深層排水系統(tǒng)中豎井及泵站模型研究及應(yīng)用

袁勝楠 白永強劉緒為 方帥

【摘 ? ?要】：針對深層排水系統(tǒng)中豎井結(jié)構(gòu)對跌水消能效果、匯流過渡段水流流態(tài)、關(guān)鍵部位壓力、流速分布等水力特性的影響及泵站前池形式對水泵吸水口水流流態(tài)的影響，以實際工程為例，依據(jù)重力相似準則，構(gòu)建豎井和泵站的水工物理模型，根據(jù)模擬結(jié)果結(jié)果優(yōu)化豎井和泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計，得到消能效果更好的折板式消能豎井結(jié)構(gòu)及流態(tài)更優(yōu)的泵站結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】：豎井；泵站；折板消能；流態(tài)；深層排水系統(tǒng)

【中圖分類號】：TU992.25【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）02-01-06

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.001

Research and Application of Shaft and Pump Station Model in

Deep Drainage System

YUAN Shengnan， LIU Xuwei， BAI Yongqiang， FANG Shuai

（North China Municipal Engineering Design & Research Institute Co. Ltd.， Tianjin 300381，China）

【Abstract】：This paper focuses on the energy dissipation effect of the shaft structure on the falling water in the deep drainage system， the flow state of the confluence transition section， the pressure of key parts， the flow velocity distribution and other hydraulic characteristics， and the influence of the form of the pump station forebay on the water flow state of the pump suction port. The paper takes a pratical project as an example， based on the gravity similarity criterion constructs the hydraulic physical model of the shaft and the pumping station. According to the simulation results， the paper optimizes the structural design of the shaft and the pumping station， and obtains a folded-plate energy-dissipating shaft structure with a better energy dissipation effect and a more fluid state.

【Key words】：shaft; pump station； fold plate energy dissipation; hydraulic character; deep drainage system

我國城鎮(zhèn)中的老城區(qū)面臨的主要問題是合流制溢流污染（CSO）和內(nèi)澇風(fēng)險[1]，老城區(qū)地上建筑密集、地下管線復(fù)雜，通過建設(shè)淺層地下排水管道來提高排水標準和完善截污系統(tǒng)異常困難且代價巨大；因此，利用地下深層空間建設(shè)大型排水隧道成為國外許多發(fā)達城市的選擇。目前，地下深層排水技術(shù)已廣泛應(yīng)用于巴黎、東京等城市的水污染防治和排洪防澇中并取得了較好效果；我國廣州、上海等城市也在積極探索其應(yīng)用[2]。

深層排水系統(tǒng)通常由預(yù)處理單元、入流豎井、傳輸隧道和末端泵站組成。作為淺層與深層排水管道的銜接過渡設(shè)施，為適應(yīng)地形條件和滿足匯水要求，入流豎井入流量大小不一且入流方向及高程各異，從而導(dǎo)致深層排水系統(tǒng)運行條件、方式和水力特征復(fù)雜并伴隨摻氣、排氣現(xiàn)象。對于這些復(fù)雜的水流現(xiàn)象，目前理論分析計算還不能解決實際工程問題；因此，研究豎井消能效果與匯流過渡段水流流態(tài)，確定關(guān)鍵部位的壓力分布和流速分布，論證豎井銜接段的水力特性，指導(dǎo)入流豎井型式和布置構(gòu)造十分必要[3～4]。同時，末端泵站承擔(dān)著整個排水系統(tǒng)的排水任務(wù)，其運行狀態(tài)是否良好直接影響整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，不同工況下泵站前池水位、運行機組數(shù)量各不相同，前池、水泵進水口等流態(tài)各異，可能對水泵的運行效率、安全性、耐久性等產(chǎn)生影響；因此，需要對排洪泵組各種典型運行工況的水力條件進行模擬，試驗排水泵站水泵進水通道結(jié)構(gòu)可行性，針對存在問題提出必要和合理的整流措施，優(yōu)化水泵進水通道的水流條件，為流道設(shè)計和水泵的安全可靠運行提供科學(xué)依據(jù)[5～7]。

