城市雨水泵站側(cè)向出水箱涵整流措施模型試驗(yàn)

徐 輝，張喆鑫，張 睿，馮建剛

(河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

近年來，由于氣候變化以及人類活動等影響，造成城市內(nèi)澇排水問題愈加嚴(yán)重[1]。作為城市基礎(chǔ)建設(shè)重要設(shè)施的雨水泵站被廣泛應(yīng)用于城市的內(nèi)澇防治[2]。出水箱涵作為城市雨水泵站常用的出水建筑物，往往受城市規(guī)劃用地、周邊地形環(huán)境、已有建筑物以及已建管網(wǎng)系統(tǒng)等條件限制，使得出水箱涵的尺寸大小無法按照理想情況設(shè)置，尤其當(dāng)出水箱涵擴(kuò)散角過大時會產(chǎn)生回流、漩渦、偏流等不良流態(tài)[3-4]，易造成泥沙淤積及難以保障泵站出流滿足河道通航要求等一系列問題[5-6]。

物理模型試驗(yàn)是研究泵站水力特性及其整流措施的一種有效手段，國內(nèi)外學(xué)者圍繞泵站水力流態(tài)展開了深入的研究[7-11]。Nakato[12]在Chicot湖取水泵站模型試驗(yàn)研究中，通過1∶24的泵站前池模型試驗(yàn)研究了泥沙淤積分布和前池的平均流速、平均水深以及水流流態(tài)之間的密切關(guān)系；王曉升等[13]通過物理模型試驗(yàn)，對分水閘站樞紐分水池產(chǎn)生不良流態(tài)的原因進(jìn)行了分析，指出V形底坎能顯著增強(qiáng)分水池水流的側(cè)向擴(kuò)散能力,有效改善分水池中的水流流態(tài)；羅海軍等[14]采用物理模型試驗(yàn)方法對排水泵站進(jìn)水系統(tǒng)的水力流動特性進(jìn)行了分析研究，通過在閘門井內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流墩，在有效提高進(jìn)水箱涵配水均勻性的同時顯著改善了泵站前池和進(jìn)水池的水流流態(tài)；張睿等[15]通過物理模型與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，針對斜向管涵進(jìn)流雨水泵站箱涵的水流流態(tài)，在閘門井內(nèi)設(shè)計(jì)布置了3種不同的整流措施，顯著改善了閘門井、箱涵以及前池進(jìn)口處的不良流態(tài)；Zi等[16]采用物理模型與數(shù)值分析相結(jié)合的方法研究了大型泵站進(jìn)水流場中的組合式導(dǎo)流墩在大型泵站進(jìn)水系統(tǒng)整流方面的效果與作用。對于出水系統(tǒng)的研究，張春輝等[17]針對泵站壓力儲水箱涵進(jìn)行了物理模擬試驗(yàn)，通過在壓力出水箱涵內(nèi)的隔墩上開孔來達(dá)到使各通道流量平均分配的目的，從而有效改善了箱涵出口處的流態(tài)。目前針對泵站水力特性的研究主要關(guān)注進(jìn)水系統(tǒng)，對于出水系統(tǒng)尤其是出水箱涵方面的研究較少。

圖3 初始方案出水箱涵出口斷面垂線平均流速分布(單位：m/s)

上海某雨水泵站設(shè)計(jì)規(guī)模為22.2 m3/s，采用了8臺軸流泵，由于受場地面積、施工條件等限制，采用了8孔出流的側(cè)向出水箱涵設(shè)計(jì)方案，同時因?yàn)槌鏊浜w長度偏短，導(dǎo)致箱涵擴(kuò)散角偏大。為分析其出水系統(tǒng)水力流動特性，本文采用物理模型試驗(yàn)研究該泵站出水箱涵內(nèi)存在的水力學(xué)問題，并提出優(yōu)化措施改善出水系統(tǒng)水力流動特性，以期為工程設(shè)計(jì)與建設(shè)提供參考。

1 物理模型設(shè)計(jì)

圖1 泵站出水系統(tǒng)主體部分水力模型

2 初始方案出水箱涵流態(tài)分析

2.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)在兩種外河水位下進(jìn)行，泵站出水系統(tǒng)初始方案試驗(yàn)工況如表1所示。為了分析出水箱涵的出水流態(tài)，在出水箱涵的出口處設(shè)置測速斷面，采用光電流速儀測量流速，由計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，可同時測得多點(diǎn)流速。局部重點(diǎn)測點(diǎn)采用三維剖面流速儀(ADV)測量流速。光電流速儀和三維剖面流速儀的精度均為±1.0%，故流速的相對誤差為±1.0%。出水箱涵布置見圖2。

