倒虹吸隧道智能排污結構構想與數值分析

王路生， 姚佳良，*， 芮勇勤

(1. 長沙理工大學交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114； 2. 東北大學資源與土木工程學院， 遼寧 沈陽 110819)

0 引言

隨著全球氣候變暖,極端暴雨災害的發生日趨頻繁，由于城市管網的設計標準偏低、老化及泄水能力有限等導致越來越多的城市發生內澇問題[1]，市政雨水、污水合理排放問題亟待解決。同時，我國交通已經進入大發展、大繁榮時代，排水、排污工程跨越高速公路、山谷、洼地及其他障礙物等情況屢見不鮮。豎井式倒虹吸管是跨越障礙物常用的排污結構，主要由進口工作井、管身隧道和出口工作井組成，具有構造簡單、管路短及施工方便等優點，但其對漂浮物和泥砂(以下稱污物)較多的水源引排時，若不能及時對工作井進行清淤，常會造成工作井堵塞的情況。

在排水、排污工程中，倒虹吸管的應用較為廣泛，其管身建設可與隧道排水工程相結合。國內學者對倒虹吸管和隧道排水工程進行了深入研究。文獻[2]利用水力學模型試驗說明淹沒深度對深進式倒虹吸管影響較大，而對斜管式和豎管式影響較?。晃墨I[3]提出隧道的排水系統設計應精確定位排水量、結構排水能力，合理確定隧道斷面和泵房布置的建議；文獻[4]提出深隧排水系統的淺層和整體調度、降雨信息與深隧運行融合等建議；文獻[5]提出基于ALE法的輸水隧道地震動力響應數值模擬方法；文獻[6]利用FLAC3D對排水系統堵塞時二次襯砌上的外水壓力進行了研究，總結了堵塞時二次襯砌上的水壓變化規律；文獻[7-9]提出，由隧道壁面粗糙度產生的摩阻力是隧道通風設計中不可忽略的因素，對排水隧道壁面粗糙度影響研究亦有所啟示。以上文獻均未對減少甚至消除倒虹吸隧道中污物的沉積和堵塞問題進行研究，故本文研究主要側重于嘗試解決該問題，通過采用SolidWorks軟件[10-14]對不同工況下的倒虹吸隧道排污狀況進行研究，以確定最優排污結構。

本文依托北京市某引水隧道工程，考慮水流的湍流位置和流速對水中雜質具有帶動作用，在豎井式倒虹吸管的基礎上，通過引入合理尺寸的輔助塊體，構想一種新型的隧道工作井智能排污結構，并利用SolidWorks軟件進行數值優化分析，探究最優智能排污結構的效果，以期為減少工作井的堵塞、降低清淤及維護費用提供參考。

1 倒虹吸隧道模型建立

1.1 依托工程概況

本文研究依托北京市某雨污水管線工程，其為將市政道路及居民區產生的雨水等引入河流而修建。主隧道采用淺埋暗挖法施工，施工中將隧道開挖后圍巖和支護系統力學形態的變化動態作為判別圍巖穩定性即支護系統可靠性的依據，并將施工監測所獲得的信息加以處理，以及時調整、修改圍巖級別、支護參數，進行支護襯砌的再設計。該工程下穿高速公路，西側臨路，南側臨河，北側為城鎮居民區，其平面布置和信息化施工流程如圖1所示。

工程場地影響的地質埋深在30 m內，在勘探深度范圍內觀測到1層地下水，地下水的類型為潛水，測得穩定水位埋深在9.20～12.00 m，按標高從上至下的土質類型分別為素填土、黏質粉土、粉質黏土，其他工程類別參數如表1所示。

(a) 工程平面布置

(b) 信息化施工流程

表1 基本工程類別參數指標表

1.2 SolidWorks建模過程

SolidWorks軟件可與CAD軟件及ANSYS、MIDAS/GTS等其他通用有限元軟件相配合，既能快速提升三維建模能力，又能便捷化修改和導入其他軟件進行分析。在該工程的建模中，隧道的斷面較為復雜，可直接將CAD圖復制進SolidWorks中進行簡單修改，便可拉伸為三維實體；對于工作井的建模，由于其尺寸相對簡單，可利用SolidWorks軟件超強的建模能力，通過簡單的繪圖、拉伸、切除功能迅速建成模型。在隧道和工作井建模完成后，打開SolidWorks裝配體界面，導入成型后的隧道和工作井模型，利用重合、距離等配合命令將其裝配至完全定義。然后，利用轉換實體引用、切除等功能命令，在工作井模型上生成隧道槽口，最終的模型如圖2所示。