1 工程概況

鎮(zhèn)江沿金山湖CSO溢流污染綜合治理工程深層排水系統(tǒng)由淺層匯水系統(tǒng)、入流豎井、深層大口徑管道和末端多功能泵站組成，服務(wù)面積約8.79 km2。系統(tǒng)包括長6.2 km、坡度1‰的大口徑管道，5座采用折板消能形式的淺層入流豎井及1座采用沉井施工的末端多功能雨水泵站。見圖1和表1-表2。

2 模型設(shè)計及測試方案

2.1 模型設(shè)計

2.1.1 豎井模型

根據(jù)折板豎井的結(jié)構(gòu)特點及水力學(xué)特征，依據(jù)重力相似準則建立模型。模型幾何比尺為1∶15，其他物理量比尺可根據(jù)重力相似準則換算得到：幾何比尺λL=15，流速比尺λV=λL0.5=3.87，時間比尺λt=λL0.5=3.87，流量比尺λQ=λL2.5=871.42。

模擬折板式豎井、鄰近豎井的淺層系統(tǒng)連接段、豎井上下游部分大口徑頂管段等。為便于觀測，整個模型全部采用有機玻璃制作，供水通過鋼管由試驗廳供水系統(tǒng)提供。

2.1.2 末端泵站模型

根據(jù)末端泵站的體型尺寸、泵站喇叭口尺寸、泵站前池及喇叭口進口附近的水力特征，模型試驗中幾何比尺選擇1∶10，其他物理量比尺可根據(jù)重力相似準則換算得到：幾何比尺Lr=10，流速比尺Vr=Lr0.5=3.16，時間比尺tr=tr0.5=3.2，流量比尺Qr=Lr2.5=316.2，糙率比尺nr=nr1/6=1.468。

渦旋模擬是泵站水力學(xué)模型試驗的關(guān)鍵任務(wù)之一，若水泵進水通道體型設(shè)計不當(dāng)，易引起漩渦，降低水泵運行效率，導(dǎo)致水泵振動和損壞。由于渦旋形成的因素較為復(fù)雜，如邊界條件、來流條件、水的表面張力等，因此渦旋的模擬比較復(fù)雜且須考慮縮尺效應(yīng)對漩渦生成及強度的影響。美國相關(guān)的水泵進水口模型試驗標準ANSI/HI 9.8—2012認為：當(dāng)模型徑向雷諾數(shù)＞6.0×104，韋伯?dāng)?shù)＞240時，即可忽略模型的縮尺效應(yīng)。

根據(jù)末端泵站的運行設(shè)計，小排澇泵的原型過流量為2.00 m3/s，對應(yīng)的吸水管喇叭口直徑為846 mm；大排澇泵的原型過流量為4.33 m3/s，對應(yīng)的吸水管喇叭口直徑為1 410 mm。對于幾何比尺為1∶10的模型，易求得末端泵站模型中大、小排洪泵吸水管中水流的徑向雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)。

小排澇泵徑向雷諾數(shù)[Rr=4QνπD≈9.4×104]

式中：Q為流量；[ν]為流速；D為管道直徑。

韋伯?dāng)?shù)[Wb=ρu2Dσ=1 471]

式中：[ρ]為水的密度；u為特征流速；[σ]為水的表面張力系數(shù)。

大排澇泵徑向雷諾數(shù)[Rr=4QνπD≈12.3×104]

韋伯?dāng)?shù)[Wb=ρu2Dσ=1 489]

模型徑向雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)的計算結(jié)果均大于界限值，縮尺效應(yīng)對渦旋特征的影響可以忽略，可認為模型漩渦與原型漩渦有良好的相似性。結(jié)合末端泵站結(jié)構(gòu)特點及水流特點，將泵站模型設(shè)計為自循環(huán)式，模擬泵站前池、排洪泵吸水管及喇叭口、泵站進水口鄰近的大口徑頂管；用有機玻璃制作，以便于進行流態(tài)觀測。尾水池為磚混結(jié)構(gòu)。

2.2 測量布置

1）壓力測點布置見表3。

2）水墊水深和水舌落點測量位置見表4。

3）流速測點。為更加清晰地了解末端泵站的流動結(jié)構(gòu)和流速特征，選擇10條典型測線進行流速測量。每條典型測線均以距底50 cm作為臨底流速測點并以此為起點向上以間隔100 cm進行其他流速測點的布置。

