李鵬程

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

1 深隧系統(tǒng)的瞬變流問題

在排水領(lǐng)域，深隧是深層排水調(diào)蓄隧道的簡稱，一般是指埋設(shè)在地下空間(一般指地面以下超過20m深度)、用于調(diào)蓄/輸送雨水或合流污水、通常具有較大調(diào)蓄容量的隧道。深層調(diào)蓄管道系統(tǒng)一般由主隧、二三級(jí)管道及入流豎井組成，現(xiàn)狀管網(wǎng)中的水流跌落進(jìn)入二三級(jí)管道后再通過豎井進(jìn)入主隧道儲(chǔ)存后排放。由于深隧系統(tǒng)的整體構(gòu)架在于深隧系統(tǒng)與原有排水系統(tǒng)組成新的排水系統(tǒng)，需要二者共同作用以達(dá)到工程目標(biāo)，深隧提標(biāo)的本質(zhì)是在原有系統(tǒng)增加入流點(diǎn)，改變?cè)邢到y(tǒng)的水力線，消減部分超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)暴雨的水量，從而達(dá)到原有雨水系統(tǒng)提標(biāo)。近年來，國內(nèi)學(xué)者在深層排水隧道技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)、深隧系統(tǒng)控制優(yōu)化、控污效果分析方面做了大量的研究[1- 4]。深隧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 深隧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

瞬變流最早在長距離油氣輸送、供水管網(wǎng)、輸水隧洞等項(xiàng)目中研究較多，近年來，在深層排水隧道中，瞬變流可能帶來的災(zāi)害逐漸引起設(shè)計(jì)及科研人員的重視。王建平等[5]為了驗(yàn)證廣州市深層隧道排水系統(tǒng)東濠涌試驗(yàn)段工程設(shè)計(jì)方案的合理性，通過物理模型，對(duì)深隧運(yùn)行過程中的排氣、浪涌、消能等關(guān)鍵水力學(xué)問題進(jìn)行了模擬和分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，折板豎井消能充分，并可兼顧主隧道排氣。浦勝男等[6]針對(duì)某深隧工程中豎井結(jié)構(gòu)因受水流脈動(dòng)壓力產(chǎn)生的流激振動(dòng)響應(yīng)問題，通過對(duì)豎井消能工的流固耦合有限元計(jì)算，得出豎井消能工在不同流量工況下的自振特性，推薦從經(jīng)濟(jì)角度適當(dāng)減小消能工臺(tái)階厚度。胡應(yīng)均等[7]針對(duì)城市雨水管網(wǎng)中的明滿流現(xiàn)象，對(duì)水氣兩相流的形成機(jī)理與運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行探討，提出城市雨水管網(wǎng)模擬技術(shù)的研究方向。

可以看出，目前深隧的瞬變流災(zāi)害主要關(guān)注點(diǎn)在入流豎井的消能方式以及主隧明滿流交替引起的水力學(xué)災(zāi)害[8- 9]，而對(duì)于深隧系統(tǒng)重要組成的二三級(jí)管道可能出現(xiàn)的水力學(xué)災(zāi)害研究較少?？紤]到深隧在應(yīng)對(duì)極端暴雨事件時(shí)，二三級(jí)管道中水流的壓力、流量等極有可能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈的變化，因此二三級(jí)管道完全存在瞬變流災(zāi)害發(fā)生的可能性，本論文以上海市A排水系統(tǒng)為例，利用數(shù)值模擬的方法對(duì)暴雨條件下(重現(xiàn)期P=5)，深隧系統(tǒng)二三級(jí)管道不同入流方式及二三級(jí)管道管徑大小對(duì)瞬變流災(zāi)害發(fā)生的影響進(jìn)行研究。

2 研究對(duì)象及研究方法

2.1 研究對(duì)象

A排水系統(tǒng)由3個(gè)已建分流制強(qiáng)排系統(tǒng)組成，總服務(wù)面積9.71km2，現(xiàn)狀南部2個(gè)子排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)暴雨重現(xiàn)期P=1年，北部一個(gè)子系統(tǒng)P=3年，系統(tǒng)綜合徑流系數(shù)ψ=0.6，通過深隧的建設(shè)，擬將該排水系統(tǒng)的能力提高至5年一遇。深隧系統(tǒng)在暴雨期通過6處入流點(diǎn)將現(xiàn)狀管網(wǎng)中的雨水分流至新建二三級(jí)管道中，最終通過綜合設(shè)施的豎井進(jìn)入深隧主隧。排水系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 排水系統(tǒng)圖(管徑單位：mm)

