豎井進水箱涵段水力特性數學模型研究

向恒飛

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海市 200235）

1 工程概況

某市垃圾填埋場建于1997年，項目選址位于郊區山脈一處谷底，谷底地勢西北高東南低，填埋庫區沿山谷建設。一期位于山谷東南側一塊平地，占地面積約為145hm2，現狀修建了斷面為3×3m的排洪隧道排填埋區雨水，排入下游河道。目前庫容已全部填滿，一期填埋區已封場。

隨著城市建設的發展和人民生活水平的提高，需在現有庫區的西北側建設二期填埋區，占地面積約為560hm2。目前二期填埋區已經投入使用，垃圾填埋采用覆膜作業，導致下墊面的性質改變，雨水量增大，但由于地形限制，無法穿越一期填埋區新建排洪隧道，雨水只能通過現狀隧道排放，因此隧道過水斷面尺寸不足（見圖1）。

圖1 某填埋場填埋區平面示意圖

為解決排洪風險，繞開一期封場區擬新建排洪隧道。新建隧道起點主要排放填埋作業區的膜面雨水，繞開填埋區，在南側山體下埋設，最終排入下游河道。

新建隧道排放二期填埋區的膜面雨水，起點處的豎井位于填埋作業區內，修建箱涵作為豎井進水口。二期填埋區由低到高分為3個填埋作業標高，相應的進水箱涵也有3個進水標高。首先，垃圾填埋至最低作業標高后，垃圾覆膜封場，膜面水引流至進水箱涵第一進水口。其次，繼續填埋垃圾至第二填埋作業標高，垃圾再覆膜封場，膜面水引流至進水箱涵第二進水口。最后，填埋垃圾至第三填埋作業標高，垃圾再覆膜封場，膜面水引流至進水箱涵第三進水口。此時，填埋區庫容全部填滿封場。圖2為進水箱涵與豎井的原設計平面剖面圖。進水箱涵有3個進水口，隨著垃圾填埋作業，由低到高逐個封堵啟用，最終只有最高處的進水口進水。

圖2 某填埋場豎井和排洪隧道示意圖

按常規設計，原引水箱涵、豎井平面及剖面如圖3、圖4所示。

圖3 豎井1箱涵段平面布置圖（原方案）

圖4 豎井1箱涵段剖面布置圖（原方案）

但由于填埋現場正在作業，施工時需要打開現已鋪設好的填埋區底膜。底膜打開范圍越大，對周圍的垃圾體影響越大，施工風險越高。原設計方案箱涵長度為40m，再加上開挖范圍，施工十分困難。

為減小平面占地范圍，不能通過平面增加箱涵長度的方法降低箱涵坡度。因此，設計引水箱涵的坡度加大，與現狀地形接近。現場地形條件（見圖5）坡度較大，斜坡深20.23m，長22.53m。坡度為1∶0.9。而豎井的設計深度為20m，受垃圾體施工條件限制，其自身的消能設計已經十分困難，對進水流速的要求非常嚴格，需要控制在5m/s以內。綜合比較，保證進水箱涵內流態穩定，降低與豎井連接處的流速是設計關鍵[1-2]。

圖5 填埋區地形

為此，設計改善了箱涵的平面布置，采用側向入流的方案，延長了消力池長度，消能效果充分。將斜坡段箱涵向側邊平移，使水流從斜坡流下來之后，從箱涵側面，越過一個底坎，跌入豎井，從而達到延長消力池的目的。側向入流方案布置如圖6、圖7所示。

圖6 設計方案平面圖

圖7 設計方案剖面圖

在側向入流方案的基礎上通過進一步增加側向入流流道長度的方式，減小進入豎井的流速，提高消能效果。將斜坡進口箱涵側向平移，在豎井進口前增加一個水平的流道，形成一個環形通道，通過水流方向的旋轉將水流能量消耗掉，從而達到降低豎井進口流速的目的。并在兩個箱涵交接處和豎井進口處設置高2m的底坎，使箱涵內保持一定的水深，增加消強效果。為驗證側向入流的方案，優化水平流道的長度，采用數學模型來進行研究。

