袁勝楠 白永強(qiáng)劉緒為 方帥

【摘 ? ?要】：針對(duì)深層排水系統(tǒng)中豎井結(jié)構(gòu)對(duì)跌水消能效果、匯流過(guò)渡段水流流態(tài)、關(guān)鍵部位壓力、流速分布等水力特性的影響及泵站前池形式對(duì)水泵吸水口水流流態(tài)的影響，以實(shí)際工程為例，依據(jù)重力相似準(zhǔn)則，構(gòu)建豎井和泵站的水工物理模型，根據(jù)模擬結(jié)果結(jié)果優(yōu)化豎井和泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到消能效果更好的折板式消能豎井結(jié)構(gòu)及流態(tài)更優(yōu)的泵站結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】：豎井；泵站；折板消能；流態(tài)；深層排水系統(tǒng)

【中圖分類號(hào)】：TU992.25【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：1008-3197（2023）02-01-06

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.001

Research and Application of Shaft and Pump Station Model in

Deep Drainage System

YUAN Shengnan， LIU Xuwei， BAI Yongqiang， FANG Shuai

（North China Municipal Engineering Design & Research Institute Co. Ltd.， Tianjin 300381，China）

【Abstract】：This paper focuses on the energy dissipation effect of the shaft structure on the falling water in the deep drainage system， the flow state of the confluence transition section， the pressure of key parts， the flow velocity distribution and other hydraulic characteristics， and the influence of the form of the pump station forebay on the water flow state of the pump suction port. The paper takes a pratical project as an example， based on the gravity similarity criterion constructs the hydraulic physical model of the shaft and the pumping station. According to the simulation results， the paper optimizes the structural design of the shaft and the pumping station， and obtains a folded-plate energy-dissipating shaft structure with a better energy dissipation effect and a more fluid state.

【Key words】：shaft; pump station； fold plate energy dissipation; hydraulic character; deep drainage system

我國(guó)城鎮(zhèn)中的老城區(qū)面臨的主要問(wèn)題是合流制溢流污染（CSO）和內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)[1]，老城區(qū)地上建筑密集、地下管線復(fù)雜，通過(guò)建設(shè)淺層地下排水管道來(lái)提高排水標(biāo)準(zhǔn)和完善截污系統(tǒng)異常困難且代價(jià)巨大；因此，利用地下深層空間建設(shè)大型排水隧道成為國(guó)外許多發(fā)達(dá)城市的選擇。目前，地下深層排水技術(shù)已廣泛應(yīng)用于巴黎、東京等城市的水污染防治和排洪防澇中并取得了較好效果；我國(guó)廣州、上海等城市也在積極探索其應(yīng)用[2]。

深層排水系統(tǒng)通常由預(yù)處理單元、入流豎井、傳輸隧道和末端泵站組成。作為淺層與深層排水管道的銜接過(guò)渡設(shè)施，為適應(yīng)地形條件和滿足匯水要求，入流豎井入流量大小不一且入流方向及高程各異，從而導(dǎo)致深層排水系統(tǒng)運(yùn)行條件、方式和水力特征復(fù)雜并伴隨摻氣、排氣現(xiàn)象。對(duì)于這些復(fù)雜的水流現(xiàn)象，目前理論分析計(jì)算還不能解決實(shí)際工程問(wèn)題；因此，研究豎井消能效果與匯流過(guò)渡段水流流態(tài)，確定關(guān)鍵部位的壓力分布和流速分布，論證豎井銜接段的水力特性，指導(dǎo)入流豎井型式和布置構(gòu)造十分必要[3～4]。同時(shí)，末端泵站承擔(dān)著整個(gè)排水系統(tǒng)的排水任務(wù)，其運(yùn)行狀態(tài)是否良好直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，不同工況下泵站前池水位、運(yùn)行機(jī)組數(shù)量各不相同，前池、水泵進(jìn)水口等流態(tài)各異，可能對(duì)水泵的運(yùn)行效率、安全性、耐久性等產(chǎn)生影響；因此，需要對(duì)排洪泵組各種典型運(yùn)行工況的水力條件進(jìn)行模擬，試驗(yàn)排水泵站水泵進(jìn)水通道結(jié)構(gòu)可行性，針對(duì)存在問(wèn)題提出必要和合理的整流措施，優(yōu)化水泵進(jìn)水通道的水流條件，為流道設(shè)計(jì)和水泵的安全可靠運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)[5～7]。

