城市道路橫截溝截流率有限元模擬

徐靈華,郭 帥,馬文瀅,陳 嵐

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州 310014;2.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

近年來,我國城市內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā),對(duì)人們交通出行、財(cái)產(chǎn)安全等造成了嚴(yán)重威脅。雨水口作為路面雨水徑流進(jìn)入地下排水系統(tǒng)的入口,在城市防洪防澇中起著關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)的平箅式、路緣式、聯(lián)合式雨水口常置于道路排水溝中,依靠道路坡度將路面雨水徑流導(dǎo)流至雨水口處并進(jìn)行泄流,其排水機(jī)制及水力效率已被國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究[1-4]。然而,在廣場(chǎng)、停車場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)停機(jī)坪、隧道引道等無適宜導(dǎo)水坡度或?qū)搅髁靠刂茋?yán)格的場(chǎng)所,傳統(tǒng)的雨水口無法滿足高效排水的要求。這時(shí),常使用橫截溝作為雨水收集裝置,以保證路面雨水被高效排除。目前,國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)橫截溝排水水力特性也進(jìn)行了相關(guān)研究[5-12]。

文獻(xiàn)[5-7]分別結(jié)合工程實(shí)例,揭示與總結(jié)了當(dāng)前橫截溝在設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用中存在的相關(guān)問題,包括雨量較大時(shí)無法截流全部雨水、跳車、噪音等;文獻(xiàn)[8]以海河隧道排水設(shè)施為背景,建立整體縮尺模型和斷面模型并進(jìn)行水力特性模型試驗(yàn),利用流體計(jì)算軟件對(duì)雨水篦子的泄水情況進(jìn)行模擬,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定了滿足排水要求的橫截溝設(shè)置間距;文獻(xiàn)[9]通過搭建1∶1的模型試驗(yàn)平臺(tái),在不同流量及坡度條件下對(duì)4種類型橫截溝雨水篦子的水力效率進(jìn)行研究,建立了箅子截流效率與弗洛德數(shù)、篦前水深等水力參數(shù)間的關(guān)系式;文獻(xiàn)[10]進(jìn)一步擴(kuò)展此項(xiàng)研究,將橫截溝雨水箅子水力效率與箅子幾何參數(shù)聯(lián)系,提出了根據(jù)箅子幾何參數(shù)估算其水力效率的經(jīng)驗(yàn)公式;文獻(xiàn)[11]通過搭建12 m長、1 m寬的模擬道路實(shí)驗(yàn)裝置,研究了不同入流量及坡度條件下,橫截溝箅子處水流水力特性;文獻(xiàn)[12]通過構(gòu)建三維數(shù)值模型模擬了不同流量及坡度下橫截溝雨水箅子的排水效率,并將模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。然而,現(xiàn)有研究多以室內(nèi)縮尺模型試驗(yàn)為主,實(shí)際工程尺寸下橫截溝截流特性的研究較少。

本文依托杭州香積寺路西延工程,采用ANSYS公司開發(fā)的流體仿真與計(jì)算軟件件ANSYS CFX 18.0,對(duì)下穿隧道排水系統(tǒng)中橫截溝雨水篦子的排水性能進(jìn)行建模分析與計(jì)算,研究了多次降雨過程中水流的流態(tài)、流向、流量等數(shù)值的實(shí)時(shí)變化過程,并重點(diǎn)分析橫截溝截流率的變化特性,研究成果將為城市下穿隧道橫截溝的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 數(shù)值模型的構(gòu)建

1.1 典型路段選取

杭州市香積寺路西延工程沿余杭塘路、香積寺路敷設(shè),西起教工路,東至德苑路,全長約2.6 km,其中隧道長度2.3 km,雙向四車道規(guī)模,主要采用盾構(gòu)法施工,項(xiàng)目地理位置如圖1所示。建成后對(duì)方便拱墅區(qū)大關(guān)、湖墅單元居民出行及緩解大關(guān)橋、德勝路交通壓力具有重要意義。

圖1 杭州市香積寺路西延工程項(xiàng)目地理位置

該工程隧道雨水系統(tǒng)用于排除隧道引道段雨水,雨水通過橫截溝排入雨水集水池內(nèi),通過潛水泵提升后排至室外雨水檢查井。隧道橫截溝的合理設(shè)置是保障隧道行車安全性、行車舒適性的關(guān)鍵。工程設(shè)計(jì)方提出一種沿道路橫斷面間隔布設(shè)雨水篦子的橫截溝設(shè)計(jì)方案,本文針對(duì)該種設(shè)計(jì)方案開展截流效率研究。