2.3 測試方法

1）水流流態(tài)：人工觀測記錄描述，必要時借助顏色水顯色技術(shù)（高濃度的高錳酸鉀溶液）輔助觀測。

2）流量：量程為0～80 m3/h、精度為0.5%的電磁流量計。

3）動水壓強：壓力傳感器。

4）水墊水深和水舌挑距：讀數(shù)精度為±0.5 mm的鋼板尺。

5）表面漩渦：有色液體或碎屑輔助下進行觀測并有攝像設(shè)備隨時錄像，保存視頻資料以備查驗校核。

6）水內(nèi)漩渦：借助顏色水顯色技術(shù)（高濃度的高錳酸鉀溶液）輔助觀測并有攝像設(shè)備隨時錄像，保存視頻資料以備查驗校核。

7）預(yù)旋測試：高濃度的高錳酸鉀溶液顯色觀測，并以視頻錄像做輔助。

8）吸水管內(nèi)水流旋度測試：旋度計。

9）流速：聲學(xué)多普勒測速儀（MicroADV）。

3 試驗工況及條件

3.1 迎江路泵站節(jié)點豎井

迎江路泵站節(jié)點豎井的設(shè)計過流流量為2.15 m3/s，選擇4組典型工況對豎井入流、出流結(jié)構(gòu)的水流流態(tài)、水力特性、氣泡分布及運動規(guī)律等進行研究。見表5。

3.2 平政橋泵站節(jié)點豎井

平政橋泵站節(jié)點豎井布置了2個入流管道，上層入流管道設(shè)計過流量為2.55 m3/s，下層入流管道設(shè)計過流量為7.77 m3/s。選擇4組典型工況對豎井入流、出流結(jié)構(gòu)的水流流態(tài)、水力特性、氣泡分布及運動規(guī)律等進行研究。見表6。

3.3 江濱泵站節(jié)點豎井

江濱泵站節(jié)點豎井的設(shè)計過流流量為9.71 m3/s，選擇4組典型工況對豎井入流、出流結(jié)構(gòu)的水流流態(tài)、水力特性、氣泡分布及運動規(guī)律等進行研究。見表7。

3.4 末端多功能泵站

根據(jù)末端泵站的運行工況，1#泵運行時，啟動液位與停泵液位相同，均為-7.00 m；2#泵運行時，其啟動液位為-5.50 m，停泵保護液位為-7.00 m，即2臺泵運行的最低液位為-7.00 m；當(dāng)3臺或更多泵運行時，設(shè)計運行工況中均提供了啟動液位。提水流量相同，泵站中水位越低，越易出現(xiàn)漩渦等不利流態(tài)；因此，工況主要考慮各種數(shù)量排洪泵運行時最低水位對應(yīng)的工況。見表8。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 迎江路泵站節(jié)點豎井

4.1.1 水流流態(tài)

4組典型工況下，進水管均為滿流，從首層折板的渠道堰溢流后逐層跌落，在下方折板及消能池中形成比較穩(wěn)定的消能水墊，各折板之間流態(tài)銜接良好。見圖2。

隨入流流量增大，各層折板上的水墊水深呈增大趨勢，自第2層折板跌落后，水舌挑距增幅較小。各層折板之間水舌挑距相近，即各層折板出口處的流速相近，水流逐級跌落過程中能量沒有明顯積累增大，在折板間距確定的情況下，兩層折板之間的水舌挑距與折板出口邊沿的水流流速有關(guān)，初步判斷，折板豎井的消能效果良好。

首層折板的渠道堰背面均形成空氣腔，水流較不穩(wěn)定，水舌有明顯的擺動現(xiàn)象，當(dāng)流量＞1.43 m3/s時，部分水流越過第1層折板直接跌落至第2層折板，可能增強對第2層折板的沖擊作用。