研究建立了數學模型模擬水流狀態，對進水箱涵段進行局部三維水動力模擬，分析水流流態、壓力分布和氣液相分布等水力學問題，提供壓力、流態、流速分布，對進水箱涵段消能效果、布置形式、結構形式的可靠性和合理性做出評價，并提出優化改進意見[3-6]，為進口箱涵設計工作提供科學依據。本文主要介紹進水箱涵段設計和數學模型的研究過程。

2 研究條件

現場共有3個填埋作業標高，進水箱涵設有2個進水口，豎井頂部設1個進水口。3個進水口使用時間不同，但匯水范圍一致。在流量一致的條件下，第三進水口高差最大，消能最不利，因此選用第三進水口工況進行分析研究。膜面水經過導流排入設計的進水箱涵，連接進的豎井采用折板形式，50a一遇設計流量為18.49m3/s。

3 模型模擬

3.1 模型控制方程

本項目通過FLUENT軟件建立三維模型，模擬豎井進口段和豎井內的水力學過程、水氣兩相瞬變流動特性和啟動特性。

3.2 邊界條件

（1）進口邊界：進口流量為18.49m3/s。

（2）空氣進口：豎井上方設空氣進口，模型采用壓力進口進行設置，壓力為1個大氣壓。

（3）通氣孔：為了增加豎井內氣體交換，每塊隔板下方設置1個通氣孔，通氣孔采用壓力出口進行設置，壓力為1個大氣壓。

（4）出口邊界：模型出口邊界為壓力出口，壓力大小按照下游水位進行換算。

3.3計算工況

數學模型計算考慮最大流量為50a一遇設計流量工況。

4 數值模擬成果與分析

4.1 設計方案要求

本章主要采用FLUENT對各關鍵部位進行水動力模擬，驗證工程的消能是否滿足要求。

（1）流速要求：下游豎井進口流速一般不超過5m/s。

（2）壓強要求：C40混凝土最大抗壓強度為26.8MPa；絕對壓強大于0，即不出現負壓。

4.2 設計方案模擬

嘗試將斜坡進口箱涵向側向平移3m，在豎井進口前增加一個水平長度為3m的流道，形成一個環形通道，通過水流方向的旋轉將水流能量消耗掉，從而達到降低豎井進口流速的目的。

4.2.1 模型建立

模型范圍如圖8所示。

圖8 進口箱涵段模型（側向入流+3m環形通道方案，三維立體圖）

4.2.2計算結果

計算結果主要包括氣液相分布、壓力分布、流速分布。

4.2.2.1 氣液相分布

氣液相分布如圖9～圖11所示。

圖9 氣液相剖面分布圖（側向入流+3m環形通道方案）

圖11 氣液相橫剖分布圖（側向入流+3m環形通道方案）

從氣液相分布圖中可以看出，水流從進口跌入斜坡段，由于斜坡坡度較陡，水流流速不斷加大，導致液面降低，緊貼斜坡。當水流接近消力池時，受到消力池內水流頂托，流速降低，水深加大。水流在消力池內進行翻滾，隨后翻越側面底坎進入側向箱涵，在箱涵內水流旋轉270°，最后翻越底坎墜入豎井內。由于側向入流面積較小，消力池內水位上升至箱涵頂部，水深約5m。消力池內呈淹沒出流，消能效果較好，但由于側向入口有壓流狀態，進入側向箱涵后旋轉角度較大，側向箱涵空間有限，導致箱涵內水流流態較差。

