)系曲線[1-4]，根據(jù)渠首閘上龍王崖斷面和利津站兩斷面深泓點(diǎn)高程計(jì)算，黃河河底平均比降為1∶9600，由此可計(jì)算出渠首閘前1996～1998年、2007～2009年的水位和流量，如圖1；渠首閘前1990～2009年的水位和流量，如圖2。

圖2 水位～流量關(guān)系曲線（二）

從圖中可以看出，在黃河水流量不變的情況下，調(diào)水調(diào)沙后的水位比之前降低0.8～1m。由于水位降低，渠首閘引水工程就必須將水提高到更高的水位，這對整體的引水工程造成不利影響。

流場進(jìn)出口、固體邊壁和自由水面共同組成了模擬計(jì)算區(qū)域，流場進(jìn)口定為進(jìn)水渠道的端面，流場出口定為集水管出口。由于模型較復(fù)雜，網(wǎng)格剖分時(shí)

2.2 引水分流比逐漸降低

某引水工程原設(shè)計(jì)分流比0.25，但在小浪底水庫建成前，實(shí)測分流比平均0.22，相比于設(shè)計(jì)分流比略微偏小，是因引水渠的首端設(shè)有降低引水含沙量的沉沙池造成的。原計(jì)劃自流沉沙1年，然后就采用揚(yáng)水沉沙，但未在渠首設(shè)置泵站，渠首沉沙池的淤沙只能靠人工清挖，如果清挖不及時(shí)就會(huì)影響整個(gè)工程的分流比。從實(shí)際情況看，整個(gè)工程的分流比和原設(shè)計(jì)基本一致，沒有太大偏差。通過渠首引黃閘引水，能夠滿足青島市的居民用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水需求。2009年，小浪底水庫建成并發(fā)揮調(diào)水調(diào)沙作用后，某引水工程實(shí)測分流比平均為0.14，為原設(shè)計(jì)的56%，而且還呈現(xiàn)逐步遞減趨勢，整個(gè)引水工程遇到了很大困難。2010年年末，引水工程到了最困難時(shí)期，分流比小于0.1，僅達(dá)到原設(shè)計(jì)的24%，對青島的供水安全威脅巨大。

2.3 引黃水量不足

目前膠東調(diào)水工程已完成修建，具備通水的條件，但是在長江水到來之前，某引水工程依舊是膠東城市供水的主要來源。按照膠東調(diào)水工程立項(xiàng)時(shí)的規(guī)定，向膠東引黃的時(shí)間從9月到第二年3月。根據(jù)黃河利津站1980～2009年資料分析，在保證率95%時(shí)，只能引入黃河水2.29億m3，比立項(xiàng)時(shí)的引水量減少了1.06億m3，這只能剛好滿足青島市用水需求，向煙臺(tái)和威海的供水嚴(yán)重不足。

造成引黃水量不足的主要原因是黃河同流量下水位降低，通過渠首閘引水的分流比減小，渠首引黃達(dá)不到原設(shè)計(jì)條件。因此需要降低渠首進(jìn)水閘的閘底板高程，并在適宜地點(diǎn)興建泵站提水，以提高渠首引黃樞紐工程的取水能力。

3 泵站前池流場模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

數(shù)值計(jì)算模型先加CAD中建出模型的各個(gè)組成部分，將各部分的面轉(zhuǎn)化為面域，然后導(dǎo)進(jìn)GAMBIT軟件中，將各個(gè)組成部分組合成數(shù)值模型，其中彎道段左右兩側(cè)設(shè)置了10.8m長的弧型導(dǎo)流墩，在中間位置設(shè)置了長9.8m弧型導(dǎo)流墩，如圖3（a）。采用分塊剖分的辦法，復(fù)雜區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對局部進(jìn)行加密，普通區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3（b）。

圖3 計(jì)算模型及其網(wǎng)格剖分

邊界條件：流場進(jìn)口的流速大小由流量和進(jìn)口斷面計(jì)算取得，進(jìn)口水深2.5m，出口為自由出流，自由水面符合鋼蓋定理并設(shè)定對稱條件，固體邊壁設(shè)為靜止壁面，符合壁面函數(shù)法且糙度0.001。計(jì)算模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流模型。

3.2 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上節(jié)的計(jì)算模型和邊界條件等進(jìn)行三維數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)果如圖4。

圖4 前池流態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

由圖4可知，在前池彎道設(shè)置3座弧型導(dǎo)流墩后，前池中的流態(tài)良好，水流均正向流動(dòng)，基本無回旋，且底層、中層及面層的流速分布良好，面層水流進(jìn)入流道進(jìn)口時(shí)基本沒有出現(xiàn)渦旋，前池水流的流速分布均勻度在83%以上，說明該設(shè)計(jì)方案可行。

4 結(jié)語

（1）造成引黃水量不足的主要原因：黃河同流量下水位降低，渠首閘引水的分流比減小，渠首引黃達(dá)不到原設(shè)計(jì)條件。因此在適宜地點(diǎn)興建渠首泵站十分必要，并對泵站前池流態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，在前池彎道設(shè)置了長度不同的3座弧型導(dǎo)流墻，使得前池水流基本無回旋，流速分布均勻度較高，該設(shè)計(jì)方案可行。

（2）該項(xiàng)目實(shí)施后，可以有效提高渠首引黃樞紐工程的取水能力，有力保證城市及渠首下游灌區(qū)的用水安全。

[1]金幫琳．引黃濟(jì)青改建工程橋梁安全鑒定質(zhì)量檢測分析[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2010（6）：30-33，54．

[2]呂福才，畢樹德，王大偉，等．引黃濟(jì)青工程的管理與運(yùn)行[J].中國農(nóng)村水利水電，2003（8）：67-68.

[3]江崇安，崔積家，邵英超.引黃濟(jì)青渠道輸水能力影響因素分析[J].山東水利，2012（4）：1-2．

[4]尚升，騰希華，尚靜．引黃濟(jì)青渠首工程面臨的主要問題及解決對策[J]．山東水利，2008（9）：33-35．

[5]仇志峰，隋昕.引黃濟(jì)青改擴(kuò)建工程建設(shè)淺析[J].山東水利，2016（7）：3-4.

[6]馬吉?jiǎng)?，張偉，傅川．引黃濟(jì)青工程建設(shè)管理發(fā)展思考[J].中國水利，2013（20）：13-14.

[7]張春鋒．引黃濟(jì)青輸水渠改造設(shè)計(jì)分析 [J]．中國水運(yùn)，2016，16（4）：162-163．

[8]宋慶榮，仇志峰，馬吉?jiǎng)偅◇w移動(dòng)泵船在引黃濟(jì)青工程應(yīng)急引水中的應(yīng)用[J].中國水利，2017（8）：41-42.

[9]江崇安，崔積家，邵英超．黃河調(diào)水調(diào)沙對引黃濟(jì)青工程的影響及對策[J].山東水利，2011（8）：52-54.