1 工程概況

鎮(zhèn)江沿金山湖CSO溢流污染綜合治理工程深層排水系統(tǒng)由淺層匯水系統(tǒng)、入流豎井、深層大口徑管道和末端多功能泵站組成，服務(wù)面積約8.79 km2。系統(tǒng)包括長(zhǎng)6.2 km、坡度1‰的大口徑管道，5座采用折板消能形式的淺層入流豎井及1座采用沉井施工的末端多功能雨水泵站。見(jiàn)圖1和表1-表2。

2 模型設(shè)計(jì)及測(cè)試方案

2.1 模型設(shè)計(jì)

2.1.1 豎井模型

根據(jù)折板豎井的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及水力學(xué)特征，依據(jù)重力相似準(zhǔn)則建立模型。模型幾何比尺為1∶15，其他物理量比尺可根據(jù)重力相似準(zhǔn)則換算得到：幾何比尺λL=15，流速比尺λV=λL0.5=3.87，時(shí)間比尺λt=λL0.5=3.87，流量比尺λQ=λL2.5=871.42。

模擬折板式豎井、鄰近豎井的淺層系統(tǒng)連接段、豎井上下游部分大口徑頂管段等。為便于觀測(cè)，整個(gè)模型全部采用有機(jī)玻璃制作，供水通過(guò)鋼管由試驗(yàn)廳供水系統(tǒng)提供。

2.1.2 末端泵站模型

根據(jù)末端泵站的體型尺寸、泵站喇叭口尺寸、泵站前池及喇叭口進(jìn)口附近的水力特征，模型試驗(yàn)中幾何比尺選擇1∶10，其他物理量比尺可根據(jù)重力相似準(zhǔn)則換算得到：幾何比尺Lr=10，流速比尺Vr=Lr0.5=3.16，時(shí)間比尺tr=tr0.5=3.2，流量比尺Qr=Lr2.5=316.2，糙率比尺nr=nr1/6=1.468。

渦旋模擬是泵站水力學(xué)模型試驗(yàn)的關(guān)鍵任務(wù)之一，若水泵進(jìn)水通道體型設(shè)計(jì)不當(dāng)，易引起漩渦，降低水泵運(yùn)行效率，導(dǎo)致水泵振動(dòng)和損壞。由于渦旋形成的因素較為復(fù)雜，如邊界條件、來(lái)流條件、水的表面張力等，因此渦旋的模擬比較復(fù)雜且須考慮縮尺效應(yīng)對(duì)漩渦生成及強(qiáng)度的影響。美國(guó)相關(guān)的水泵進(jìn)水口模型試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/HI 9.8—2012認(rèn)為：當(dāng)模型徑向雷諾數(shù)＞6.0×104，韋伯?dāng)?shù)＞240時(shí)，即可忽略模型的縮尺效應(yīng)。

根據(jù)末端泵站的運(yùn)行設(shè)計(jì)，小排澇泵的原型過(guò)流量為2.00 m3/s，對(duì)應(yīng)的吸水管喇叭口直徑為846 mm；大排澇泵的原型過(guò)流量為4.33 m3/s，對(duì)應(yīng)的吸水管喇叭口直徑為1 410 mm。對(duì)于幾何比尺為1∶10的模型，易求得末端泵站模型中大、小排洪泵吸水管中水流的徑向雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)。

小排澇泵徑向雷諾數(shù)[Rr=4QνπD≈9.4×104]

式中：Q為流量；[ν]為流速；D為管道直徑。

韋伯?dāng)?shù)[Wb=ρu2Dσ=1 471]

式中：[ρ]為水的密度；u為特征流速；[σ]為水的表面張力系數(shù)。

大排澇泵徑向雷諾數(shù)[Rr=4QνπD≈12.3×104]

韋伯?dāng)?shù)[Wb=ρu2Dσ=1 489]