圖10 氣液相俯視分布圖（側向入流+3m環形通道方案）

模型結果顯示，側向入流+3m環形通道方案有一定的消能作用，尤其對于斜坡段流速有很好的消減作用。但由于消力池內呈現有壓流狀態，同時水流在側向箱涵內旋轉角度較大，箱涵空間有限，導致箱涵內流態較差，進入豎井內的流速偏大，超過豎井允許的5m/s的流速。總的來說，消能效果還不理想，需要優化。

嘗試將斜坡進口箱涵繼續側向平移，形成一個較大的箱涵空間，改善箱涵內的流態，調整環形通道的長度至9m，通過水流方向的旋轉將水流能量消耗掉。

氣液相分布如圖12～圖14所示。

圖12 氣液相剖面分布圖（側向入流+9m環形通道方案）

圖13 氣液相俯視分布圖（側向入流+9m環形通道方案）

圖14 氣液相橫剖分布圖（側向入流+9m環形通道方案）

從氣液相分布圖可以看出，水流從進口跌入斜坡段，由于斜坡坡度較陡，水流流速不斷加大，導致液面降低，緊貼斜坡。當水流接近消力池時，受到消力池內水流頂托，流速降低，水深加大。水流在消力池內進行翻滾，隨后翻越側面底坎進入側向箱涵，在箱涵內水流旋轉270°，最后翻越底坎墜入豎井內。

4.2.2.2 壓力分布

壓力分布如圖15～圖17所示。

圖15 壓力剖面分布圖（側向入流+9m環形通道方案）

圖16 壓力俯視分布圖（側向入流+9m環形通道方案）

圖17 壓力橫剖分布圖（側向入流+9m環形通道方案）

從壓力分布圖可以看出，水流從進口垂直跌入收水平臺，垂向產生的最大壓強為23.4kPa，模型內沒有負壓。最大壓強分布在消力池底部，斜坡與消力池相交處，最大壓強達139kPa。最大壓強可以滿足工程要求。

4.2.2.3 流速分布

流速分布如圖18～圖20所示。

圖18 流速分布縱剖面圖（側向入流+9m環形通道方案）

圖19 流速分布俯視圖（側向入流+9m環形通道方案）

圖20 流速分布橫剖面圖（側向入流+9m環形通道方案）

從流速分布圖可以看出，水流從進口跌入斜坡段，由于斜坡坡度較陡，水流流速不斷加大。當水流射入消力池與池底內液面接觸時，流速達到最大，為14.32m/s。受到消力池內水流頂托，流速降低，水深加大。水流在消力池內進行翻滾，隨后從側面的出水口通過底坎越出，在側向箱涵內旋轉270°，通過底坎進入豎井。進入豎井最大流速達4.88m/s。

4.2.3 結果分析

從模型結果氣液相、壓力和流速分布可以看出，側向入流+增加環形通道方案消能效果較好。

對比環形通道長度3m及增大到9m兩個方案，3m環形通道方案對于斜坡段流速有很好的消減作用，但箱涵內流態較差，為有壓狀態，進入豎井內的流速偏大。總的來說，消能效果還不理想。9m環形通道方案斜坡段流速有所增加，但流速仍在混凝土承受范圍內，且整個箱涵呈現出無壓流狀態，安全性增加。總的來說，消能效果比較理想，進入豎井的流速剛好可降至5m/s，能夠滿足豎井進口流速的要求。

綜合比較，本工程豎井的進水箱涵選用了9m環形通道方案。

5 結論

本工程因為施工場地的局限性，以及現狀地形坡度較大等因素，采用非常規的布置形式設計豎井的引水箱涵。設計要保證進水箱涵流態的穩定、進入豎井的流速不超過規定流速，避免對豎井消能設計造成影響。數學模型試驗對設計方案進行分析優化，模擬進水箱涵各個位置的模型流態和流速，更高效地改善了進水箱涵末端與豎井銜接處的流態。優化后的設計方案滿足設計施工的條件，滿足工程正常運行需要，可為坡度大、占地小的類似工程設計提供指導。