(a) 隧道斷面圖(單位： cm)

(b) 隧道與工作井裝配圖

Fig. 2 Three-dimensional rendering of tunnel cross-section and work shaft assembly

1.3 智能排污結構簡介

本文研究思路主要是在豎井式倒虹吸管內添加合適尺寸的輔助塊體以達到利用湍流智能排污的效果。進出口處可采用不同的輔助塊體，擬采用的輔助塊體主要有小三角塊、大三角塊、階梯塊、階梯三角塊、長梯形塊及階梯雙三角塊等，其材料主要采用抗滲、抗沖刷混凝土，塊體尺寸如表2所示。

表2 輔助塊體尺寸表

2 隧道流場仿真分析

2.1 基本假定

在進行有限元仿真模擬時，很難做到將所有細節全部模擬，故一般考慮主要因素，而忽略次要因素或一些難以模擬且對模擬結果影響不太大的因素。鑒于此，本次模擬優化考慮以下基本假定：

1)由于工程防水等級較高，且已做閉水試驗，故假定模擬分析中不考慮施工縫、變形縫滲水的影響；

2)壁面的粗糙程度對于結果有一定的影響，但不同位置差別較大，一般混凝土壁面抹平良好時為0.3～0.8 mm[15]，故假定隧道及工作井壁面粗糙程度均為0.5 mm；

3)水中粒子研究模擬難度大，且對結果影響小，故假定引入的水是純凈的，即不對水中雜質進行粒子流模擬研究。

2.2 優化工況及評價指標

隧道-工作井-方溝間形成倒虹吸的水力學關系，上下游水位差為1.0 m，經過計算可得進出口水壓差為2 028.62 kPa，總水頭損失為0.2 m。為了充分利用紊流區對水中雜質的智能帶走功能，減少其在工作井內的沉淀。擬研究不同入口流速、不加輔助塊、加輔助塊、不同入口尺寸等因素對改變湍流的位置及某些特定位置的水流流速的影響。為此，筆者利用正交試驗方法進行試驗，并選取幾種典型的工況進行效果對比。

2.2.1 不同入口流速與加或不加輔助塊的工況布置

根據該地區7、8月份降雨量與居民排水情況，預計本工程排水構造物入口流速為0.5～1.5 m/s，且大多為滿水排泄，故本次模擬對0.5 m/s、1.0 m/s和1.5 m/s 3種入口流速與加或不加輔助塊下隧道工作井的流體狀態進行分析，工況布置如表3所示。

2.2.2 不同形狀尺寸輔助塊的工況布置

在外加小三角輔助塊基礎上，對比研究外加大三角塊(完全貼合工作井底部)、階梯塊、矩形塊、雙三角塊及其出入口不同的組合方式對工作井內紊流狀態的影響，以探究加入何種尺寸和形狀的輔助塊能達到最優的排污效果，具體工況布置如表4所示。

2.2.3 雨水方溝斷面尺寸的工況布置

雨污水管線工作井進出口處需設置一定長度的雨水方溝，用以連通引水管道與工作井及工作井與河流，還可以避免工作井敞口受到外界雜物的侵入、堵塞以及設置濾網等。一般來講，出入口雨水方溝斷面尺寸相同，而本次依托工程的雨水方溝斷面尺寸為4.0 m×2.6 m，因而設置工況對出入口斷面長度及高度分別改變時的影響進行研究，具體工況布置如表5所示。

表3 工況布置情況1

表4 工況布置情況2

表5 工況布置情況3

注： 工況11為工況5—10中最優工況，工況12—14與工況11外加的輔助塊形狀和尺寸完全一致。

2.2.4 新型結構的排污效果與評價指標

在湍流模型中，湍流強度和湍流長度是定義湍流的2個重要的特征參數。本文研究涉及的湍流為上游未充分發展的湍流，其湍流強度和特征長度計算公式如式(1)和式(2)所示。

(1)

