基于螺旋流道的深層豎井調蓄池消能分析

盧光毅，朱 潔，陳 斌

(上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司，上海 200125)

0 引言

近年來，隨著城市化水平不斷提升，城市不透水硬質下墊面率越來越高，導致城市內澇及城市初雨徑流污染愈發嚴重。雨水調蓄池是一種收集雨水徑流的存儲設施，能將市政排水管網系統中的峰值雨水徑流暫時收集于池體，待峰值徑流水量降低后，將池體內存儲的雨水徑流緩慢排出，既實現了削減徑流峰值，亦可實現雨水徑流循環利用，還能避免初期雨水徑流污染河道水體等問題，是城市提升區域水生態的質量的重要基礎設施。同時雨水調蓄池由于具有較好徑流削峰及徑流控污效果，經濟性較高，因此在國內外得到了廣泛的應用。

深層豎井調蓄池是一種采用VSM(垂直豎井沉降掘進)工法施工的豎井式調蓄池，具有池體面積小，施工速度快，施工面積小和埋深較深等特點。目前VSM工法在國內以成功應用于南京UP智能地下停車庫[1]，實現了僅用450m2就能停200輛汽車的壯舉，充分利用了碎片化的城市空間。若采用VSM工法修建深層豎井調蓄池，能有效避免高強度開發城市區域市政基礎設施建設用地不足的難題，大大的提升了城市空間的利用價值。由于深層豎井調蓄池的埋深在50～60m，如何對調蓄池進水進行有效消能成為保障調蓄功能的首要難題。

Fernande[2]等構建中央渦流消能豎井物理模型，水流進入中央渦室后螺旋下跌至底部進行消能，但渦室消能效果與進水方向流態存在較大關聯，高速水流下易出現水翅等不利流態；Odgaardl[3]通過在豎井側壁兩側設置對流折板，讓水流從一側擋板跌落到另一側擋板，從而實現跌水消能，但對折板強度具有較高的要求。安瑞冬[4]等通過設置螺旋階梯式階梯入流豎井，來保障深層隧道排水系統的入流安全，但階梯施工安裝難度較高。由于本次研究深層豎井調蓄池池體距地深度在50～60m，考慮到實際施工及消能實施的穩定可靠性，故本次研究考慮采用螺旋流道的消能形式。通過預制螺旋拼裝流道，流道采用混凝土立柱固定，以確保螺旋流道結構的安全穩定，施工安裝較為便捷。并通過CFD(計算流體力學)技術進行分析，探究螺旋流道置于深層豎井調蓄池消能效果。[5]

1 研究概況

以上海市浦東新區某擬建深層豎井調蓄池為研究對象，該調蓄池類型為初雨調蓄池，主要功能為解決區域排水系統內的初期雨水徑流污染問題，調蓄池規模為5000m3。

研究區域現狀排水體制為雨污分流制，排水系統服務面積為1.2km2，規劃系統設計暴雨重現期為5年，規劃綜合徑流系數為0.5。區域雨水排放模式為強排式，雨水徑流經管網收集后輸送至泵站內，經泵站提升后排入河道。

深層豎井調蓄池為全地下式，共包含兩層，地下一層為設備層，地下二層為池體蓄水層。深層豎井調蓄池池體為圓形，池體內徑為12.5m，池壁由預制管片構成，調蓄池底距設備層底板距離為43.5m。調蓄池DN800進水管進水流量為2.78m3/s，進水管底距調蓄池底板高度為41.2m。螺旋消能流道中心線所構成圓的直徑為10.12m，流道寬度為1m，流道橫斷面為矩形，流道壁厚為0.04m，流道采用UHMWPE(超高分子量聚乙烯樹脂)制成，流道坡度為15%。

深層豎井調蓄池底布置壁厚0.25m，高度為1m的導流墻，底部形成流道凈寬度為1m的螺旋進水流道，水流至螺旋流道下落至池底后，沿池底螺旋流道輸送至中央排水泵坑處，池底中央排水泵坑內徑為4m，深度為1m，內置3臺變頻放空泵，兩用一備。

2 研究模型及分析方法

2.1 研究模型

本研究將以深層豎井調蓄池蓄水主體結構部分為基礎，建立螺旋流道及底層調蓄池三維模型，采用適應性較好的四面體網格對計算模型進行離散化處理，網格總量約為234萬，如圖1所示，對調蓄池進水消能進行分析，探究螺旋流道消能形式在深層豎井調蓄池消能效果。

圖1 深層豎井調蓄池蓄水主體三維模型示意圖

2.2 數值計算方法

深層豎井調蓄池進水流動是三維不可壓縮湍流流動，其控制方程主要包括連續性方程及動量方程。本次研究選用湍流模型為RNGk-ε模型[6]，有效地模擬高應變率以及流線彎曲程度較大的流動，湍動能k和湍動能耗散率ε的輸運方程如下：

(1)

(2)

其中

(3)