模型徑向雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)的計(jì)算結(jié)果均大于界限值，縮尺效應(yīng)對(duì)渦旋特征的影響可以忽略，可認(rèn)為模型漩渦與原型漩渦有良好的相似性。結(jié)合末端泵站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及水流特點(diǎn)，將泵站模型設(shè)計(jì)為自循環(huán)式，模擬泵站前池、排洪泵吸水管及喇叭口、泵站進(jìn)水口鄰近的大口徑頂管；用有機(jī)玻璃制作，以便于進(jìn)行流態(tài)觀測(cè)。尾水池為磚混結(jié)構(gòu)。

2.2 測(cè)量布置

1）壓力測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)表3。

2）水墊水深和水舌落點(diǎn)測(cè)量位置見(jiàn)表4。

3）流速測(cè)點(diǎn)。為更加清晰地了解末端泵站的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和流速特征，選擇10條典型測(cè)線進(jìn)行流速測(cè)量。每條典型測(cè)線均以距底50 cm作為臨底流速測(cè)點(diǎn)并以此為起點(diǎn)向上以間隔100 cm進(jìn)行其他流速測(cè)點(diǎn)的布置。

2.3 測(cè)試方法

1）水流流態(tài)：人工觀測(cè)記錄描述，必要時(shí)借助顏色水顯色技術(shù)（高濃度的高錳酸鉀溶液）輔助觀測(cè)。

2）流量：量程為0～80 m3/h、精度為0.5%的電磁流量計(jì)。

3）動(dòng)水壓強(qiáng)：壓力傳感器。

4）水墊水深和水舌挑距：讀數(shù)精度為±0.5 mm的鋼板尺。

5）表面漩渦：有色液體或碎屑輔助下進(jìn)行觀測(cè)并有攝像設(shè)備隨時(shí)錄像，保存視頻資料以備查驗(yàn)校核。

6）水內(nèi)漩渦：借助顏色水顯色技術(shù)（高濃度的高錳酸鉀溶液）輔助觀測(cè)并有攝像設(shè)備隨時(shí)錄像，保存視頻資料以備查驗(yàn)校核。

7）預(yù)旋測(cè)試：高濃度的高錳酸鉀溶液顯色觀測(cè)，并以視頻錄像做輔助。

8）吸水管內(nèi)水流旋度測(cè)試：旋度計(jì)。

9）流速：聲學(xué)多普勒測(cè)速儀（MicroADV）。

3 試驗(yàn)工況及條件

3.1 迎江路泵站節(jié)點(diǎn)豎井

迎江路泵站節(jié)點(diǎn)豎井的設(shè)計(jì)過(guò)流流量為2.15 m3/s，選擇4組典型工況對(duì)豎井入流、出流結(jié)構(gòu)的水流流態(tài)、水力特性、氣泡分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律等進(jìn)行研究。見(jiàn)表5。

3.2 平政橋泵站節(jié)點(diǎn)豎井

平政橋泵站節(jié)點(diǎn)豎井布置了2個(gè)入流管道，上層入流管道設(shè)計(jì)過(guò)流量為2.55 m3/s，下層入流管道設(shè)計(jì)過(guò)流量為7.77 m3/s。選擇4組典型工況對(duì)豎井入流、出流結(jié)構(gòu)的水流流態(tài)、水力特性、氣泡分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律等進(jìn)行研究。見(jiàn)表6。

3.3 江濱泵站節(jié)點(diǎn)豎井

江濱泵站節(jié)點(diǎn)豎井的設(shè)計(jì)過(guò)流流量為9.71 m3/s，選擇4組典型工況對(duì)豎井入流、出流結(jié)構(gòu)的水流流態(tài)、水力特性、氣泡分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律等進(jìn)行研究。見(jiàn)表7。