1.2 計(jì)算域及控制方程

建模路線選取香積寺路西延工程莫干山路西側(cè)至上塘路東側(cè)部分中坡度較大的一段(道路縱坡為6%),建模路段總長185 m。考慮到數(shù)值模型運(yùn)算量和模型的對(duì)稱性,模型只選取單車道路面(寬3.5 m)進(jìn)行模擬。模型總平面尺寸為185 m×3.5 m,縱坡坡度為6%,分為如下4段:第1段為匯水區(qū),尺寸為175 m×3.5 m,與隧道西段U型槽匯水區(qū)相對(duì)應(yīng);第2段為過渡區(qū),尺寸為6 m×3.5 m,與U型槽終點(diǎn)向隧道內(nèi)方向6 m的過渡區(qū)相對(duì)應(yīng);第3段為橫截溝泄流區(qū),尺寸為0.4 m×3.5 m,間隔式布設(shè)7個(gè)0.4 m×0.2 m的浙江省標(biāo)雨水篦子用于截流雨水;第4段為過流區(qū),尺寸為3.6 m×3.5 m,用于排放越過橫截溝出流的水量。計(jì)算域幾何模型如圖2所示。

圖2 計(jì)算域幾何模型及網(wǎng)格劃分

對(duì)于水氣兩相流動(dòng),本文采用均質(zhì)兩相VOF模型,其控制方程如下:

(1)

(2)

(3)

∑αi=1

(4)

其中:密度ρ=∑αiρi;動(dòng)力黏度μ=∑αiμi;i為流體相下標(biāo);αi為i相體積分?jǐn)?shù);U為速度;P為壓力;F為其他體積力或源項(xiàng);E為能量;T為溫度;k為熱傳導(dǎo)系數(shù)。

本次模擬采用SSTk-ω紊流模型。SST(剪切應(yīng)力傳遞)湍流模型是在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)中廣泛使用的雙方程渦流黏度湍流模型。SST兩方程湍流模型[13]結(jié)合了k-ω湍流模型和k-ε湍流模型,使得k-ω用于邊界層的內(nèi)部區(qū)域,并在自由剪切流中切換到k-ε模型,因此SSTk-ω模型可以用作低雷諾數(shù)湍流模型而不引入任何額外的阻尼函數(shù),同時(shí)在剪切流中利用k-ε模型避免對(duì)入口湍流性質(zhì)過于敏感的問題。在過去20a該模型已被應(yīng)用于多種工程中[14-15]。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

模型采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格,約210×104個(gè)節(jié)點(diǎn),234×104個(gè)單元,本文數(shù)值模型存在邊壁、入口、出口3種類型邊界(圖2)。邊壁采用無滑移邊界,即壁面流速v=0,模型經(jīng)驗(yàn)常數(shù)計(jì)算公式為:

(5)

kwall=0

(6)

入口采用流量邊界,出口采用開放式邊界,給定壓力為大氣壓。入流邊界設(shè)置為從第1段集水區(qū)域底部涌水,橫截溝及下游出水口為開放式邊界,頂部邊界為空氣開放式邊界。

1.4 模擬工況

入口流量取決于雨量大小,根據(jù)杭州市設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度公式,模擬設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度數(shù)值模擬工況見表1所列。

表1 數(shù)值模擬工況

2 橫截溝匯流過程模擬結(jié)果分析及討論

2.1 水力特性分析

本文CFD模型中,上游集水區(qū)域雨水流向下游,經(jīng)過不透水路面,沿程水深增加,經(jīng)過橫截溝時(shí),大部分雨水經(jīng)由橫截溝泄流,其余流向下游出口。模擬工況的降雨量范圍內(nèi),道路水深均較小,流態(tài)均勻,發(fā)展平穩(wěn),各工況水流分布云圖如圖3所示。

模擬結(jié)果表明,盡管道路路面縱坡較大(6%),在降雨強(qiáng)度為4.0～8.0 mm/min范圍內(nèi),由于雨水匯流量較小,因此所有模擬工況中橫截溝處水流入流均為沿上游橫截溝壁方式。當(dāng)匯流量較大時(shí),可通過均勻流公式計(jì)算得到水流在靠近橫截溝時(shí)速度約為1.8 m/s,以射流方式?jīng)_擊橫截溝下游壁面,不僅影響橫截溝收水率,而且造成安全隱患。