表1 泵站出水系統(tǒng)初始方案試驗(yàn)工況

圖2 初始方案出水箱涵總體布置示意圖(單位：mm)

2.2 出水箱涵出口水力分析

平潮工況不同外河水位下的出水箱涵出口斷面垂線平均流速如圖3所示，不同外河水位下出水箱涵各孔流量分配系數(shù)見表2。由圖3和表2可見，兩種典型工況出水箱涵出流的規(guī)律是相似的，出水箱涵中部兩孔出口流速較大，兩側(cè)邊孔出口流速較低，總體上出水箱涵水流擴(kuò)散不良，出水箱涵出口流量存在分布不均、主流居中且出口兩側(cè)出流較小的問題。

表2 初始方案出水箱涵各孔流量分配系數(shù)

當(dāng)外河水位為設(shè)計(jì)最高水位3.90 m時，出水箱涵擴(kuò)散角較大，出水箱涵內(nèi)部擴(kuò)散段水流擴(kuò)散不良，出水箱涵出口流速與流量呈現(xiàn)不均勻分布，出口處主流居中且出口兩側(cè)出流較小，各孔流量分配系數(shù)最大差值達(dá)到17.03%。當(dāng)外河水位為設(shè)計(jì)平均水位2.80 m時，出水箱涵擴(kuò)散段水流擴(kuò)散不良，出口斷面存在主流居中的問題，兩側(cè)邊孔出流較少、流速極低，各孔流量分配系數(shù)最大差值達(dá)到17.33%。

3 出水箱涵整流措施

3.1 出水箱涵整流措施設(shè)計(jì)

針對泵站出水箱涵擴(kuò)散角偏大、出口流速分布不均等一系列問題，在不改變泵站主體結(jié)構(gòu)的情況下，采用合理的工程整流措施來改善泵站內(nèi)不良的水力流態(tài)，對于泵站的安全高效運(yùn)行至關(guān)重要。泵站出水系統(tǒng)優(yōu)化方案出水箱涵整流措施如圖4所示，模型實(shí)物如圖5所示。

圖4 組合式整流措施布置(單位：mm)

圖5 組合式整流措施模型布置

在出水箱涵左右側(cè)第二道隔墻G2、G6頭部增設(shè)導(dǎo)流短墩。導(dǎo)流墩的工作原理是通過不同角度導(dǎo)流墩的導(dǎo)流作用，對來流進(jìn)行分割并強(qiáng)迫其轉(zhuǎn)向[18]，從而減小出水箱涵平面擴(kuò)散角，在平面上均化水流。因此增設(shè)導(dǎo)流短墩可以對出水箱涵進(jìn)口處的后兩孔水流分別進(jìn)行調(diào)整，使進(jìn)入兩側(cè)擴(kuò)散段的水流再分為左右流量大致相近的兩股，為出水箱涵8個孔口均勻出流提供基礎(chǔ)。導(dǎo)流短墩頂部和底部分別與出水箱涵的頂面和底面相接，導(dǎo)流短墩的寬度為0.30 m、長度為2.25 m。經(jīng)多方案比較，得到相對較優(yōu)的布置方案，即隔墻G2上游端的導(dǎo)流短墩頭部與隔墻G4的間距為1.41 m，隔墻G6上游端的導(dǎo)流短墩頭部與隔墻G4的間距為1.71 m。間距太小或太大都會導(dǎo)致兩孔水流產(chǎn)生分布不均的問題。

在導(dǎo)流短墩已經(jīng)確定的基礎(chǔ)上，在出水箱涵擴(kuò)散段和出流段分別加設(shè)整流措施。如圖4所示，在出水箱涵擴(kuò)散段的4個流道各布置1道底坎，對初步分流的水流進(jìn)行整流，使其得到初步的擴(kuò)散，從而使得4個流道中的水流流量分配得到一定的優(yōu)化。4個底坎的寬度均為0.30 m，3個底坎長度為1.20 m，另一個為1.35 m，底坎的長度過小將無法起到有效的向外挑流和均衡水流橫向分布作用，太大則會導(dǎo)致局部水力損失過大。在底坎之后布置一道靠近頂板的組合梁，以此對擴(kuò)散段水流進(jìn)行垂向和水平方向上的進(jìn)一步整流，保障出水箱涵各流道中水流的均勻性。在出水箱涵出流段布置一道靠近頂板的組合梁，對靠近出口處的水流進(jìn)行垂向和水平方向上的整流，降低表層的流速，使其主流下壓，從而改善出水箱涵8個孔口水流流速分布的均勻性。

