CN107558386B - 一种提高城市泵站斜向进流箱涵流量分配均匀性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高城市泵站斜向进流箱涵流量分配均匀性的方法，在泵站闸门井内设置复合式整流装置，本发明利用复合式整流装置对总进水箱涵的斜向进流进行均化分流，有利于提高泵站进水扩散箱涵各孔内的流量分配均匀性及改善其水流流态，从而可以为不同运行工况下泵站前池提供良好的进流条件，对于保障城市排水泵站的安全、稳定、高效运行具有重要意义。本发明结构形式简单，容易加工制作，适于在采用斜向进流形式的城市排水泵站建设及改造工程中推广应用。
Description
技术领域
本发明属于水利工程市政排水技术领域，具体涉及一种提高城市泵站斜向进流箱涵流量分配均匀性的方法。
背景技术
随着我国城镇化进程的迅速发展，城市下垫面的透水性能不断降低，同时内河水面率不足且调蓄功能锐减，致使城市防洪排涝任务逐渐加剧。排水泵站是城市排水系统中一项重要的基础设施，对于城市防洪排涝发挥着关键作用。而良好的进流条件是城市排水泵站设计的重要指标，是保障泵站安全、稳定、高效运行的关键。城市排水泵站易受城市规划、用地条件及管网布置等因素限制，往往占地面积小，很难按照常规泵站设计规范对其进水建筑物进行布置。诸多城市排水泵站因受排水管网及用地条件限制，不得不采用斜向管涵进流形式。但是，斜向管涵进流容易引起箱涵各孔进水流量分配不均匀，造成泵站前池进流偏流严重，进而容易导致水泵进流条件不良，严重影响泵站的安全稳定性。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提出一种提高城市泵站斜向进流箱涵流量分配均匀性的方法。
为实现本发明的目的，采用如下技术方案：
一种提高城市泵站斜向进流箱涵流量分配均匀性的方法，将城市泵站的闸门井设计成包括两部分，靠进水端一侧闸门井设计呈等腰梯形，靠出水端一侧闸门井设计呈矩形，所述闸门井的整体长度为L，宽度为W；
梯形区域的斜边墙与其相连接的矩形区域边墙的夹角α＝130°～140°，进水箱涵垂直于梯形区域的斜边墙设置，且进水箱涵的中心线与该斜边墙的中心线重合，进水箱涵的中心线与闸门井长度方向的中心线夹角为θ＝180°－α；
矩形区域的宽度W1＝(0.4～0.6)W，矩形区域的闸门井内设置复合式整流装置，矩形区域的出水端相对闸门井长度方向的中心线对称布置两个扩散箱涵，分别为第一扩散箱涵和第二扩散箱涵，进水箱涵与扩散箱涵的进口均为正方形且边长为B。
矩形区域的宽度W1＝(0.4～0.6)W，梯形区域的斜边墙与其相连接的矩形区域边墙的夹角α＝130°～140°，申请人若干次实验和数值模拟分析证明W1和α角的取值范围是最佳范围，既可以降低闸门井内的回流区范围，又便于调整箱涵进流情况；所述进水箱涵垂直于梯形区域的一侧边墙且两者中心线重合，进水箱涵与闸门井的中心线夹角θ满足θ＝180°－α。
所述横梁沿闸门井长度方向布置且两端与闸门井矩形区域两侧边墙相连，从而对整个闸门井的进流起到整流效果，所述导流墩沿闸门井宽度方向布置，不仅对闸门井入流起到分流和整流的作用，还便于设计施工制作。