式中，μeff、μ、μt-有效粘度、動力粘度、湍流粘度，均用來反映k與ε的函數關系；Gk-平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；σk、σε-湍動能k和耗散率ε對應的普朗特數；Eij-時均應變率；Cμ、C1ε、C2ε、αk、αε、η0、β-經驗常數，取Cμ=0.0845，αk=αε=1.39，C1ε=1.42，C2ε=1.68，η0=4.377，β=0.012。

本次研究水-氣兩相流模型采用VOF模型[6]，VOF方法的體積分數方程如下：

ρmixture=αwaterρwater+αairρair

(4)

μmixture=αwaterμwater+αairμair

(5)

αwater+αair=1

(6)

式中，μ-動力粘度；ρ-密度；α-體積分數；其下標mixture、water、air分別表示混合相、水相和空氣相。

最后是邊界條件設定，進口設置為流速進口，流速數值為5.53m/s，即調蓄池進水管流量Q=2.78m3/s與進水管道斷面面積S=0.50m2的比值。

3 數值計算結果分析

3.1 螺旋流道進水流態分析

建立深層豎井調蓄池螺旋流道CFD模型，其螺旋坡道內的水流流態如圖2所示。初雨徑流通過進水管道流入螺旋流道內，在時間t=25s時，初雨徑流水量已充滿螺旋流道，并即將排入調蓄池底。初雨徑流表面的流速自管道內5.53m/s迅速攀升至10.00m/s以上，螺旋流道內水流表面的最大流速約為13.80m/s。

圖2 深層豎井調蓄池螺旋流道內水體流態圖

調蓄池水流溢出流道現象如圖3所示。結合圖2-3可知，當初雨徑流通過進水管道排入螺旋流道時，從上往下的第一圈螺旋流道內有部分水流沖出了流道。主要原因是由于進水管道流量較大，為有壓滿管流，當其進入螺旋坡道內后先轉變為射流狀態，再進一步轉變為明渠流，導致水流出現擁擠，從而發生溢流。溢出流量為1.10～1.20m3/s。

圖3 深層豎井調蓄池水流溢出流道現象

3.2 調蓄池底入流流態分析

對初雨徑流經螺旋流道轉輸后排入調蓄池底進行分析，如圖4所示，在時間t=25s之后，初雨徑流開始填充深層豎井調蓄池。由圖4可知，在開始充水的前210s內，水流波動幅度較大，在此之后，波動出現變緩的趨勢。深層豎井調蓄池內水流表面的流速較低，流速基本位于10.00m/s，并且隨著水深的增加而不斷降低。值得注意的是，在深層豎井調蓄池底部，螺旋流道出口對面的外側立柱附近存在較高的瞬時流速值，最高可達20.00m/s，主要原因在于大曲率水流沖擊立柱合并流域快速緊縮導致的。由于該處最大值流速為瞬時流速值，并且隨著深層豎井調蓄池的深度的增加而不斷降低至10.00m/s，因此對調蓄池池底立柱無明顯破壞作用。

圖4 深層豎井調蓄池內水體流態圖

如圖5所示，通過對深層豎井調蓄池底的初雨徑流的三維流線變化情況可知，初雨徑流經螺旋流道出水后，其水流以大曲率流動的形式填充池底，導致調蓄池底部外側立柱存在較大的流速分布。當池體內初雨徑流量較少時，初雨徑流最大流速不高于18.00m/s；初雨徑流充滿深層豎井調蓄池下層跌落區后，初雨徑流的最大流速不高于20.00m/s。隨著水深的增加，初雨徑流的最高流速在不斷降低。

圖5 深層豎井調蓄池內三維流線圖

3.3 螺旋流道下方出口斷面流態及消能分析

圖6所示為螺旋流道下方出口斷面流態示意圖。當時間t為60～120s時，深層豎井調蓄池位于螺旋流道出口高層下方，此時初雨徑流流速主要偏向螺旋流道外側區域，水體流速分布穩定，最大流速約為15.50m/s。當時間t為120～180s時，深層豎井調蓄池內水深位于螺旋流道出口斷面內，此時水流仍然偏向于螺旋流道外側區域，由于受到深層豎井調蓄池體內水流的影響，螺旋流道出口流速在不斷降低。隨著時間的增長，深層豎井調蓄池內水體沒過下方螺旋流道出口，此時出口斷面的流速分布更加趨于均勻，最大流速隨著水深的增加而不斷降低，在時間t=200s時，最大初雨徑流流速已經下降至10.00m/s以下。

圖6 螺旋流道出口斷面流態圖

采用式(7)來計算螺旋流道的消能率η：

(7)

(8)

式中，E1、E2-螺旋流道進口和出口斷面的總水頭，m；Zi-斷面位置相對水頭，本研究中以螺旋坡道出口底為基準高程進行計算，m；Pi-斷面平均壓力，Pa；vi-斷面平均流速，m/s；ρ-水密度，998.2kg/m3；g-重力加速度，9.81m2/s。i=1或2，分別代表進口和出口斷面序號。