式中:I為湍流強度；u′、v′、w′為速度脈沖量;uavg為平均速度。

l=0.7D。

(2)

式中：l為湍流長度；D為管道物理直徑。

針對本文研究來說，隧道工作井內水流的流速和物理尺寸已然確定，其湍流強度和特征長度也可計算得到，故選取固定的湍流參數。而對于結構的排污效果評判，湍流位置和工作井內下部各水力點的流速則更為重要。因此，本試驗的主要評判指標分別為湍流位置和工作井下部各點流速分布。

2.3 仿真結果分析及工況對比

2.3.1 不同入口流速與加或不加輔助塊的影響分析

利用SolidWorks插件Flow Simulation對不加處理的工作井和隧道組合進行流體仿真分析，并對入口處不同流速條件下結構內流場流速分布規律進行對比研究，其模擬結果如圖3—6所示。

圖3 工況1結構內流場速度分布云圖(單位： m/s)

Fig. 3 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 1 (unit： m/s)

圖4 工況2結構內流場速度分布云圖(單位： m/s)

Fig. 4 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 2 (unit： m/s)

圖5 工況3結構內流場速度分布云圖(單位： m/s)

Fig. 5 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 3 (unit： m/s)

圖6 工況4結構內流場速度分布云圖(單位： m/s)

Fig. 6 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 4 (unit： m/s)

通過工況1和工況3的對比可知，在工作井內加小三角塊可使入口處湍流位置有所下降，從而加速工作井下部區域流體的流動，但其對出口處湍流位置影響不大。此外，在加小三角塊后，工作井下部的藍色區域明顯減少，即下部的流速會大幅增加，從而減少水中污物的沉淀和累積。由此可知，在工作井內加輔助塊將會改變流體的速度分布和湍流位置，但輔助塊的尺寸和形狀對其影響較大。

觀察工況2、工況3和工況4可知，工作井內的湍流位置和流體速度分布并沒有明顯的差別，即改變入口流速對工作井內的流體流動狀態影響較小。

2.3.2 不同形狀尺寸輔助塊的影響分析

雖然小三角塊對雜質減沉有所改善，但工作井出入口下部仍存留較多的低速區域。因此，設置工況5—10來研究不同形狀尺寸輔助塊對水中污物減沉效果的影響，其模擬結果如圖7—12所示。

圖7 工況5結構內流場速度分布云圖(單位： m/s)

Fig. 7 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 5 (unit： m/s)

圖8 工況6結構內流場速度分布云圖(單位： m/s)

Fig. 8 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 6 (unit： m/s)

圖9 工況7結構內流場速度分布云圖(單位： m/s)

Fig. 9 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 7 (unit： m/s)

圖10 工況8結構內流場速度分布云圖(單位： m/s)

Fig. 10 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 8 (unit： m/s)

圖11 工況9結構內流場速度分布云圖(單位： m/s)

Fig. 11 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 9 (unit： m/s)

圖12 工況10結構內流場速度分布云圖(單位： m/s)

Fig. 12 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 10 (unit： m/s)

由模擬結果分析可知，工況5—10的入口區域湍流位置均有所下移，這樣有利于加速工作井下部水流的流動，從而有利于帶走水中污物，而出口處湍流位置不變。對于入口區流速的分布情況，工況5—8的工作井底部均有靜水區域，且位于工作井底部，即意味著水中污物將會在工作井底部沉積、堵塞，而工況9和工況10僅在輔助塊中部存在少量低速或靜水區域；對于出口區流速分布，工況5—7均有明顯的靜水區域，而工況8—10則無。

綜上所述，工況9和工況10入口區雖有少量低速區域，但其僅位于輔助塊的中部，因而即使有污物在輔助塊中部停留，也會在聚集到一定量時被流動的水體帶走，并不會存留在井底，而兩者的出口區則完全沒有低速或靜止區域。因此，工況9和工況10布置均為隧道工作井的較優排水結構。由于工況10的入口靜水區域面積小于工況9的靜水區域面積，其效果可能會更加優異，但工況9的輔助塊形狀較簡單，施工較為容易，因此，兩者各有優劣，應根據實際情況選用。