所述横梁正对扩散箱涵进水孔且两者间距W2＝(0.2～0.4)W，距离过大不利于调整箱涵进流，距离太小不利于在箱涵进水孔前安装闸门；所述横梁沿垂向布置2～3根横梁，横梁的数量太少不利于整流、数量过多会产生较大的水力损失；单根横梁的断面宽度B1＝(0.02～0.1)W，在保证其结构强度的同时以尽可能节省材料；单根横梁高度H1＝(0.1～0.3)B，其高度过小则对水流的整流效果不佳、过大则会造成过流截面积减小，同时相邻两横梁之间的垂向距离H2＝(0.1～0.5)B，以起到较好的整流效果；所述横梁正对闸门井进流的两角进行导圆处理且半径R＝(0.01～0.02)W，以降低局部水力损失。
所述导流墩与横梁垂直相交且下部固定于闸门井底部，顶部等于或略大于闸门井内最高水位以满足不同运行工况；导流墩的数量优选为5个，申请人经多次实验证明数量过多其整流效果并未得到显著提升且容易引起较大的水力损失，数量太少对闸门井入流的分流和整流效果不够显著；所述导流墩的宽度B2＝(0.02～0.05)W，宽度过大会影响过流面积，宽度太小容易造成导流墩的结构强度不足。
申请人经若干试验和数值模拟分析获得各导流墩的结构尺寸及位置的优选范围，导流墩a正对第一扩散箱涵进口中心，长度L1＝(0.3～0.5)W且其头部与横梁间距C1＝(0.2～0.3)W，以对闸门井入流部分水流起到分流和调整流向作用；导流墩b长度L2＝(0.3～0.4)W，其头部与横梁间距C2＝(0.1～0.25)W，且与第一扩散箱涵进口边壁间距B3＝(0.0～0.1)W，以对闸门井入流部分水流起到分流和调整流向作用；导流墩c与闸门井中心线齐平且其尾部与闸门井边壁相连，长度L3＝(0.3～0.5)W，为保障第二扩散箱涵入流起到挑流作用；导流墩d的中心线正对第二扩散箱涵进口边壁，长度L4＝(0.1～0.3)W且其头部与横梁间距C3＝(0.01～0.05)W，以起到对第二扩散箱涵进流进行分流和整流作用；导流墩e与第二扩散箱涵进口中心线齐平，长度L5＝(0.2～0.3)W且其头部与横梁间距C4＝(0.02～0.05)W以对进流起到整流作用。
优选地，本发明所述组合横梁及组合导流墩为钢筋混凝土结构，以保障整流装置能够满足排水泵站的设计施工使用要求。
作为一个优选实施例，所述泵站闸门井的整体长度L为16m，宽度W为10m，进水箱涵与扩散箱涵进口为正方形且边长B为4m，闸门井矩形区域的宽度W1为5m，梯形区域的斜边墙与其相连接的矩形区域边墙的夹角α为135°，进水箱涵与闸门井的中心线夹角θ为45°；横梁正对扩散箱涵进水孔且两者间距W2为2.4m，沿垂向布置2根横梁，单根横梁的断面宽度B1为0.6m，高度H1为0.8m，相邻两横梁之间的垂向距离H2为1m，横梁正对闸门井进流的两角导圆半径R为0.2m；组合导流墩的数量为5个，导流墩宽度B2为0.3m，导流墩a长度L1为4m且其头部与横梁间距C1为2.5m，导流墩b长度L2为3.35m，其头部与横梁间距C2为1.85m，且与第一扩散箱涵进口边壁间距B3为0.5m，导流墩c长度L3为4m，导流墩d长度L4为1.75m且其头部与横梁间距C3为0.15m，导流墩e长度L5为2.2m且其头部与横梁间距C4为0.35m。
作为另一个优选实施例，所述泵站闸门井的整体长度L为16m，宽度W为10m，进水箱涵与扩散箱涵进口为正方形且边长B为4m，闸门井矩形区域的宽度W1为4m，梯形区域的斜边墙与其相连接的矩形区域边墙的夹角α为140°，进水箱涵与闸门井的中心线夹角θ为40°；横梁正对扩散箱涵进水孔且两者间距W2为2m，沿垂向布置2根横梁，单根横梁的断面宽度B1为0.2m，高度H1为1.2m，相邻两横梁之间的垂向距离H2为2m，横梁正对闸门井进流的两角导圆半径R为0.1m；组合导流墩的数量为5个，导流墩宽度B2为0.5m，导流墩a长度L1为5m且其头部与横梁间距C1为3m，导流墩b长度L2为4m，其头部与横梁间距C2为2.5m，且与第一扩散箱涵进口边壁间距B3为1m，导流墩c长度L3为5m，导流墩d长度L4为1m且其头部与横梁间距C3为0.5m，导流墩e长度L5为2m且其头部与横梁间距C4为0.5m。