3.2 優(yōu)化方案改善效果

出水箱涵進(jìn)口處的兩孔水流在流經(jīng)增設(shè)的兩道導(dǎo)流短墩之后，導(dǎo)流短墩對來流進(jìn)行分割，減小了出水箱涵平面擴(kuò)散角，在平面上均化了水流。根據(jù)來流方向，將4個流道從右到左分別記為流道1～4，在不同外河水位下，來流在出水箱涵左右側(cè)第二道隔墻處(圖4中G2、G6處)的流量分配系數(shù)對比見表3，可見增設(shè)導(dǎo)流短墩后，4個流道水流的流量分配系數(shù)得到了顯著的改善。

圖6 優(yōu)化方案出水箱涵出口斷面垂線平均流速分布(單位：m/s)

表3 整流前后出水箱涵內(nèi)部流量分配系數(shù)對比

不同外河水位下的出水箱涵出口斷面垂線平均流速如圖6所示，不同外河水位下出水箱涵各孔流量分配系數(shù)見表4，兩種典型工況出水箱涵出流的規(guī)律大致相似，出水箱涵出口中部6孔流量稍大，兩側(cè)邊孔流量略小，總體上較為均勻。各孔流速分布雖稍有不均，但較初始方案已顯著優(yōu)化。

表4 優(yōu)化方案出水箱涵各孔流量分配系數(shù)

在增設(shè)整流措施之后，當(dāng)外河水位3.90 m時，出水箱涵出口平均流速為0.23 m/s，最大垂線平均流速為0.28 m3/s，出水箱涵各孔的流量分配系數(shù)最大差值為5.10%；當(dāng)外河水位2.80 m時，出水箱涵出口平均流速為0.24 m/s，最大垂線平均流速為0.29 m/s，出水箱涵各孔的流量分配系數(shù)最大差值為3.10%，此時出水箱涵各孔的流量分配系數(shù)與初始方案相比，流量分配系數(shù)最大差值在兩種外河水位下分別降低了11.94%和14.23%。

優(yōu)化方案增設(shè)的組合式整流工程措施均有一定的阻水作用，會造成出水箱涵內(nèi)水力損失增大，導(dǎo)致整個出水系統(tǒng)的運(yùn)行效率下降，但整流措施的增設(shè)又改善了水流均勻性從而減小了出水箱涵內(nèi)的水力損失。當(dāng)外河水位在3.90 m和2.80 m時，初始方案水力損失分別為0.10 m和0.12 m，而優(yōu)化方案水力損失分別為0.12 m和0.15 m，由試驗(yàn)可以得出增設(shè)整流工程措施引起的附加水力損失總體較小，且出水系統(tǒng)水力損失隨外河水位降低而增大。

采用軸向流速均勻度Vu來定量檢驗(yàn)整流措施的整流效果，以此來判斷出水箱涵出口斷面的軸向(順?biāo)鞣较?流速分布的均勻程度[19-21]，Vu越接近100%，表明出水箱涵出口處水流軸向速度分布越平均。Vu計(jì)算公式為

(1)

式中：va為斷面平均軸向流速；vai為斷面各測點(diǎn)的軸向流速；n為斷面上的測點(diǎn)數(shù)。

由式(1)可計(jì)算得到外河水位在3.90 m和2.80 m時，初始方案出水箱涵出口斷面的流速均勻度分別為71.64%和70.36%，而優(yōu)化方案出水箱涵出口斷面的流速均勻度分別為98.05%和98.84%，整流前后流速的均勻度在兩種外河水位下分別提升了26.41%和28.48%，可見采用整流措施后，出水箱涵出口斷面的流速均勻度得到了顯著改善。

4 結(jié) 論

a.對于泵站初步設(shè)計(jì)方案而言，出水箱涵內(nèi)部存在水流擴(kuò)散不良、流態(tài)較為紊亂、出口流量分布不均的問題，流量分配系數(shù)最大差值較大，在兩種外河水位下分別達(dá)到了17.04%和17.33%。

b.通過在出水箱涵首段增設(shè)短導(dǎo)流墩、擴(kuò)散段加設(shè)不同長度底坎和近頂板組合橫梁，較好地加強(qiáng)了出水箱涵內(nèi)水流的擴(kuò)散能力，出水箱涵各孔流量平均分配，出水箱涵出口水流較為均衡，流速橫向分布較原方案顯著優(yōu)化，有效減弱了初始方案中出水箱涵出口主流居中的問題，出水箱涵各出口的流量分配較為均勻，整流前后流速均勻度在兩種外河水位下分別提升了26.41%和28.48%；流量分配系數(shù)最大差值在兩種外河水位下分別降低了11.94%和14.23%。