綜合前述輔助塊體的形狀、尺寸和分析結果可知，工作井下部產生的靜水區域形狀是制作輔助塊的重要參考，即輔助塊形狀應盡量接近靜水區域形狀?？紤]到施工可操作性和簡便性，一般需將輔助塊制作為較規則的形狀，還需要對該形狀的輔助塊的功能效果進行模擬優化，但此時通常進行形狀、尺寸微調即可滿足要求；若要獲得較好的排污效果，輔助塊尺寸一般需為方溝下部工作井體積的1/2左右，且其放置位置應在井內易產生靜水區的地方。此外，若按工作井大小等比例縮放輔助塊形狀、尺寸，亦能產生類似的排污效果，具體仍需根據相應工程因地制宜地進行調整。

2.3.3 雨水方溝斷面尺寸的影響分析

雨水方溝斷面尺寸是控制工作井入口區域流量的重要參數，其可能對工作井內流體造成一定的影響。由于工況10的排污效果稍優，故擬取工況10作為研究雨水方溝斷面的基本工況，即等同于工況11，其與工況12—14的模擬結果如圖13—16所示。

圖13 工況11結構內流場速度分布云圖(單位： m/s)

Fig. 13 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 11 (unit： m/s)

圖14 工況12結構內流場速度分布云圖(單位： m/s)

Fig. 14 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 12 (unit： m/s)

圖15 工況13結構內流場速度分布云圖(單位： m/s)

Fig. 15 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 13 (unit： m/s)

圖16 工況14結構內流場速度分布云圖(單位： m/s)

Fig. 16 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 14 (unit： m/s)

根據模擬結果分析可知，與工況11相比，工況12—14隧道內流體速度明顯增加。這是由于雨水方溝斷面面積增大，入口流速不變，導致入口流量增大，而隧道斷面面積不變，根據體積流量守恒定律，可知流體通過隧道的速度必然增大。此外，由于雨水方溝入水口高度增大，工況12和工況14入口區的湍流位置有所上升，而工況13和工況11的湍流位置相同，且4種工況出口區的湍流位置變化均較?。灰虼?，入口處雨水方溝的高度變化對入口區域湍流位置的影響很大，而對出口區域湍流位置的影響則可忽略不計。

對于隧道工作井內流體的速度分布，觀察工況12—14可知，出口區域的流速大小隨著入口斷面面積的增大而增大，但分布變化較??；而入口區域流速變化也有相似規律，但變化幅度較小，這可能是由于重力作用的影響。對于入口區域速度分布，僅觀察圖中區域顏色變化難以判斷其規律，故將入口區域輔助塊表面外10 cm處流體的流速由上至下隨長度變化的分布情況以曲線進行表示，如圖17—20所示。

圖17 工況11結構內輔助塊表面流速分布曲線

Fig. 17 Flow velocity distribution curve of auxiliary block surface in working condition No. 11

圖18 工況12結構內輔助塊表面流速分布曲線

Fig. 18 Flow velocity distribution curve of auxiliary block surface in working condition No. 12

圖19 工況13結構內輔助塊表面流速分布曲線

Fig. 19 Flow velocity distribution curve of auxiliary block surface in working condition No. 13

圖20 工況14結構內輔助塊表面流速分布曲線

Fig. 20 Flow velocity distribution curve of auxiliary block surface in working condition No. 14

由圖17—20可知，隨著入口雨水方溝斷面面積的變化，隧道工作井入口區域流速分布僅在輔助塊上部和中部有些差別，且工況13、工況12和工況14的上部流速依次增加，即增加入口方溝面積將增大輔助塊上部區域的流速。此外，在輔助塊中部均有1段3 m左右長的低速流動區域，此位置對應輔助塊的轉角位置，其與流速分布云圖的規律相一致。