2.2 計(jì)算模型的選取及建立

2.2.1城市綜合排水模型

首先利用InfoWorks模型，模擬5年一遇暴雨強(qiáng)度下，系統(tǒng)6個(gè)入流點(diǎn)的流量過程。其中，基礎(chǔ)管網(wǎng)數(shù)據(jù)根據(jù)《上海市防汛能力調(diào)查與評(píng)估—城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)能力調(diào)查評(píng)估專項(xiàng)報(bào)告》的管網(wǎng)信息成果；降雨雨型選擇芝加哥雨型，峰值系數(shù)參照相關(guān)研究選定為0.4。對(duì)于降雨歷時(shí)過長，則平均降雨強(qiáng)度偏小，對(duì)于排水系統(tǒng)的沖擊較小；歷時(shí)過短，則總降雨量較小，也不利于全面考量排水系統(tǒng)在極端狀況下的表現(xiàn)。綜合考慮，模型模擬選擇5年一遇1h芝加哥雨型進(jìn)行模擬，對(duì)應(yīng)降雨強(qiáng)度為58mm；降雨前，現(xiàn)狀管網(wǎng)系統(tǒng)采用預(yù)抽空模式，即初始現(xiàn)狀雨水管網(wǎng)處于空管狀態(tài)；產(chǎn)流模型選擇Horton滲透模型，匯流模型選擇SWMM模型，模型通過2015年6、8月幾場(chǎng)降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行率定驗(yàn)證，水量及峰值相對(duì)誤差均在合理范圍。詳見表1。

表1 模擬與實(shí)測(cè)泵站輸送量和峰值泵站前池水位相對(duì)誤差 單位：%

最終得到6個(gè)入流點(diǎn)在5年一遇暴雨工況下的入流流量過程，作為瞬變流模型的輸入。詳見表2。

表2 A系統(tǒng)二三級(jí)管接入點(diǎn)入流過程

2.2.2瞬變流模型

由于傳統(tǒng)排水軟件對(duì)壓力流的處理是基于明渠非恒定流的窄縫假設(shè)，因此無法對(duì)瞬變流進(jìn)行精確模擬，需要借助專業(yè)瞬變流軟件進(jìn)行研究。常用的瞬變流模擬軟件有Shaft、TAP、Ansys FLUENT和ITM。Shaft軟件是由美國密歇根州大學(xué)學(xué)者開發(fā)，被用于多個(gè)深隧設(shè)計(jì)研究中，模型可以處理隧道充水的全過程，包括氣栓生成的全過程；TAP軟件是由美國公司開發(fā)的瞬變流計(jì)算軟件。TAP模型的應(yīng)用：用于模擬啟閉閘門、啟停泵，深隧快速充滿等工況下的壓力波傳播過程；Ansys FLUENT是一款先進(jìn)的CFD軟件，通過使用FLUENT求解流動(dòng)方程，可以求解流動(dòng)、傳熱、燃燒、相變等多種物理現(xiàn)象，計(jì)算結(jié)果可以顯示流場(chǎng)中各項(xiàng)參數(shù)的詳細(xì)信息。但CFD一般用于模擬深隧局部細(xì)節(jié)的流體運(yùn)動(dòng)，整體的模擬存在效率低、運(yùn)算時(shí)間長等缺點(diǎn)。例如，模擬一個(gè)如下的豎井跌落段的一個(gè)氣液兩相工況，需要4核電腦(intel i4790 3.6GHZ CPU)大概運(yùn)算360～400h；ITM(Illinois Transient Model)模型是由美國伊利諾伊大學(xué)某分校2004年開發(fā)，基于有限體積法的瞬變流模擬軟件。ITM是當(dāng)前較為成熟的隧道瞬變流模型，基本代表了當(dāng)今世界隧道瞬變流分析的領(lǐng)先技術(shù)，該模型可用于模擬合流排水系統(tǒng)各種工況的流態(tài)，包括明渠流、重力流、壓力流(包括水錘過程)、明滿交替流等，適用于包含入流豎井、調(diào)蓄池、連接管等各種水平豎直方向的排水系統(tǒng)，而且能夠模擬分隔閘門的啟閉。ITM模型被廣泛應(yīng)用于歐美、日本等國家以及中國香港、廣州等地區(qū)的深層隧道系統(tǒng)的水流模擬[10]。鑒于數(shù)值模擬的尺度及模型應(yīng)用的廣泛性，本論文采用ITM對(duì)二三級(jí)管道入流方式及管徑大小與瞬變流災(zāi)害發(fā)生的關(guān)系進(jìn)行研究。

ITM模型采用明渠非恒定流使用1D圣維南方程，壓力項(xiàng)用傳統(tǒng)1D可壓縮水錘方程，明渠受壓表面采用連續(xù)、動(dòng)量、能量方程模擬，具體控制方程的向量形式如下：

(1)

對(duì)于一維明渠非均勻流來說，源匯項(xiàng)可寫為：

(2)

(3)

(4)

對(duì)于可壓縮壓力流，向量形式的方程可以寫為以下格式：

(5)

(6)

(7)

式中，Af—過水?dāng)嗝婷娣e，m2；p—管道中心壓力，N；ρf—液體密度，kg/m3。

由于壓力波的傳播公式可以利用下式計(jì)算：

(8)

