城市雨水泵站側向出水箱涵整流措施模型試驗

徐 輝，張喆鑫，張 睿，馮建剛

(河海大學農業科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

近年來，由于氣候變化以及人類活動等影響，造成城市內澇排水問題愈加嚴重[1]。作為城市基礎建設重要設施的雨水泵站被廣泛應用于城市的內澇防治[2]。出水箱涵作為城市雨水泵站常用的出水建筑物，往往受城市規劃用地、周邊地形環境、已有建筑物以及已建管網系統等條件限制，使得出水箱涵的尺寸大小無法按照理想情況設置，尤其當出水箱涵擴散角過大時會產生回流、漩渦、偏流等不良流態[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]。

物理模型試驗是研究泵站水力特性及其整流措施的一種有效手段，國內外學者圍繞泵站水力流態展開了深入的研究[7-11]。Nakato[12]在Chicot湖取水泵站模型試驗研究中，通過1∶24的泵站前池模型試驗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之間的密切關系；王曉升等[13]通過物理模型試驗，對分水閘站樞紐分水池產生不良流態的原因進行了分析，指出V形底坎能顯著增強分水池水流的側向擴散能力,有效改善分水池中的水流流態；羅海軍等[14]采用物理模型試驗方法對排水泵站進水系統的水力流動特性進行了分析研究，通過在閘門井內設置導流墩，在有效提高進水箱涵配水均勻性的同時顯著改善了泵站前池和進水池的水流流態；張睿等[15]通過物理模型與數值分析相結合的方法，針對斜向管涵進流雨水泵站箱涵的水流流態，在閘門井內設計布置了3種不同的整流措施，顯著改善了閘門井、箱涵以及前池進口處的不良流態；Zi等[16]采用物理模型與數值分析相結合的方法研究了大型泵站進水流場中的組合式導流墩在大型泵站進水系統整流方面的效果與作用。對于出水系統的研究，張春輝等[17]針對泵站壓力儲水箱涵進行了物理模擬試驗，通過在壓力出水箱涵內的隔墩上開孔來達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。目前針對泵站水力特性的研究主要關注進水系統，對于出水系統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)

上海某雨水泵站設計規模為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孔出流的側向出水箱涵設計方案，同時因為出水箱涵整體長度偏短，導致箱涵擴散角偏大。為分析其出水系統水力流動特性，本文采用物理模型試驗研究該泵站出水箱涵內存在的水力學問題，并提出優化措施改善出水系統水力流動特性，以期為工程設計與建設提供參考。

1 物理模型設計

圖1 泵站出水系統主體部分水力模型

2 初始方案出水箱涵流態分析

2.1 試驗工況

試驗在兩種外河水位下進行，泵站出水系統初始方案試驗工況如表1所示。為了分析出水箱涵的出水流態，在出水箱涵的出口處設置測速斷面，采用光電流速儀測量流速，由計算機采集數據，可同時測得多點流速。局部重點測點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 泵站出水系統初始方案試驗工況

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律是相似的，出水箱涵中部兩孔出口流速較大，兩側邊孔出口流速較低，總體上出水箱涵水流擴散不良，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

當外河水位為設計最高水位3.90 m時，出水箱涵擴散角較大，出水箱涵內部擴散段水流擴散不良，出水箱涵出口流速與流量呈現不均勻分布，出口處主流居中且出口兩側出流較小，各孔流量分配系數最大差值達到17.03%。當外河水位為設計平均水位2.80 m時，出水箱涵擴散段水流擴散不良，出口斷面存在主流居中的問題，兩側邊孔出流較少、流速極低，各孔流量分配系數最大差值達到17.33%。

3 出水箱涵整流措施

3.1 出水箱涵整流措施設計

針對泵站出水箱涵擴散角偏大、出口流速分布不均等一系列問題，在不改變泵站主體結構的情況下，采用合理的工程整流措施來改善泵站內不良的水力流態，對于泵站的安全高效運行至關重要。泵站出水系統優化方案出水箱涵整流措施如圖4所示，模型實物如圖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

在出水箱涵左右側第二道隔墻G2、G6頭部增設導流短墩。導流墩的工作原理是通過不同角度導流墩的導流作用，對來流進行分割并強迫其轉向[18]，從而減小出水箱涵平面擴散角，在平面上均化水流。因此增設導流短墩可以對出水箱涵進口處的后兩孔水流分別進行調整，使進入兩側擴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。導流短墩頂部和底部分別與出水箱涵的頂面和底面相接，導流短墩的寬度為0.30 m、長度為2.25 m。經多方案比較，得到相對較優的布置方案，即隔墻G2上游端的導流短墩頭部與隔墻G4的間距為1.41 m，隔墻G6上游端的導流短墩頭部與隔墻G4的間距為1.71 m。間距太小或太大都會導致兩孔水流產生分布不均的問題。

在導流短墩已經確定的基礎上，在出水箱涵擴散段和出流段分別加設整流措施。如圖4所示，在出水箱涵擴散段的4個流道各布置1道底坎，對初步分流的水流進行整流，使其得到初步的擴散，從而使得4個流道中的水流流量分配得到一定的優化。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，以此對擴散段水流進行垂向和水平方向上的進一步整流，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 優化方案改善效果

出水箱涵進口處的兩孔水流在流經增設的兩道導流短墩之后，導流短墩對來流進行分割，減小了出水箱涵平面擴散角，在平面上均化了水流。根據來流方向，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第二道隔墻處(圖4中G2、G6處)的流量分配系數對比見表3，可見增設導流短墩后，4個流道水流的流量分配系數得到了顯著的改善。

圖6 優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部流量分配系數對比

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見表4，兩種典型工況出水箱涵出流的規律大致相似，出水箱涵出口中部6孔流量稍大，兩側邊孔流量略小，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化。

表4 優化方案出水箱涵各孔流量分配系數

在增設整流措施之后，當外河水位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最大差值為5.10%；當外河水位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最大差值為3.10%，此時出水箱涵各孔的流量分配系數與初始方案相比，流量分配系數最大差值在兩種外河水位下分別降低了11.94%和14.23%。

優化方案增設的組合式整流工程措施均有一定的阻水作用，會造成出水箱涵內水力損失增大，導致整個出水系統的運行效率下降，但整流措施的增設又改善了水流均勻性從而減小了出水箱涵內的水力損失。當外河水位在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，而優化方案水力損失分別為0.12 m和0.15 m，由試驗可以得出增設整流工程措施引起的附加水力損失總體較小，且出水系統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(順水流方向)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計算公式為

(1)

式中：va為斷面平均軸向流速；vai為斷面各測點的軸向流速；n為斷面上的測點數。

由式(1)可計算得到外河水位在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 論

a.對于泵站初步設計方案而言，出水箱涵內部存在水流擴散不良、流態較為紊亂、出口流量分布不均的問題，流量分配系數最大差值較大，在兩種外河水位下分別達到了17.04%和17.33%。

b.通過在出水箱涵首段增設短導流墩、擴散段加設不同長度底坎和近頂板組合橫梁，較好地加強了出水箱涵內水流的擴散能力，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%；流量分配系數最大差值在兩種外河水位下分別降低了11.94%和14.23%。