在輔助塊下部區域，工況12—14的流體流速均很大，從而有利于減少甚至消除水中污物的沉積。盡管輔助塊中部區域有3 m長的低速區域，其流速也基本在0.1 m/s左右，即入口流速的1/10，且下部區域流速很大，故其能使水中污物基本處于流動狀態而被流動水體所帶走。因此，雨水方溝斷面尺寸會對隧道工作井內的水流流速分布有影響，但輔助塊仍具有較好的效果，可減少甚至完全避免水中污物在工作井底部的淤積。

3 物理模型試驗分析

數值模擬分析僅能從理論上對倒虹吸隧道智能排污結構的效果進行預測，且前述流體模擬分析未采用含有粒子的污水，其使得模擬具有一定的粗略性。因此，為了較好地驗證該智能排污結構的效果，設計了2個工作井均不加輔助塊(工況15)、均加矩形三角塊(工況16)、進水口處加階梯雙三角塊且出水口處加矩形三角塊(工況17)3種工況下近似的物理模型試驗。模型采用有機玻璃材料制作，水流采用含有砂粒的污水，污水含砂情況參照黃河含砂率約為3.5%配制，利用倒虹吸原理，以水位差為動力彌補總水頭損失，并推動水流依一定流速前進，模型如圖21所示。試驗中，快速加水并盡量保證水位線在同一高度，待污水流充滿箱體并從出水口井穩定均勻流出時，立即用容器進行收集，收集1 min內3種模型的污水即可。然后，將收集后的污水靜置12 h后，統計1 min內3種模型的出砂值及出砂率，其結果如表6所示。

(a) 工況15

(b) 工況16

(c) 工況17

表6 3種工況的出砂值及出砂率

由物理模型試驗結果可知，工況16和工況17的出砂率均遠大于工況15，說明2種輔助塊體組合的添加均有利于污水的排放，較好地印證了數值模擬分析的結果。對比工況16和工況17可知，2個工作井均加矩形三角塊的組合排污效果更好，與數值模擬分析結果有一定的出入，但兩者出砂率相差較小，可能是試驗誤差所致。

綜上所述，添加輔助塊的工況16和工況17均有較好的排污效果，有助于減少污物的沉淀，雖仍不能完全消除沉淀且需要進行一定的清淤養護，但有利于延長養護周期。施工中，若輔助塊體較大，建議將輔助塊外表面加入小型人行階梯，以便于養護。

4 結論與討論

通過對構想的倒虹吸隧道智能排污結構進行數值模擬分析優化和物理模型試驗驗證，得到如下結論：

1)在工作井內加輔助塊可使入口處湍流位置有所下降，井底流速有所增加，且不同的輔助塊的尺寸和形狀影響較大，而在一定范圍內改變入口流速對工作井內的流體流速分布規律影響較?。?/p>

2)與其他工況對比，在工作井出、入口區均加入矩形三角塊的工況9和在入口區加階梯雙三角塊、出口區加矩形三角塊的工況10是倒虹吸隧道較優的智能排污結構；

3)入口處雨水方溝的高度增加會提升入口區域的湍流位置，而對出口區域湍流位置的影響則可忽略不計，且入口處雨水方溝的寬度改變對出、入口區域的湍流位置影響較小；

4)雨水方溝斷面尺寸大小會對工作井入口區上、中部范圍的水流流速分布有所影響，但適當形狀及尺寸的輔助塊仍具有較好的效果，可減少甚至完全避免水中污物在工作井底部的淤積。

倒虹吸隧道智能排污結構在保持豎井式倒虹吸隧道的施工簡便性和構造簡單性的基礎上，有利于減少甚至解決倒虹吸隧道污物沉積和堵塞問題，有利于降低其清淤及維護費用，從而延長工程使用壽命。但數值模擬和物理模型試驗仍具有一定的粗略性，存在以下3點問題需要進一步討論和研究：

1)數值模擬中的粒子模擬研究仍對該工程結構的設計和優化具有較強的指導意義，建議對本文研究優化的智能排污結構再進行粒子模擬分析，做進一步優化設計；

2)本文研究未對輔助塊體尺寸與水力場參數的影響變化規律進行具體的函數分析，在今后的研究中可側重于該方面；

3)該智能排污結構仍需要工程實踐的檢驗和驗證，可在小型豎井式倒虹吸隧道中添加本文研究得出的相應類型輔助塊體，對各水力場參數的變化規律進行研究。