金山湖大口徑深層截流管道系統(tǒng)水力流態(tài)模擬研究

水處理網(wǎng)訊:導(dǎo)讀：《金山湖大口徑深層截流管道系統(tǒng)水力流態(tài)模擬研究》是鎮(zhèn)江沿金山湖CSO污染綜合治理工程9項專題研究之一，主要研究內(nèi)容包括TAP模型對大口徑排水管道系統(tǒng)浪涌分析、末端泵站計算流體力學(xué)（CFD）模型分析和跌水豎井CFD模型分析。該專題研究科學(xué)分析了鎮(zhèn)江金山湖大口徑管道系統(tǒng)的水力學(xué)、泵站運行和跌水豎井等問題，以規(guī)避涌浪流帶來的可能風險、輔助大口徑管道系統(tǒng)方案論證以及優(yōu)化泵站、豎井等構(gòu)筑物的設(shè)計。

1深層排水隧道浪涌的危害以及采用模型評估的重要性

深層排水隧道管道內(nèi)的水力流態(tài)非常復(fù)雜，隧洞內(nèi)水體會出現(xiàn)非滿流、無壓滿流、壓力流等不同流態(tài)。在隧道充滿過程中，涌浪流和過渡流（瞬變流）的流態(tài)很常見，這類不穩(wěn)定水力流態(tài)過程極易對管道產(chǎn)生非常不利的影響。

自由水流在封閉的管道內(nèi)流動而產(chǎn)生的空氣腔，水的壓力波在封閉的排水隧道內(nèi)上下傳播從而造成浪涌現(xiàn)象，水流在管道內(nèi)逐漸累積的壓力、沖擊力將導(dǎo)致管道破裂、污水滲漏甚至爆炸形成水柱直接沖出地面。

圖1強降雨時深隧產(chǎn)生氣爆水柱影像圖片

因此，采用水力學(xué)流態(tài)模型對深層隧道的流態(tài)、管道系統(tǒng)尾端泵站的水力分析顯得尤為重要。通過模型模擬可以分析在不同降雨工況下深層隧道水體流動狀態(tài)，評估并規(guī)避浪涌形成的風險。

2浪涌分析模型——TAP模型

（Transient Analysis Program）

由于深層排水隧道內(nèi)的空腔和壓力波是不連續(xù)的，具有較復(fù)雜的水力學(xué)現(xiàn)象，需要采用專業(yè)的水力分析模型進行模擬分析。TAP模型被廣泛應(yīng)用于全世界多個排水隧道項目中的隧道內(nèi)水力流態(tài)分析，是公認的、可有效預(yù)測分析給水和排水管道涌浪分析的工具。

TAP采用有限體積法全解一維圣維南方程，并引入Preissmann狹槽模擬壓力流。相較于InfoWorks ICM和MIKE Urban，TAP的優(yōu)勢在于其模擬步長在1s以下，并在模擬過程中會在保證結(jié)果收斂的基礎(chǔ)上自動計算各管節(jié)模擬所需的最小模擬步長并取該最小步長進行模擬；相較于SWMM5，TAP的優(yōu)勢在于可以將實際管道切分為若干管節(jié)進行模擬。這兩點優(yōu)勢使得精細化分析浪涌形成過程并在此基礎(chǔ)上量化浪涌程度成為可能。此外，TAP還具備以下特點：①用戶可以自定義Preissmann狹槽寬度，以根據(jù)需要減少因引入Preissmann狹槽而導(dǎo)致的系統(tǒng)總調(diào)蓄容積增加的影響；②可定義閘門、堰和水泵等系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點特征；③允許用戶根據(jù)需要自定義輸出結(jié)果的步長；④可根據(jù)其輸出結(jié)果計算系統(tǒng)排氣量。

2.1水力學(xué)流態(tài)浪涌分析

研究團隊依據(jù)鎮(zhèn)江大口徑系統(tǒng)初步設(shè)計資料，包括隧道、豎井、樞紐泵房及其它構(gòu)筑物等，利用TAP模型對大口徑系統(tǒng)進行建模，分析不同降雨工況下產(chǎn)生的浪涌現(xiàn)象對隧道及構(gòu)筑物的影響，根據(jù)基礎(chǔ)模型的模擬結(jié)果，提出相關(guān)的優(yōu)化方案，為設(shè)計提供指引。

圖2浪涌分析水力模型研究方法

圖3大口徑豎向示意圖

2.2 TAP模型的建立

將大口徑系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)數(shù)據(jù)輸入TAP模型，包括：