消能池形成的水墊水深均大于溢流堰1 m的堰高。工況1～3水流跌落至消能池，紊動劇烈并產(chǎn)生較多氣泡，水流挾帶氣泡從堰頂溢流至大口徑頂管。隨著入流量的增大，水舌挑距逐漸增大，水流紊動增強，頂管中的水流為明流，水流平穩(wěn)地在豎井內(nèi)轉(zhuǎn)彎過渡。工況4水流逐級跌落至第7層折板，在被淹沒的第7層折板上方產(chǎn)生旋渦和氣泡，氣泡在觸及第7層折板之前即上浮釋放，試驗過程中，未見氣泡繞過擋墻及進入豎井干區(qū)水域。水舌均穩(wěn)定跌落在下方折板上，隨著水流往下跌落，水墊水深和水舌挑距變化不大，豎井的消能效果良好。見圖3。

工況1～3管中的水流為明流，水流平穩(wěn)地在豎井內(nèi)轉(zhuǎn)彎過渡；工況3消能池內(nèi)激起的水花越過溢流堰跌落至頂管入口處，引起管內(nèi)水面波動。工況4頂管滿流，試驗過程中未發(fā)現(xiàn)豎井內(nèi)的氣泡進入管內(nèi)。

4.1.2 管道進氣及漩渦

設(shè)計流量運行下，不同豎井水深均未見大口徑管道入口處出現(xiàn)有危害的漩渦。豎井水深＜3.85 m時，大口徑管處于明流狀態(tài)；豎井水深為3.90～4.08 m時，大口徑管處于明滿流臨界狀態(tài)，大量成團大氣泡頻繁冒入大口徑管內(nèi)，在大口徑管頂部形成長條氣囊；豎井水深＞4.30 m時，鮮有氣泡進入大口徑管內(nèi)。迎江路泵站節(jié)點豎井的入流流量和管道匯入流量均較小，大口徑管頂部形成的氣囊未被水流挾帶至下游。

4.1.3 動水壓力

豎井內(nèi)各層折板及消能池底板上的時均壓力分布規(guī)律相同，相同工況下，時均壓強大小相近，實測最大時均壓力僅14.23 kPa，表明逐級折板跌流消能效果良好；不同工況下，各典型位置均未出現(xiàn)負壓。

4.1.4 頻譜分析

豎井內(nèi)水流脈動壓力的主頻一般＜2.5 Hz，壓力脈動能量集中在5 Hz以下的范圍，最大脈動壓力均方根值為5.98 kPa。豎井結(jié)構(gòu)的第1階自振頻率為23.75 Hz，第2～10階自振頻率均在35 Hz以上。豎井的固有頻率與豎井中水流的主頻相差較大，水流脈動不會引起豎井結(jié)構(gòu)共振。

4.2 平政橋泵站節(jié)點豎井

4.2.1 水流流態(tài)

豎井滿足2個進水管共泄10.32 m3/s的設(shè)計過流量要求。上層進水管過流量為0.85 m3/s時，管內(nèi)水流為明流；過流量＞1.70 m3/s時，管內(nèi)水流為滿流。下層進水管過流量＜5.18 m3/s時，管內(nèi)水流為明流，過流量＞7.77 m3/s時，管內(nèi)水流為滿流；上下兩層進水管內(nèi)的水流平穩(wěn)。

第1層和第3層折板上的渠道堰背面均形成空氣腔，水流較不穩(wěn)定，水舌有明顯擺動現(xiàn)象。第1層從渠道堰直墻段跌落的水舌落點較為接近折板邊緣，上層進水管消能效果欠佳；第3層渠道堰跌落的水流與自第2層折板跌落的水流在空中交匯碰撞，交匯水流擺動較大。

各層折板以及消能池上能夠形成比較穩(wěn)定的消能水墊，逐級跌流在折板上的水墊水深和水舌挑距變化不大，折板消能豎井的消能效果良好。

小流量和設(shè)計流量低水位工況，濕區(qū)水流從消能池溢流堰頂?shù)渲粮蓞^(qū)管段存在水流摻氣現(xiàn)象，不影響大口徑頂管明流的運行；設(shè)計流量高水位工況，大口徑頂管的水流為滿流，豎井內(nèi)的氣泡在濕區(qū)上浮釋放，沒有出現(xiàn)氣泡進入頂管的現(xiàn)象。