作为另一个优选实施例，所述闸门井的整体长度L为16m，宽度W为10m，进水箱涵与扩散箱涵进口为正方形且边长B为4m，闸门井矩形区域的宽度W1为6m，梯形区域的斜边墙与其相连接的矩形区域边墙的夹角α为130°，进水箱涵与闸门井的中心线夹角θ为θ＝50°；横梁正对扩散箱涵进水孔且两者间距W2为4m，沿垂向布置3根横梁，单根横梁的断面宽度B1为1m，高度H1为0.4m，相邻两横梁之间的垂向距离H2为0.4m，横梁正对闸门井进流的两角导圆半径R为0.15m；导流墩的数量为5个，导流墩宽度B2为0.2m，导流墩a长度L1为3m且其头部与横梁间距C1为2m，导流墩b长度L2为3m，其头部与横梁间距C2为1m，且与第一扩散箱涵进口边壁间距B3为0m，导流墩c长度L3为3m，导流墩d长度L4为3m且其头部与横梁间距C3为0.1m，导流墩e8长度L5为3m且其头部与横梁间距C4为0.2m。
本发明的有益效果是：
本发明所述的提高城市泵站斜向进流箱涵流量分配均匀性的方法，利用复合式整流装置对泵站闸门井的斜向入流进行分流和整流，有利于提高泵站扩散箱涵各孔内的流量分配均匀性，进而能够保障泵站具有良好的进流条件，从而对于确保泵站的安全稳定高效运行具有重要意义。
本发明所提供的复合式整流装置结构简单、容易制作，特别适合于采用斜向管涵进流形式的市政排水泵站工程建设及改造中推广应用。
附图说明
图1是本发明的平面布置示意图；
图2是本发明平面结构尺寸示意图；
图3是本发明立面结构尺寸示意图；
图4是有泵房的本发明平面布置示意图；
图5是本发明整流前后箱涵各孔的流量分配系数对比图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1-4所示，本发明涉及进水箱涵1、闸门井2、横梁3、导流墩a4、导流墩b5、导流墩c6、导流墩d7、导流墩e8、第二扩散箱涵9、第一扩散箱涵10、第二分隔墩11、第一分隔墩12、第二扩散箱涵孔a13、第二扩散箱涵孔b14、第一扩散箱涵孔a15、第一扩散箱涵孔b16、第二泵房17和第一泵房18等技术特征。
一种提高城市泵站斜向进流箱涵流量分配均匀性的方法，在闸门井2内设置复合式整流装置，闸门井2的进水端设置进水箱涵1，出水端对称布置第二扩散箱涵9、第一扩散箱涵10，第二扩散箱涵9被第二分隔墩11分为第二扩散箱涵孔a 13与第二扩散箱涵孔b14两孔通道，通向第二泵房17，第一扩散箱涵10被第一分隔墩12分为第一扩散箱涵孔a15与第一扩散箱涵孔b16两孔通道，通向第一泵房18。
本发明所述闸门井2的整体长度为L，宽度为W，进水箱涵1与第一、二扩散箱涵的进口为正方形且边长为B；所述闸门井包括矩形和等腰梯形两部分区域，矩形区域的宽度W1＝(0.4～0.6)W，梯形区域的斜边墙与其相连接的矩形区域边墙的夹角α＝130°～140°；所述进水箱涵1垂直于梯形区域的一侧边墙且两者中心线重合，进水箱涵1与闸门井2的中心线夹角θ满足θ＝180°－α；