主隧相關(guān)信息，涵蓋直徑、長度、上下游標高、曼寧系數(shù)等構(gòu)筑物信息；

入流豎井節(jié)點信息，涵蓋入流豎井口高程及埋深；

泵房，涵蓋泵性能曲線、開閉水位、泵房吸水池、前池等信息。

2.3 模型工況

5個入流豎井的入流量采用SWMM模型導(dǎo)出模擬入流曲線，模型按照5年、10年、50年重現(xiàn)期分別進行降雨模擬，模型工況主要包括以下三種：

雨季快速填充工況（3小時，不同頻率降雨，1、30、50年一遇）

雨季穩(wěn)定狀態(tài)工況（24小時，不同頻率降雨，1、30、50年一遇）

實測大暴雨情況下的運行狀況（2014年7月27日）

圖4 50年一遇3小時降雨下各豎井流量入流過程

圖5 1年一遇24小時降雨下各豎井流量入流過程

圖6實測暴雨各豎井流量入流過程

2.4 模擬結(jié)果分析及風險識別

在所模擬的工況中，高重現(xiàn)期短歷時情況下（即50年一遇3小時工況），大口徑管道內(nèi)產(chǎn)生不利水力學(xué)流態(tài)的情況最為嚴重。最不利的涌浪現(xiàn)象比如負壓、氣穴、水面震蕩均出現(xiàn)在該工況下的快速填充過程中。

除了上述幾種情況，其他幾種工況均未出現(xiàn)其他不利的流態(tài)狀況，長歷時（24小時）下的各種設(shè)計暴雨，水位和流態(tài)比較平穩(wěn)，沒有涌浪現(xiàn)象發(fā)生。

3末端泵站CFD模型

流體動力學(xué)(CFD）模型模擬的核心目的是為了評估不同工況下泵站的水力學(xué)流態(tài)平穩(wěn)性以及泵站的安全運行情況，模擬泵站前池布局在不同進水水力條件下，泵站前池和吸水口附近的水力流場分布情況，優(yōu)化泵站布局設(shè)計，評估泵站內(nèi)流場、吸水口附近流速等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)，對現(xiàn)有泵站的前池結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計、整流構(gòu)筑物設(shè)計、水泵組合選型、機組平面布置設(shè)計、水力流道的設(shè)計和泵站的運行工況提出建議。

3.1 CFD模型的構(gòu)建

CFD分析軟件的流體分析過程一般包括以下過程：

圖7 CFD模型的構(gòu)建過程

本次建模的主要研究對象為8臺排澇泵，因此將泵站的幾何形狀和8臺泵組的設(shè)計方案輸入CFD模型中進行模擬。

3.2 模擬結(jié)果分析

模擬工況一：4組泵全開，泵站中心線縱剖

圖8 進水口的流速分布 T=0.5 s（左）T=2.0s（右）

圖9 進水口的流速分布 T=8s（左）T=10s（右）

圖10 進水口的流速分布 T=14s（左）T=19s（右）

模擬工況二：4組泵全開，泵組吸水口下縱斷面流態(tài)及流速分布

圖11 泵組吸水口附近的流速分布T=5s（左）T=9.6s（右）

模擬工況三：4組泵全開，吸水口側(cè)斷面的流態(tài)及流速分布

圖12 吸水口側(cè)斷面的流速分布T=5s（左）T=19s（右）

模擬工況四：單側(cè)一臺泵開，泵站底部平面

圖13 流速分布T=2s（左）T=10s（右）

模擬工況五：單側(cè)一臺泵開，水泵中心線所在縱斷面

圖14 流速分布T=2.5s（左）T=5s（右）

3.3 結(jié)論與建議

通過CFD模型模擬，對鎮(zhèn)江大口徑末端泵站的設(shè)計方案進行了水力評估，得出以下結(jié)論：

泵站前池內(nèi)流速分布不均，正對入流口的前方與上方的擋板，迫使進水向兩側(cè)和上方流動，流向改變角度大，進水口部分上下方形成較大的漩渦，同時破壞了流場自由擴散的形狀。

CFD模型和物理模型結(jié)果表明，泵站前池的流速分布雖然不均勻，但是接近吸水口附近時流態(tài)平穩(wěn)，沒有觀測到大的紊動流發(fā)生，基本滿足設(shè)計要求。

根據(jù)CFD模型結(jié)果的建議，設(shè)計方對于泵站每個泵組吸水口的形式做了調(diào)整，將側(cè)向進水的形式改為由正下方垂直進水。

4跌水豎井CFD模型

研究團隊還進行了擋板跌水豎井的設(shè)計，主要內(nèi)容包括：

豎井水力計算：調(diào)整各豎井進出水角度、跌水豎井干濕區(qū)占比、計算確定擋板尺寸、擋板間距、通氣孔尺寸等；

CFD模型驗證：校核水力計算結(jié)果能否使跌水結(jié)構(gòu)在水力消能的同時盡可能降低進入隧道的摻氣量。

專題研究聯(lián)合工作營團隊

項目總負責人：劉緒為、徐保祥

中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司

蔣平、王浩正、盛政、方帥、張磊、宋曉陽、袁勝楠、王艷芳、黃意兵、王強、張英旭、李彤、于中海、白永強、許懷奧、季小益

新地中聯(lián)工程設(shè)計有限公司

郭佳、彭東升、趙吉、蘇德慧

中國水利水電科學(xué)研究院

張東、王志剛、章晉雄、陳文創(chuàng)、張宏偉、張文遠、張蕊、高建標、項亞萍、胡順

江蘇滿江春城市規(guī)劃設(shè)計研究有限責任公司

傅源、穆軍偉、湯燕