3.4 末端多功能泵站

根據(jù)末端泵站的運(yùn)行工況，1#泵運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)液位與停泵液位相同，均為-7.00 m；2#泵運(yùn)行時(shí)，其啟動(dòng)液位為-5.50 m，停泵保護(hù)液位為-7.00 m，即2臺(tái)泵運(yùn)行的最低液位為-7.00 m；當(dāng)3臺(tái)或更多泵運(yùn)行時(shí)，設(shè)計(jì)運(yùn)行工況中均提供了啟動(dòng)液位。提水流量相同，泵站中水位越低，越易出現(xiàn)漩渦等不利流態(tài)；因此，工況主要考慮各種數(shù)量排洪泵運(yùn)行時(shí)最低水位對(duì)應(yīng)的工況。見(jiàn)表8。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 迎江路泵站節(jié)點(diǎn)豎井

4.1.1 水流流態(tài)

4組典型工況下，進(jìn)水管均為滿流，從首層折板的渠道堰溢流后逐層跌落，在下方折板及消能池中形成比較穩(wěn)定的消能水墊，各折板之間流態(tài)銜接良好。見(jiàn)圖2。

隨入流流量增大，各層折板上的水墊水深呈增大趨勢(shì)，自第2層折板跌落后，水舌挑距增幅較小。各層折板之間水舌挑距相近，即各層折板出口處的流速相近，水流逐級(jí)跌落過(guò)程中能量沒(méi)有明顯積累增大，在折板間距確定的情況下，兩層折板之間的水舌挑距與折板出口邊沿的水流流速有關(guān)，初步判斷，折板豎井的消能效果良好。

首層折板的渠道堰背面均形成空氣腔，水流較不穩(wěn)定，水舌有明顯的擺動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)流量＞1.43 m3/s時(shí)，部分水流越過(guò)第1層折板直接跌落至第2層折板，可能增強(qiáng)對(duì)第2層折板的沖擊作用。

消能池形成的水墊水深均大于溢流堰1 m的堰高。工況1～3水流跌落至消能池，紊動(dòng)劇烈并產(chǎn)生較多氣泡，水流挾帶氣泡從堰頂溢流至大口徑頂管。隨著入流量的增大，水舌挑距逐漸增大，水流紊動(dòng)增強(qiáng)，頂管中的水流為明流，水流平穩(wěn)地在豎井內(nèi)轉(zhuǎn)彎過(guò)渡。工況4水流逐級(jí)跌落至第7層折板，在被淹沒(méi)的第7層折板上方產(chǎn)生旋渦和氣泡，氣泡在觸及第7層折板之前即上浮釋放，試驗(yàn)過(guò)程中，未見(jiàn)氣泡繞過(guò)擋墻及進(jìn)入豎井干區(qū)水域。水舌均穩(wěn)定跌落在下方折板上，隨著水流往下跌落，水墊水深和水舌挑距變化不大，豎井的消能效果良好。見(jiàn)圖3。

工況1～3管中的水流為明流，水流平穩(wěn)地在豎井內(nèi)轉(zhuǎn)彎過(guò)渡；工況3消能池內(nèi)激起的水花越過(guò)溢流堰跌落至頂管入口處，引起管內(nèi)水面波動(dòng)。工況4頂管滿流，試驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)豎井內(nèi)的氣泡進(jìn)入管內(nèi)。

4.1.2 管道進(jìn)氣及漩渦

設(shè)計(jì)流量運(yùn)行下，不同豎井水深均未見(jiàn)大口徑管道入口處出現(xiàn)有危害的漩渦。豎井水深＜3.85 m時(shí)，大口徑管處于明流狀態(tài)；豎井水深為3.90～4.08 m時(shí)，大口徑管處于明滿流臨界狀態(tài)，大量成團(tuán)大氣泡頻繁冒入大口徑管內(nèi)，在大口徑管頂部形成長(zhǎng)條氣囊；豎井水深＞4.30 m時(shí)，鮮有氣泡進(jìn)入大口徑管內(nèi)。迎江路泵站節(jié)點(diǎn)豎井的入流流量和管道匯入流量均較小，大口徑管頂部形成的氣囊未被水流挾帶至下游。

4.1.3 動(dòng)水壓力

豎井內(nèi)各層折板及消能池底板上的時(shí)均壓力分布規(guī)律相同，相同工況下，時(shí)均壓強(qiáng)大小相近，實(shí)測(cè)最大時(shí)均壓力僅14.23 kPa，表明逐級(jí)折板跌流消能效果良好；不同工況下，各典型位置均未出現(xiàn)負(fù)壓。