本发明所述横梁沿闸门井2的长度方向布置且两端与闸门井2矩形区域两侧边墙相连，所述导流墩a～e沿闸门井宽度方向依次布置；所述横梁正对扩散箱涵进水孔且两者间距W2＝(0.2～0.4)W，沿垂向布置2～3根横梁；单根横梁的断面宽度B1＝(0.02～0.1)W、高度H1＝(0.1～0.3)B，相邻两横梁之间的垂向距离H2＝(0.1～0.5)B；所述横梁3正对闸门井2进流的两角进行导圆处理且半径R＝(0.01～0.02)W。
本发明所述导流墩与横梁垂直相交且下部固定于闸门井底部，顶部等于或略大于闸门井内最高水位以满足不同运行工况；导流墩的数量优选为5个，宽度B2＝(0.02～0.05)W。
导流墩a4正对上侧箱涵10进口中心，长度L1＝(0.3～0.5)W且其头部与横梁3间距C1＝(0.2～0.3)W；导流墩b5长度L2＝(0.3～0.4)W，其头部与横梁3间距C2＝(0.1～0.25)W，且与第一扩散箱涵10进口边壁间距B3＝(0.0～0.1)W；导流墩c6与闸门井2中心线齐平且尾部与闸门井2边壁相连，长度L3＝(0.3～0.5)W；导流墩d7的中心线正对第二扩散箱涵9进口边壁，长度L4＝(0.1～0.3)W且其头部与横梁3间距C3＝(0.01～0.05)W；导流墩e8与第二扩散箱涵9进口中心线齐平，长度L5＝(0.2～0.3)W且其头部与横梁3间距C4＝(0.02～0.05)W。
以上所述横梁3和导流墩a～e为钢筋混凝土结构，可在城市排水泵站工程建设或改造现场进行浇筑成型。
实施例1
本实施例带有本发明所提出的复合式整流装置的平面和立面结构尺寸示意图如图2、3所示，排水泵站的平面图如图4所示。
闸门井2的整体长度L＝16m，宽度W＝10m，进水箱涵1与第一、二扩散箱涵的进口为正方形且边长B＝4m，闸门井矩形区域的宽度W1＝5m，梯形区域的斜边墙与其相连接的矩形区域边墙的夹角α＝135°，进水箱涵1与闸门井2的中心线夹角θ＝45°；横梁正对扩散箱涵的进水孔且两者间距W2＝2.4m，沿垂向布置2根横梁，单根横梁的断面宽度B1＝0.6m，高度H1＝0.8m，相邻两横梁之间的垂向距离H2＝1m，横梁3正对闸门井2进流的两角导圆半径R＝0.2m；导流墩的数量为5个、宽度B2＝0.3m，导流墩a4的长度L1＝4m且其头部与横梁3的间距C1＝2.5m，导流墩b5的长度L2＝3.35m，其头部与横梁3的间距C2＝1.85m，且与第一扩散箱涵10进口边壁间距B3＝0.5m，导流墩c6的长度L3＝4m，导流墩d7的长度L4＝1.75m且其头部与横梁3的间距C3＝0.15m，导流墩e8的长度L5＝2.2m且其头部与横梁3的间距C4＝0.35m；横梁3和导流墩a～e采用钢筋混凝土制作。
实施例2
本实施例所述的复合式整流装置，与实施例1不同之处在于：闸门井矩形区域的宽度W1＝4m，梯形区域的斜边墙与其相连接的矩形区域边墙的夹角α＝140°，进水箱涵与闸门井的中心线夹角θ＝40°；横梁正对扩散箱涵进水孔且两者间距W2＝2m，单根横梁的断面宽度B1＝0.2m，高度H1＝1.2m，相邻两横梁之间的垂向距离H2＝2m，横梁正对闸门井进流的两角导圆半径R＝0.1m；导流墩宽度B2＝0.5m，导流墩a4长度L1＝5m且其头部与横梁间距C1＝3m，导流墩b5长度L2＝4m，其头部与横梁间距C2＝2.5m，且与第一扩散箱涵进口边壁间距B3＝1m，导流墩c6长度L3＝5m，导流墩d7长度L4＝1m且其头部与横梁间距C3＝0.5m，导流墩e8长度L5＝2m且其头部与横梁间距C4＝0.5m。
实施例3