4.2.2 管道進氣及漩渦

設(shè)計流量運行下，豎井水深＜3.67 m時，大口徑管處于明流狀態(tài)；豎井水深為3.75～4.10 m時，大口徑管處于明滿流臨界狀態(tài)，大量成團大氣泡頻繁冒入大口徑管內(nèi)；豎井水深為4.15～4.38 m時，大口徑管入口出現(xiàn)間斷吸氣漩渦，卷入氣泡進入大口徑管洞內(nèi)；豎井水深＞4.53 m時，大口徑頂管進口處的漩渦及進氣現(xiàn)象消失。

4.2.3 動水壓力

各層跌落水流沖擊區(qū)以及消能水墊區(qū)的時均壓強相對較大，折板邊緣位置時均壓強較??；不同工況下，各典型位置的時均壓強均為正壓。設(shè)計流量下，折板上的最大時均壓強僅為30.39 kPa，壅水水墊區(qū)壓強分布比較均勻。

第2層和第4層折板跌流沖擊區(qū)附近的水流脈動壓力較大，實測最大脈動壓力均方根值分別為3.32、3.84 kPa，分別為時均壓力值的52.6%、22.2%；消能池底板的跌流沖擊區(qū)水流脈動壓力較大，最大脈動壓力均方根值達9.81 kPa，為時均壓力值的35.5%?？傮w上看，脈動壓力不大，不會對折板消能豎井的安全造成威脅。

4.2.4 頻譜分析

豎井內(nèi)水流脈動壓力的主頻＜2 Hz，壓力脈動能量集中在5 Hz以下的范圍。結(jié)構(gòu)的第1階自振頻率為17.17 Hz，第2～10階自振頻率均在25 Hz以上。豎井結(jié)構(gòu)的固有頻率與豎井中水流的主頻相差較大，水流脈動不會引起豎井結(jié)構(gòu)共振。

4.3 江濱泵站節(jié)點豎井

4.3.1 水流流態(tài)

過流量為3.24 m3/s時，進水管內(nèi)水流為平穩(wěn)順暢的明流，渠道堰下游面形成分離空腔，水流比較穩(wěn)定；過流量為6.47 m3/s時，進水管內(nèi)水流處于滿流向明流轉(zhuǎn)換的過渡流態(tài)，出口段水面有波動，渠道堰拱墻段下游面存在不穩(wěn)定渦管，過堰水流水舌擺動較大，渠道堰直墻段跌落的水股間歇地越過第1層折板邊緣直接跌落至第2層折板；過流量為9.71 m3/s時，進水管的水流為滿流。

折板以及消能池上能夠形成比較穩(wěn)定的消能水墊，水舌均穩(wěn)定跌落在下方折板上，隨著水流往下跌落，水墊水深和水舌挑距變化不大，折板豎井的消能效果良好。

小流量和設(shè)計流量低水位時，濕區(qū)水流從消能池溢流堰頂?shù)渲粮蓞^(qū)管段，大口徑頂管的水流為明流，水流在豎井內(nèi)明渠管段轉(zhuǎn)彎過渡的流態(tài)平穩(wěn)；設(shè)計流量高水位時，大口徑頂管的水流為滿流，豎井內(nèi)的氣泡在濕區(qū)上浮釋放，未發(fā)現(xiàn)氣泡進入頂管的現(xiàn)象。

4.3.2 管道進氣及漩渦

設(shè)計流量運行下，豎井水深＜3.78 m時，大口徑管處于明流狀態(tài)；豎井水深為3.90～4.08 m時，大口徑管處于明滿流臨界狀態(tài)，大量成團大氣泡頻繁冒入大口徑管內(nèi)；豎井水深為4.08～5.43 m時，大口徑管入口出現(xiàn)間斷吸氣漩渦，挾帶氣泡進入大口徑管洞內(nèi)；豎井水深達6.93 m時，大口徑管入口前的水面偶爾出現(xiàn)表面漩渦，漩渦吸氣現(xiàn)象消失。