4.1.4 頻譜分析

豎井內(nèi)水流脈動(dòng)壓力的主頻一般＜2.5 Hz，壓力脈動(dòng)能量集中在5 Hz以下的范圍，最大脈動(dòng)壓力均方根值為5.98 kPa。豎井結(jié)構(gòu)的第1階自振頻率為23.75 Hz，第2～10階自振頻率均在35 Hz以上。豎井的固有頻率與豎井中水流的主頻相差較大，水流脈動(dòng)不會(huì)引起豎井結(jié)構(gòu)共振。

4.2 平政橋泵站節(jié)點(diǎn)豎井

4.2.1 水流流態(tài)

豎井滿足2個(gè)進(jìn)水管共泄10.32 m3/s的設(shè)計(jì)過(guò)流量要求。上層進(jìn)水管過(guò)流量為0.85 m3/s時(shí)，管內(nèi)水流為明流；過(guò)流量＞1.70 m3/s時(shí)，管內(nèi)水流為滿流。下層進(jìn)水管過(guò)流量＜5.18 m3/s時(shí)，管內(nèi)水流為明流，過(guò)流量＞7.77 m3/s時(shí)，管內(nèi)水流為滿流；上下兩層進(jìn)水管內(nèi)的水流平穩(wěn)。

第1層和第3層折板上的渠道堰背面均形成空氣腔，水流較不穩(wěn)定，水舌有明顯擺動(dòng)現(xiàn)象。第1層從渠道堰直墻段跌落的水舌落點(diǎn)較為接近折板邊緣，上層進(jìn)水管消能效果欠佳；第3層渠道堰跌落的水流與自第2層折板跌落的水流在空中交匯碰撞，交匯水流擺動(dòng)較大。

各層折板以及消能池上能夠形成比較穩(wěn)定的消能水墊，逐級(jí)跌流在折板上的水墊水深和水舌挑距變化不大，折板消能豎井的消能效果良好。

小流量和設(shè)計(jì)流量低水位工況，濕區(qū)水流從消能池溢流堰頂?shù)渲粮蓞^(qū)管段存在水流摻氣現(xiàn)象，不影響大口徑頂管明流的運(yùn)行；設(shè)計(jì)流量高水位工況，大口徑頂管的水流為滿流，豎井內(nèi)的氣泡在濕區(qū)上浮釋放，沒(méi)有出現(xiàn)氣泡進(jìn)入頂管的現(xiàn)象。

4.2.2 管道進(jìn)氣及漩渦

設(shè)計(jì)流量運(yùn)行下，豎井水深＜3.67 m時(shí)，大口徑管處于明流狀態(tài)；豎井水深為3.75～4.10 m時(shí)，大口徑管處于明滿流臨界狀態(tài)，大量成團(tuán)大氣泡頻繁冒入大口徑管內(nèi)；豎井水深為4.15～4.38 m時(shí)，大口徑管入口出現(xiàn)間斷吸氣漩渦，卷入氣泡進(jìn)入大口徑管洞內(nèi)；豎井水深＞4.53 m時(shí)，大口徑頂管進(jìn)口處的漩渦及進(jìn)氣現(xiàn)象消失。

4.2.3 動(dòng)水壓力

各層跌落水流沖擊區(qū)以及消能水墊區(qū)的時(shí)均壓強(qiáng)相對(duì)較大，折板邊緣位置時(shí)均壓強(qiáng)較??；不同工況下，各典型位置的時(shí)均壓強(qiáng)均為正壓。設(shè)計(jì)流量下，折板上的最大時(shí)均壓強(qiáng)僅為30.39 kPa，壅水水墊區(qū)壓強(qiáng)分布比較均勻。

第2層和第4層折板跌流沖擊區(qū)附近的水流脈動(dòng)壓力較大，實(shí)測(cè)最大脈動(dòng)壓力均方根值分別為3.32、3.84 kPa，分別為時(shí)均壓力值的52.6%、22.2%；消能池底板的跌流沖擊區(qū)水流脈動(dòng)壓力較大，最大脈動(dòng)壓力均方根值達(dá)9.81 kPa，為時(shí)均壓力值的35.5%?？傮w上看，脈動(dòng)壓力不大，不會(huì)對(duì)折板消能豎井的安全造成威脅。

