如何设计泵站进水建筑物，实现良好的进水条件？

泵站进水建筑物是连接泵站引水渠道和泵房的工程设施。其主要作用是为水泵创造良好的进水条件，是由前池和进水池组成的。泵站进水池位于泵房前或下方，水泵进水管直接从进水池中吸水；泵站前池是连接引水渠与进水池的渐变段。

（一）前池

前池是引水管（渠）和进水池的连接建筑物。前池的形状和尺寸，不仅会影响水流流态，而且会对泵站工程的投资和运行管理带来很大影响。然而，在工程实践中，往往对这部分设计没有引起足够重视，由此而来引起的进水池流态恶化，水泵机组振动，泵站效率下降，池内泥沙淤积等问题严重的例子时有发生。因此，认真分析研究前池的流动规律，合理确定前池的形状和尺寸，是泵站工程的重要问题之一。

根据水流方向，前池分为正向进水和侧向进水两大类。

1.正向进水前池

正向进水前池是指前池的来水方向和进水池的进水方向一致，前池的过水断面一般是逐渐扩大，如图4-2所示。

正向进水前池的主要特点是形状简单，施工方便，水流容易满足要求。但在水泵机组较多的情况下，为了保证池中有较好的流态，需要增加池长，从而导致工程量的增加。这对于开挖困难的地质条件和用地困难的城区更是这样。因此，正向进水前池又出现了折线形和曲线形。在保证池中具有较好流态的情况下，尽量缩短前池长度。

图4-2　前池和进水池示意图

（a）平面图；（b）断面图
1—泵房；2—机组；3—进水管；4—进水池；5—翼墙；6—前池；7—引渠

2.侧向进水前池

侧向进水前池的来水方向和出水方向是正交或斜交的，如图4-3所示。

由于池中的水流需要改变方向，池中流速分布难以均匀。因此，池中容易形成回流和旋涡，从而影响水泵的性能。但因侧向进水前池占地较少，工程投资较省，在工程实际中也经常遇到。所以，认真研究侧向进水前池的水力特性，确保池内水流平稳，不出现回流和旋涡，是十分重要的。

（二）流态分析

1.正向进水前池的流态分析

正向进水前池流态的主要影响因素是扩散角的大小。根据水力学原理，扩散水流的扩散能力可用扩散角α来表示。它与初始断面的流速υ有很大关系。υ越大则水流的固有扩散角α越小。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，出现回流和旋涡。图4-4所示就是这种不良流态的示意图。

图4-3　侧向进水前池

1—引渠；2—前池；3—进水池；4—水泵

图4-4　前池中的回流

（a）水流状态；（b）断面Ⅰ—Ⅰ流速分布

由图4-4可见，在主流的两侧有较大的回流区，在进水池两侧会形成旋涡。由于水流来不及扩散，水流直接冲击进水池后墙，然后折向两侧，引起侧边回流。由于中间主流大于边侧回流流速，回流区的水位和压力大于主流区。在这种压力差的作用下，主流断面进一步压缩，流速进一步增大，从而导致池中流态更加恶化。试验表明，前池中的流态对水泵性能及工程管理将带来很大影响。例如，前池的流态可能涉及到进水池的流态，使进水池形成旋涡。一旦产生进气漏斗旋涡，空气将会进入水泵，从而降低水泵效率，使机组产生振动和噪音。另外，不良的水力条件还会引起前池的冲刷和淤积。图4-5为某站前池断面的流速分布和淤积情况，在边侧回流区的淤积深度达4m 。

图4-5　前池断面流速和淤积情况

1—1974年淤积部分；2—1996年淤积部分

2.侧向进水前池的流态分析

侧向进水前池内的流态主要取决于引渠的末端流速、前池的形状和机组的运行组合。如图4-6所示，为某电厂循环泵站侧向进水前池的模型实测流动状态。由图4-6可见，在前池形式、尺寸一定的情况下，水流从两个涵洞进入前池后，池内流态取决于机组运行组合。当1号机组运行时，不仅1号涵洞的水流会流向1号机组的进水口，2号涵洞的水流也会穿过中间隔墩的孔口同时流向该处。由于B、C处呈直角形，水流突然扩散，池中出现了四个大小不同的回流区。水泵进水口处还会出现旋涡。当5号机组运行时，1号涵洞的水流经过大回转以后，也会穿过中间隔墩的孔口，流向5号机组的进水口。2号涵洞的水流也是经过大转弯后才进人5号机组的。因此，在池中也形成了四个大小不同的回流区。由于水流是斜向进入运行机组的进水口，在隔墩的进口处有旋涡出现，进水池内的流速分布不均，从而影响水泵的运行特性。

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图4-6　侧向进水前池的流动状态

（三）进水池

进水池中的流态将对水泵性能产生影响。为了保证水泵有良好的吸水条件，要求进水池中的水流平稳，即流速分布均匀，无旋涡，也无回流，否则不仅会降低水泵的效率，甚至引起水泵空蚀，导致机组振动而无法正常工作。