4.3.3 動水壓力

設(shè)計流量下，折板最大時均壓力僅為23.10 kPa，消能水墊區(qū)壓力分布比較均勻。第1層折板邊緣存在負壓，但負壓值較小，不會引起空化水流。實測折板及消能池底板水流脈動壓力均方根值的最大值為6.42 kPa，水流脈動壓力不大。

4.3.4 頻譜分析

水流脈動的主頻＜2 Hz，壓力脈動能量集中在5 Hz以下的范圍。豎井結(jié)構(gòu)的第1階自振頻率為10.42 Hz，第2～10階自振頻率均在20 Hz以上。豎井的固有頻率與豎井中水流的主頻相差較大，水流脈動不會引起豎井結(jié)構(gòu)共振。

4.4 末端多功能泵站

1）當(dāng)較少數(shù)量的排澇泵運行時（如1臺或2臺），末端泵站各典型區(qū)域內(nèi)的水面均較為平靜；隨著排澇泵運行數(shù)量的增多，泵站進口前池及中心前池中會出現(xiàn)上涌水股且上涌水流強度隨水泵運行數(shù)量的增加而增強，同時表面會形成橫向的流動。當(dāng)8臺泵同時運行時，進口前池及中心前池中的上涌水股強度最大，受其影響，進口前池中的水面出現(xiàn)明顯壅高，最大壅高幅度約0.2 m。

2）在各典型工況下，排澇泵正向前池內(nèi)水面均比較平穩(wěn)，各水泵的正向前池內(nèi)均沒有生成表面漩渦及水內(nèi)漩渦。泵站入流導(dǎo)致進口前池臨近底部存在明顯的射流區(qū)，受其影響，在射流區(qū)上部及下部形成了橫軸漩渦。比較泵站進口前池遠端垂向流速分布及側(cè)向流道內(nèi)的垂向流速分布可知，泵站入流主要通過遠端壁面高位孔進入了中心前池中，然后向兩側(cè)泵站分流。

3）各典型工況下，各排澇泵吸水管內(nèi)的10 min平均渦旋角及10 min最大渦旋角均＜5°，滿足泵站正常運行時對吸水管渦旋角的要求。吸水管喇叭口處的流速分布較為均勻，斷面內(nèi)各流速測點的最大時均流速空間偏差及最大流速波動偏差分別為4.69%、3.59%，均＜10%，滿足泵站喇叭口進流要求。在-7.0～-1.0 m運行時，各水泵對應(yīng)的正向前池內(nèi)均未出現(xiàn)不良流態(tài)，滿足水泵的運行要求。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

根據(jù)物理試驗結(jié)果，在各種典型工況下，折板上及消能池中均可形成穩(wěn)定的消能水墊且各層折板上跌落水流的挑距及水流流態(tài)無明顯變化，說明折板消能豎井的消能效果良好，折板間距的取值合理。

典型小流量工況和設(shè)計流量低水位工況時，大口徑管道為明流流態(tài)；設(shè)計流量高水位工況時，大口徑管道的水流為滿流，此時水流在折板間跌落過程中產(chǎn)生的氣泡均在濕區(qū)內(nèi)完成上浮釋放，試驗中未觀測到氣泡進入大口徑管道的現(xiàn)象。

在設(shè)計流量運行工況時，不同豎井水深均未見大口徑管道入口處出現(xiàn)有危害的漩渦。當(dāng)水流為明流或處于明滿流臨界狀態(tài)，大量成團大氣泡頻繁冒入大口徑管道，在管道頂部形成長條氣囊，隨著豎井內(nèi)水深增加，管道入口先是出現(xiàn)間斷吸氣漩渦，挾帶氣泡進入管道內(nèi)，豎井水深再增加入口處的表面漩渦偶爾出現(xiàn)，漩渦吸氣現(xiàn)象隨之消失。典型折板上的時均壓力分布合理，不會誘發(fā)空化水流；同時，水流脈動均不會引起豎井結(jié)構(gòu)共振。

5.2 建議

1）豎井增設(shè)堰后通氣通道并適當(dāng)調(diào)整渠道堰的布置或適當(dāng)加長第1層折板長度。

2）豎井頂部設(shè)置排氣孔，避免洞內(nèi)滯留氣團形成壓縮氣囊引起不穩(wěn)定水流。

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