式中，Af—過水?dāng)嗝婷娣e，m2；p—管道中心壓力，N；ρf—液體密度，kg/m3。

最后反解壓力項(xiàng)即可求解整個(gè)方程組。模型中水擊波的的傳播速度可按照以下公式計(jì)算：

(9)

3 二三級(jí)管道入流方式與瞬變流災(zāi)害關(guān)系研究

由于二三級(jí)管道最終接入綜合設(shè)施管道的標(biāo)高不同，二三級(jí)管道入流可以分為直接接入豎井(二次跌落)方式以及倒虹方式(一次跌落)2種，如圖3所示。

圖3 2種入流方式示意圖

根據(jù)模型模擬結(jié)果，如圖4所示，5年一遇情境下，自然入流方案未發(fā)現(xiàn)明顯的瞬變流災(zāi)害，不同時(shí)刻的管道內(nèi)的水面線較為穩(wěn)定。

圖4 兩次跌落入流方式水力坡度變化過程

5年一遇情境下，一次跌水入流(倒虹方式)方案發(fā)現(xiàn)明顯的瞬變流災(zāi)害。如圖5所示，1h12min左右，節(jié)點(diǎn)235管段發(fā)生了從緩流-急流-緩流的流態(tài)變化(詳見235節(jié)點(diǎn)佛汝德數(shù)變化圖)，節(jié)點(diǎn)235水頭最高達(dá)到約25m(絕對(duì)標(biāo)高)，且節(jié)點(diǎn)235上游管道出現(xiàn)負(fù)壓。瞬變流帶來的水擊波持續(xù)時(shí)間約為35min(1h11min～1h46min)。增壓波在往上游傳播的過程中，上游管道產(chǎn)生較大的正壓，減壓波在向下游傳播的過程中也會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的負(fù)壓，瞬變流問題較為明顯，部分節(jié)點(diǎn)甚至出現(xiàn)了大于-50m負(fù)壓。

圖5 一次跌落入流方式水力坡度變化過程

為改善瞬變流帶來的不利水力條件，增大各個(gè)節(jié)點(diǎn)的井室面積(28→113m2)，模擬結(jié)果如圖6所示，根據(jù)不同時(shí)刻的水力坡度線，再增加了井室面積后，對(duì)系統(tǒng)起到了明顯的調(diào)壓作用，節(jié)點(diǎn)未出現(xiàn)水頭超過地面的情況，瞬變流帶來的水擊波災(zāi)害持續(xù)時(shí)間約為6min(1h12min～1h18min)，僅相當(dāng)于一次跌水入流(倒虹方式)的17%，大大改善了瞬變流帶來的不利水力條件，但部分管段仍出現(xiàn)較為嚴(yán)重的負(fù)壓。

圖6 增大節(jié)點(diǎn)井室面積后節(jié)點(diǎn)水力坡度變化過程

4 二三級(jí)管道管徑與瞬變流災(zāi)害關(guān)系研究

為研究二三級(jí)管網(wǎng)標(biāo)高整體抬升的可能性，對(duì)兩次跌水方案管徑縮小后的工況進(jìn)行模擬，主要分析管徑縮小后是否會(huì)引起不利的水力條件。二三級(jí)管網(wǎng)管徑變化見表3。

表3 二三級(jí)管道管徑變化表

根據(jù)模型模擬結(jié)果，如圖7所示，縮小二三級(jí)管道管徑后，5年一遇情境下，方案發(fā)現(xiàn)明顯的瞬變流災(zāi)害。1h4min瞬變流帶來不利的水力條件，持續(xù)30min左右，瞬變流現(xiàn)象極為顯著，多處節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重的瞬變流正壓及負(fù)壓，部分節(jié)點(diǎn)正壓高達(dá)50m，負(fù)壓接近-100m。

圖7 縮小二三級(jí)管道管徑后節(jié)點(diǎn)水力坡度變化過程

5 結(jié)論

本文以A排水系統(tǒng)為例，采用ITM對(duì)二三級(jí)管道入流方式及管徑大小與瞬變流災(zāi)害發(fā)生的關(guān)系進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，雖然從控制管道埋深的角度，倒虹入流的方式可以節(jié)約造價(jià)、減少施工難度，但從水力災(zāi)害控制的角度，倒虹入流方式在設(shè)計(jì)工況下可能帶來較嚴(yán)重的瞬變流災(zāi)害，工程設(shè)計(jì)應(yīng)盡量采用直接入流的方式；同時(shí)，二三級(jí)管道管徑采用一定冗余度的設(shè)計(jì)，對(duì)于控制瞬變流水利災(zāi)害可以起到積極的作用。深隧系統(tǒng)的入流非常復(fù)雜，涉及三個(gè)層次的入流，淺層管網(wǎng)進(jìn)入二三級(jí)管道、二三級(jí)管道進(jìn)入豎井以及豎井內(nèi)的水流跌落進(jìn)入主隧道，本文僅從二三級(jí)管道進(jìn)入豎井的角度進(jìn)行了分析，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍需統(tǒng)籌考慮其他層次的消能、排氣等風(fēng)險(xiǎn)。