1.旋涡的形成及其对水泵性能的影响

进水池中的旋涡有表面旋涡和附壁旋涡两种。

（1）表面旋涡。当进水池的水位下降时，池中表层水流流速增大，水流紊乱，在进水管后侧的水面上首先会出现凹陷的旋涡，如图4-7 （a）所示。当水位继续下降 （仍保持水泵流量不变）时，表层流速激增，旋涡的旋转速度也随之加大，旋涡中心处的压力进一步降低，水面凹陷在大气压力的作用下逐渐向下延伸。随着凹陷的加深，四周水流对其作用的压力也随之增大，故旋涡随水深的增加而变成漏斗状。当这种漏斗状的旋涡尾部接近进水管口时，因受水泵吸力影响而开始向管口弯曲，空气开始断断续续地通过漏斗旋涡进入水泵，如图4-7 （b）所示。如果水位继续下降，则会形成连续向水泵进气的漏斗状旋涡，如图4-7 （c）所示。若池中的水位再继续下降，进水管周围的漏斗旋涡数目将会增加，并很快连成一体，形成与进水管同轴的柱状旋涡，如图4-7 （d）所示，使大量空气进入水泵。水泵吸入空气后，其性能会明显恶化。图4-8所示为空气吸入量对单级离心泵（ns=100）性能的影响；Q0、H0是空气量为零时最高效率点η0 的流量 （m3/s）和扬程（m）；P是水泵入口压力（kgf/cm2）（按法定计量单位应为“Pa”，1kgf/cm2=9.80665×104Pa）；V0是换算到泵入口压力的空气吸入容积 （m3/s）。由此可见，由于吸入空气量的增加，水泵的效率和扬程都会明显下降。因此，防止表面旋涡将空气带入水泵是进水池设计的重要任务之一。

图4-7　进水池表面旋涡

（2）附壁旋涡（也称涡带）。当进水池设计不合理时，不仅池中流速分布不均匀，而且会在池壁和池底产生局部压力下降。流速分布不均匀不仅会产生表面旋涡，而且在水中也会产生旋涡。旋涡中心的压力很低，低压区旋涡中心的压力则更低。当压力下降至汽化压力时，旋涡中心区的水即被汽化，并呈白色带状，故又称涡带。这种旋涡常常是一端位于池壁（或池底）而另一端位于管口的涡带，如图4-9所示。涡带会将其中心部分的气体带入水泵，当气体带到高压区时，气泡破裂，产生周期性的振动和噪音，影响水泵的性能和寿命。

图4-8　空气吸入量对单级离心泵性能的影响

（a）水泵吸入空气对效率的影响；（b）水泵吸入空气对扬程的影响

2.回流对水泵性能的影响

当进水池或前池设计不合理时，在池中平面或立面可能会出现围绕水泵 （或进水管）旋转的回流现象，如图4-10所示。这种回流，虽然不会将空气带入水泵，但对水泵（特别是直接从池中吸水的立式轴流泵和导叶式混流泵）的性能有很大影响。如图4-10 （a）所示中，虽然在池中的直角处有时出现旋涡2，但水泵周围无围绕水泵旋转的回流，而图4-10中 （b）、 （c）由于进水条件差，在池中均产生围绕水泵旋转的回流，但回流的旋转方向不同，前者逆时针方向，后者顺时针方向。如果水泵叶轮的转动是顺时针方向，在图4-10 （b）中，水泵叶轮与回流旋转方向相反，相当于增加了水泵的转速，水泵的扬程和功率增加，甚至可能使动力机超载，而水泵效率却会降低。图4-10 （c）中的水泵叶轮与回流旋转方向相同，水泵的扬程、功率和效率也都会明显下降。图4-11所示为回流对立式导叶式混流泵性能的影响。

图4-9　附壁旋涡

1—附壁旋涡；2—附底旋涡

图4-10　进水池中回流

1—水泵；2—旋涡；3—水泵叶轮转动方向

图4-11　回流对立式导叶式混流泵性能的影响

（图中单位：ft为英尺，gal为美加仑；1ft=0.3048m；1gal=3.78541×10-3m3；1马力=735.499W）

3.进水池水头损失对水泵工作点的影响

设计不合理的进水池，不仅会产生旋涡和回流，而且会造成较大的能量损失。例如为了防止泥沙淤积需在池中造成较大流速，或为了防止水草杂物吸入水泵而设置了拦污栅，都可能使进水池造成较大的水头损失，影响水泵的正常安全工作。水头损失虽不会改变水泵的性能曲线，但却会增加泵站实际工作扬程H实，从而使水泵运行工作点向上移动，增加泵站的能量损耗。因此，减少进水池中的水头损失，也应成为设计进水池的重要问题。

4.进水池的构造

进水池多为浆砌块石的结构，池壁一般为立式箱形，池底采用不小于10cm厚的混凝土面层浆，以防冲刷和便于清淤。对于从多泥沙水源取水的泵站，进水池中还应考虑防沙措施 （如设冲沙闸、冲沙廊道、涵管等），在池中最低部位应设集水坑，以便检修时排净池中积水。

进水池后墙、侧墙，除采用立墙外，还可采用斜坡式或直斜混合式。直立式边墙可采用浆砌石挡土墙结构，斜坡式可用浆砌石护坡。多机组的进水池之间一般应设隔墩，墩厚为30～50cm的浆砌石。