經計算，在深層豎井調蓄池的水位低于螺旋坡道出口高程前，螺旋坡道的消能率約為77.5%；對調蓄池整體而言，初雨徑流經上方螺旋流道消能后跌入池底后，經調蓄池底部的螺旋流道進行二次消能。

對于系統整體消能率，E1為螺旋流道進水口處總能量，E2的總能量以深層豎井調蓄池內水體的平均能量來代替，數據選取為深層豎井調蓄池內水體的平均水深、平均水壓和平均流速。故當深層豎井調蓄池蓄水水位約0.8m時，調蓄池系統整體消能率為96.3%；當深層豎井調蓄池蓄水水位約1.7m時，調蓄池系統整體消能率為95.8%；當深層豎井調蓄池蓄水水位約3.0m時，調蓄池系統整體消能率為93.1%。整體消能效果較好，計算見表1

表1 系統整體消能率計算表

3.4 深層豎井調蓄池壓力分布分析

本次研究擬采用空化數[7]來進行壓力特性分析，分析其抗空化特性，以探究初雨徑流對深層豎井調蓄池及螺旋流道的水力沖擊破壞情況。區域空化數計算公式如下：

(9)

式中，σ-空化數，根據《水工設計手冊(第2版)第7卷泄水與過壩建筑物》[8]，對于泄水道表面，當空化數σ<0.30時，需采取防空蝕措施；P-絕對壓力，Pa，下標static、dynamic、saturation分別代表靜壓、動壓和飽和蒸汽壓；Psaturation=3169Pa；ρ-水的密度，998.2kg/m3；v∞-特征流速，m/s，為提高項目安全性，本研究選用此時刻水體內的最大流速(10.00～20.00m/s)為此特征流速。

圖7所示為深沉豎井螺旋流道壁面空化數分布圖。由圖7可知，螺旋流道內壁空化數值較高，進水管道轉彎處的空化數σ>0.50。

圖7 調蓄池螺旋流道壁面空化數分布圖

圖8所示為深層豎井調蓄池池底以及立柱壁面的壓力分布圖。由圖8可知，水流進入深層豎井調蓄池底后，在水流最先沖擊的前三根側邊墻附近的立柱上存在較低的壓力分布，最小瞬時負值可達-30kPa之下，通過俯視圖也可知，在相關立柱的地面附近仍然可觀察到較低的壓力分布。在t=180s及之后，由于深層豎井調蓄池底部已蓄水，形成水墊，低壓現象消失，并逐漸恢復至正壓分布。

圖8 深層豎井調蓄池底面以及立柱壁面壓力分布圖

深層豎井調蓄池螺旋流道出口立柱壁面的壓力分布如圖9所示。結合圖8-9可知，在螺旋流道出口，水流未淹沒出口時，受到水流沖刷的作用，在其接觸的立柱亦存在較低的負壓分布。經計算統計空化數，最小空化數位于邊墻附近的立柱表面，約為0.36～0.42。池底以及立柱壁面的空化數值較高，均位于0.30以上，立柱壁面最不利點空化數為0.36，空化空蝕發生的可能性較低。隨著水深的增加，空化數值逐漸增大，無明顯的空化空蝕發生風險。

4 模擬結果在工程設計中的應用

為解決深層豎井調蓄池螺旋流道上方進水位置存在初雨徑流溢出的情況，本次研究擬采用局部增加流道高度形式，將螺旋流道上方進水口處流道高度由1.0m提升至1.5m，提升范圍為螺旋流道上方起點至流道發生溢流最低位置延伸約2m處，可以有效避免水量溢出螺旋流道。

為進一步保障初雨調蓄池底部結構安全，擬進一步提升調蓄池底部立柱的空化數，即調蓄池底部半圓結構立柱直徑由DN400，提升至DN1200。如圖10-11所模擬后發現，立柱壁面最大瞬時負壓高于-20kPa，立柱表面最小空化數約為0.73～0.78，調蓄池底部空化數值有顯著提升，提升了調蓄池底結構的安全性。為更進一步保障池底抗水流沖刷能力，池底將采用聚脲[9]等抗沖耐磨防護材料噴涂混凝土表面，以確保池底能在螺旋流道出口流速最大時，不受初雨徑流水力沖刷的影響。

圖10 深層豎井調蓄池底面以及立柱壁面的壓力分布圖(池底立柱優化)

圖11 深層豎井調蓄池螺旋流道出口立柱壁面的壓力分布圖(池底立柱優化)

5 結論

在深層豎井調蓄池中，調蓄池進水消能是急需解決的重點難題，其水力學特性研究事關調蓄池運行的安全穩定。本次研究通過螺旋流道對深層豎井調蓄池的進水消能效果進行分析，得出其能夠有效消能，整體最高消能率可達96.3%，并能確保調蓄池主體結構的安全可靠，為深層豎井調蓄池的推廣建設提供強有力的理論支撐，為各類型調蓄池應用于碎片化城市用地場景提供了建設思路。