4.2.4 頻譜分析

豎井內(nèi)水流脈動(dòng)壓力的主頻＜2 Hz，壓力脈動(dòng)能量集中在5 Hz以下的范圍。結(jié)構(gòu)的第1階自振頻率為17.17 Hz，第2～10階自振頻率均在25 Hz以上。豎井結(jié)構(gòu)的固有頻率與豎井中水流的主頻相差較大，水流脈動(dòng)不會(huì)引起豎井結(jié)構(gòu)共振。

4.3 江濱泵站節(jié)點(diǎn)豎井

4.3.1 水流流態(tài)

過(guò)流量為3.24 m3/s時(shí)，進(jìn)水管內(nèi)水流為平穩(wěn)順暢的明流，渠道堰下游面形成分離空腔，水流比較穩(wěn)定；過(guò)流量為6.47 m3/s時(shí)，進(jìn)水管內(nèi)水流處于滿流向明流轉(zhuǎn)換的過(guò)渡流態(tài)，出口段水面有波動(dòng)，渠道堰拱墻段下游面存在不穩(wěn)定渦管，過(guò)堰水流水舌擺動(dòng)較大，渠道堰直墻段跌落的水股間歇地越過(guò)第1層折板邊緣直接跌落至第2層折板；過(guò)流量為9.71 m3/s時(shí)，進(jìn)水管的水流為滿流。

折板以及消能池上能夠形成比較穩(wěn)定的消能水墊，水舌均穩(wěn)定跌落在下方折板上，隨著水流往下跌落，水墊水深和水舌挑距變化不大，折板豎井的消能效果良好。

小流量和設(shè)計(jì)流量低水位時(shí)，濕區(qū)水流從消能池溢流堰頂?shù)渲粮蓞^(qū)管段，大口徑頂管的水流為明流，水流在豎井內(nèi)明渠管段轉(zhuǎn)彎過(guò)渡的流態(tài)平穩(wěn)；設(shè)計(jì)流量高水位時(shí)，大口徑頂管的水流為滿流，豎井內(nèi)的氣泡在濕區(qū)上浮釋放，未發(fā)現(xiàn)氣泡進(jìn)入頂管的現(xiàn)象。

4.3.2 管道進(jìn)氣及漩渦

設(shè)計(jì)流量運(yùn)行下，豎井水深＜3.78 m時(shí)，大口徑管處于明流狀態(tài)；豎井水深為3.90～4.08 m時(shí)，大口徑管處于明滿流臨界狀態(tài)，大量成團(tuán)大氣泡頻繁冒入大口徑管內(nèi)；豎井水深為4.08～5.43 m時(shí)，大口徑管入口出現(xiàn)間斷吸氣漩渦，挾帶氣泡進(jìn)入大口徑管洞內(nèi)；豎井水深達(dá)6.93 m時(shí)，大口徑管入口前的水面偶爾出現(xiàn)表面漩渦，漩渦吸氣現(xiàn)象消失。

4.3.3 動(dòng)水壓力

設(shè)計(jì)流量下，折板最大時(shí)均壓力僅為23.10 kPa，消能水墊區(qū)壓力分布比較均勻。第1層折板邊緣存在負(fù)壓，但負(fù)壓值較小，不會(huì)引起空化水流。實(shí)測(cè)折板及消能池底板水流脈動(dòng)壓力均方根值的最大值為6.42 kPa，水流脈動(dòng)壓力不大。

4.3.4 頻譜分析

水流脈動(dòng)的主頻＜2 Hz，壓力脈動(dòng)能量集中在5 Hz以下的范圍。豎井結(jié)構(gòu)的第1階自振頻率為10.42 Hz，第2～10階自振頻率均在20 Hz以上。豎井的固有頻率與豎井中水流的主頻相差較大，水流脈動(dòng)不會(huì)引起豎井結(jié)構(gòu)共振。