本实施例所述的复合式整流装置，与实施例1不同之处在于：闸门井矩形区域的宽度W1＝6m，梯形区域的斜边墙与其相连接的矩形区域边墙的夹角α＝130°，进水箱涵与闸门井的中心线夹角θ＝50°；横梁正对扩散箱涵进水孔且两者间距W2＝4m，沿垂向布置3根横梁，单根横梁的断面宽度B1＝1m，高度H1＝0.4m，相邻两横梁之间的垂向距离H2＝0.4m，横梁正对闸门井进流的两角导圆半径R＝0.15m；导流墩宽度B2＝0.2m，导流墩a4长度L1＝3m且其头部与横梁间距C1＝2m，导流墩b5长度L2＝3m，其头部与横梁间距C2＝1m，且与第一扩散箱涵进口边壁间距B3＝0m，导流墩c6长度L3＝3m，导流墩d7长度L4＝3m且其头部与横梁间距C3＝0.5m，导流墩e8长度L5＝3m且其头部与横梁间距C4＝0.2m。
如图5所示，采用三维流动数值模拟方法，对比分析采用本发明上述实施例的复合式整流装置进行整流前、后箱涵各孔的流量分配情况，其中流量分配系数ψ＝(Qi/QZ)×100％，Qi为箱涵某孔内的流量，QZ为泵站总流量。根据图5可以看出，经本发明整流后的箱涵各孔的流量分配变得较为均匀，证明本发明所提出的复合式整流装置能够显著提高箱涵的配水均匀性，有助于确保泵站良好的进流条件，使得水泵机组安全、高效、稳定运行。
以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种提高城市泵站斜向进流箱涵流量分配均匀性的方法，其特征是：将城市泵站的闸门井设计成包括两部分，靠进水端一侧闸门井设计呈等腰梯形，靠出水端一侧闸门井设计呈矩形，所述闸门井的整体长度为L，闸门井的整体宽度为W；
梯形区域的斜边墙与其相连接的矩形区域边墙的夹角α＝130°～140°，进水箱涵垂直于梯形区域的斜边墙设置，且进水箱涵的中心线与该斜边墙的中心线重合，进水箱涵的中心线与闸门井长度方向的中心线夹角为θ＝180°-α；
矩形区域的宽度W1＝(0.4～0.6)W，矩形区域的闸门井内设置复合式整流装置，矩形区域的出水端相对闸门井长度方向的中心线对称布置两个扩散箱涵，分别为第一扩散箱涵和第二扩散箱涵，进水箱涵与扩散箱涵的进口均为正方形且边长为B；
所述复合式整流装置包括横梁和导流墩，横梁平行于闸门井长度方向，沿闸门井深度方向布置有2～3根，所述横梁正对扩散箱涵进水孔且两者间距W2＝(0.2～0.4)W，单根横梁断面宽度B1＝(0.02～0.1)W、高度H1＝(0.1～0.3)B，横梁正对闸门井进流的两边角进行导圆且半径R＝(0.01～0.02)W，相邻两横梁间距H2＝(0.1～0.5)B；
导流墩沿闸门井宽度方向布置于横梁上，导流墩与横梁垂直相交且导流墩底部固定于闸门井底部，导流墩顶部与闸门井的最高运行水位齐平，导流墩的数量为5个，白靠近进水箱涵起依次为导流墩a、导流墩b、导流墩c、导流墩d、导流墩e，每个导流墩的宽度均为B2＝(0.02～0.05)W；
导流墩a正对第一扩散箱涵进口中心，长度为L1＝(0.3～0.5)W且其头部与横梁的间距C1＝(0.2～0.3)W；导流墩b长度为L2＝(0.3～0.5)W且头部与横梁间距C2＝(0.1～0.25)W，导流墩b与第一扩散箱涵进口边壁间距B3＝(0.0～0.1)W；导流墩c与闸门井中心线齐平且其尾部与闸门井边壁相连，导流墩c长度L3＝(0.3～0.5)W；导流墩d的中心线正对第二扩散箱涵进口边壁，导流墩d长度L4＝(0.1～0.3)W且其头部与横梁间距C3＝(0.01～0.05)W；导流墩e与第二扩散箱涵进口中心线齐平，导流墩e的长度L5＝(0.2～0.3)W且其头部与横梁间距C4＝(0.02～0.05)W。