通過分析各模擬工況的流線分布及其速度大小可知,工況1～工況4流線均較為平順,部分通過橫截溝,部分通往下游;不透水路面區(qū)域上游速度較大,沿程流速逐漸減小,原因是水深沿程增加。計(jì)算的4個(gè)工況趨勢(shì)一致,只是入流量大小不同造成流場(chǎng)分布中水力特性要素大小有一定差別。

對(duì)于典型工況2,其不透水區(qū)域入口處及橫截溝上游水流流速橫向(Z軸)分布如圖4所示。從圖4a可以看出流動(dòng)在入口處基本充分發(fā)展,除近壁處速度梯度較大,橫向速度為常數(shù),大小約為5.3 m/s。從圖4b可以看出，在橫截溝上游,水流流速分布均勻,約為1.8 m/s。

圖4 工況2流速橫向分布

2.2 道路積水深度分析

不同工況下不透水路面壓力分布如圖5所示,其中工況1～工況4最大積水深度分別為1.63、1.23、1.02、1.00 cm。積水深度在不透水路面入口至橫截溝段沿程增加,在到達(dá)橫截溝時(shí)達(dá)到最大值。橫截溝下游分別存在“無積水區(qū)”,其長度約為橫截溝長度,即0.4 cm。雨水可通過橫截溝間隙流向下游,但整體上橫截溝下游積水水深遠(yuǎn)小于橫截溝上游。

圖5 計(jì)算工況道路壓力分布

模擬工況1～工況4積水深度隨流量減小而降低,表明積水深度與降雨量呈正相關(guān)關(guān)系;但其分布規(guī)律基本一致,說明積水分布規(guī)律不受流量影響,與其他因素有關(guān),比如道路路面性質(zhì)、坡度、尺寸、橫截溝設(shè)置位置等。

2.3 橫截溝截流率分析

橫截溝攔截雨水的原理為:在路面雨水徑流的垂直方向,設(shè)置一系列雨水篦子,攔截雨水徑流進(jìn)入下部的排水溝,并通過排水溝坡度作用將雨水導(dǎo)入地下雨水管道系統(tǒng)中。因此,研究橫截溝的截流率應(yīng)同時(shí)考慮上部雨水篦子、下部排水溝的收水及排水性能。但鑒于實(shí)際工程中,橫截溝下部排水溝排水能力往往存有富余,本研究只考慮上部雨水篦子的截流率。

模擬工況1～工況4徑流量、橫截溝泄流量、下游出口流量,結(jié)果見表2所列。根據(jù)連續(xù)性方程,橫截溝泄流流量與下游出口流量之和等于上游入流量,且隨著徑流入流量減小而減小。

表2 各工況橫截溝及下游出口泄流流量

分析模擬結(jié)果可知,當(dāng)計(jì)算模型中其他因素均一定時(shí)(道路坡度、橫截溝孔隙率不變),在一定范圍內(nèi),降雨量(徑流流量)變化不影響橫截溝截流率。隨著徑流量降低,水流流經(jīng)橫截溝時(shí)入流方式不變,則其截流率基本維持不變;但若徑流量較大時(shí),由于路面坡度較大,水流速度可能顯著增加,其流經(jīng)橫截溝截流流方式發(fā)生變化,橫截溝載流率可能降低,還有可能造成其他安全隱患。

通過橫截溝截流率分析及上文水力特性分析可知,橫截溝篦子孔隙率可能是影響截流率的關(guān)鍵因素。在本文計(jì)算的工況中,泄流區(qū)孔隙率為0.5,在降雨強(qiáng)度4.0 ～8.0 mm/min范圍內(nèi),橫截溝截流率基本處于2/3水平。當(dāng)橫截溝篦子占據(jù)整個(gè)橫斷面孔隙率較大時(shí),其截流率有望得到較大的提高,因此,橫截溝孔隙率的變化可作為進(jìn)一步研究的關(guān)鍵因素。

3 結(jié) 論

本文通過香積寺路下穿隧道的CFD模型,模擬了不同降雨強(qiáng)度或不同設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下道路雨水的匯流過程及其水力特性，給出了道路匯流過程的流場(chǎng)圖及路面積水深度分布規(guī)律,得到以下結(jié)論:

(1) 徑流流速在不透水路面段入口處速度最大,沿程逐漸減小。

(2) 路面積水深度隨雨強(qiáng)增大而增大,積水深度在橫截溝處達(dá)到最大值。

(3) 模擬工況下該路段路面最大積水深度為1.63 cm,符合對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

(4) 在本文設(shè)定范圍內(nèi),橫截溝截流量與雨強(qiáng)呈正相關(guān)關(guān)系;而橫截溝截流率基本保持不變,約為2/3。