4.4 末端多功能泵站

1）當(dāng)較少數(shù)量的排澇泵運(yùn)行時(shí)（如1臺(tái)或2臺(tái)），末端泵站各典型區(qū)域內(nèi)的水面均較為平靜；隨著排澇泵運(yùn)行數(shù)量的增多，泵站進(jìn)口前池及中心前池中會(huì)出現(xiàn)上涌水股且上涌水流強(qiáng)度隨水泵運(yùn)行數(shù)量的增加而增強(qiáng)，同時(shí)表面會(huì)形成橫向的流動(dòng)。當(dāng)8臺(tái)泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)，進(jìn)口前池及中心前池中的上涌水股強(qiáng)度最大，受其影響，進(jìn)口前池中的水面出現(xiàn)明顯壅高，最大壅高幅度約0.2 m。

2）在各典型工況下，排澇泵正向前池內(nèi)水面均比較平穩(wěn)，各水泵的正向前池內(nèi)均沒(méi)有生成表面漩渦及水內(nèi)漩渦。泵站入流導(dǎo)致進(jìn)口前池臨近底部存在明顯的射流區(qū)，受其影響，在射流區(qū)上部及下部形成了橫軸漩渦。比較泵站進(jìn)口前池遠(yuǎn)端垂向流速分布及側(cè)向流道內(nèi)的垂向流速分布可知，泵站入流主要通過(guò)遠(yuǎn)端壁面高位孔進(jìn)入了中心前池中，然后向兩側(cè)泵站分流。

3）各典型工況下，各排澇泵吸水管內(nèi)的10 min平均渦旋角及10 min最大渦旋角均＜5°，滿足泵站正常運(yùn)行時(shí)對(duì)吸水管渦旋角的要求。吸水管喇叭口處的流速分布較為均勻，斷面內(nèi)各流速測(cè)點(diǎn)的最大時(shí)均流速空間偏差及最大流速波動(dòng)偏差分別為4.69%、3.59%，均＜10%，滿足泵站喇叭口進(jìn)流要求。在-7.0～-1.0 m運(yùn)行時(shí)，各水泵對(duì)應(yīng)的正向前池內(nèi)均未出現(xiàn)不良流態(tài)，滿足水泵的運(yùn)行要求。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

根據(jù)物理試驗(yàn)結(jié)果，在各種典型工況下，折板上及消能池中均可形成穩(wěn)定的消能水墊且各層折板上跌落水流的挑距及水流流態(tài)無(wú)明顯變化，說(shuō)明折板消能豎井的消能效果良好，折板間距的取值合理。

典型小流量工況和設(shè)計(jì)流量低水位工況時(shí)，大口徑管道為明流流態(tài)；設(shè)計(jì)流量高水位工況時(shí)，大口徑管道的水流為滿流，此時(shí)水流在折板間跌落過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡均在濕區(qū)內(nèi)完成上浮釋放，試驗(yàn)中未觀測(cè)到氣泡進(jìn)入大口徑管道的現(xiàn)象。

在設(shè)計(jì)流量運(yùn)行工況時(shí)，不同豎井水深均未見(jiàn)大口徑管道入口處出現(xiàn)有危害的漩渦。當(dāng)水流為明流或處于明滿流臨界狀態(tài)，大量成團(tuán)大氣泡頻繁冒入大口徑管道，在管道頂部形成長(zhǎng)條氣囊，隨著豎井內(nèi)水深增加，管道入口先是出現(xiàn)間斷吸氣漩渦，挾帶氣泡進(jìn)入管道內(nèi)，豎井水深再增加入口處的表面漩渦偶爾出現(xiàn)，漩渦吸氣現(xiàn)象隨之消失。典型折板上的時(shí)均壓力分布合理，不會(huì)誘發(fā)空化水流；同時(shí)，水流脈動(dòng)均不會(huì)引起豎井結(jié)構(gòu)共振。

5.2 建議

1）豎井增設(shè)堰后通氣通道并適當(dāng)調(diào)整渠道堰的布置或適當(dāng)加長(zhǎng)第1層折板長(zhǎng)度。

2）豎井頂部設(shè)置排氣孔，避免洞內(nèi)滯留氣團(tuán)形成壓縮氣囊引起不穩(wěn)定水流。

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