2.如权利要求1所述的提高城市泵站斜向进流箱涵流量分配均匀性的方法，其特征是：所述横梁和导流墩为钢筋混凝土结构。
3.如权利要求1所述的提高城市泵站斜向进流箱涵流量分配均匀性的方法，其特征是：所述闸门井的整体长度L为16m、宽度W为10m，进水箱涵与扩散箱涵进口为正方形且边长B为4m，闸门井矩形区域的宽度W1为5m，梯形区域的斜边墙与其相连接的矩形区域边墙的夹角α为135°，进水箱涵中心线与闸门井的中心线夹角θ为45°；横梁正对扩散箱涵的进水孔且两者间距W2为2.4m，沿垂向布置有2根横梁，单根横梁的断面宽度B1为0.6m，高度H1为0.8m，相邻两横梁之间的垂向距离H2为1m，横梁正对闸门井进流的两角导圆半径R为0.2m；导流墩的数量为5个，导流墩宽度B2为0.3m，导流墩a长度L1为4m且其头部与横梁间距C1为2.5m，导流墩b长度L2为3.35m，其头部与横梁间距C2为1.85m，且与第一扩散箱涵进口边壁间距B3为0.5m，导流墩c长度L3为4m，导流墩d长度L4为1.75m且其头部与横梁间距C3为0.15m，导流墩e长度L5为2.2m且其头部与横梁间距C4为0.35m。
4.如权利要求1所述的提高城市泵站斜向进流箱涵流量分配均匀性的方法，其特征是：所述闸门井的整体长度L为16m，宽度W为10m，进水箱涵与扩散箱涵进口为正方形且边长B为4m，闸门井矩形区域的宽度W1为4m，梯形区域的斜边墙与其相连接的矩形区域边墙的夹角α为140°，进水箱涵中心线与闸门井的中心线夹角θ为40°；横梁正对扩散箱涵进水孔且两者间距W2为2m，沿垂向布置2根横梁，单根横梁的断面宽度B1为0.2m，高度H1为1.2m，相邻两横梁之间的垂向距离H2为2m，横梁正对闸门井进流的两角导圆半径R为0.1m；导流墩的数量为5个，导流墩宽度B2为0.5m，导流墩a长度L1为5m且其头部与横梁间距C1为3m，导流墩b长度L2为4m，其头部与横梁间距C2为2.5m，且与第一扩散箱涵进口边壁间距B3为1m，导流墩c长度L3为5m，导流墩d长度L4为1m且其头部与横梁间距C3为0.5m，导流墩e长度L5为2m且其头部与横梁间距C4为0.5m。
5.如权利要求1所述的提高城市泵站斜向进流箱涵流量分配均匀性的方法，其特征是：所述闸门井的整体长度L为16m，宽度W为10m，进水箱涵与扩散箱涵进口为正方形且边长B为4m，闸门井矩形区域的宽度W1为6m，梯形区域的斜边墙与其相连接的矩形区域边墙的夹角α为130°，进水箱涵中心线与闸门井的中心线夹角θ为θ＝50°；横梁正对扩散箱涵进水孔且两者间距W2为4m，沿垂向布置3根横梁，单根横梁的断面宽度B1为1m，高度H1为0.4m，相邻两横梁之间的垂向距离H2为0.4m，横梁正对闸门井进流的两角导圆半径R为0.15m；组合导流墩的数量为5个，导流墩宽度B2为0.2m，导流墩a长度L1为3m且其头部与横梁间距C1为2m，导流墩b长度L2为3m，其头部与横梁间距C2为1m，且与第一扩散箱涵进口边壁间距B3为0m，导流墩c长度L3为3m，导流墩d长度L4为3m且其头部与横梁间距C3为0.1m，导流墩e长度L5为3m且其头部与横梁间距C4为0.2m。
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