倒虹吸隧道智能排污结构构想与数值分析

王路生， 姚佳良，*， 芮勇勤

(1. 长沙理工大学交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114； 2. 东北大学资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819)

0 引言

随着全球气候变暖,极端暴雨灾害的发生日趋频繁，由于城市管网的设计标准偏低、老化及泄水能力有限等导致越来越多的城市发生内涝问题[1]，市政雨水、污水合理排放问题亟待解决。同时，我国交通已经进入大发展、大繁荣时代，排水、排污工程跨越高速公路、山谷、洼地及其他障碍物等情况屡见不鲜。竖井式倒虹吸管是跨越障碍物常用的排污结构，主要由进口工作井、管身隧道和出口工作井组成，具有构造简单、管路短及施工方便等优点，但其对漂浮物和泥砂(以下称污物)较多的水源引排时，若不能及时对工作井进行清淤，常会造成工作井堵塞的情况。

在排水、排污工程中，倒虹吸管的应用较为广泛，其管身建设可与隧道排水工程相结合。国内学者对倒虹吸管和隧道排水工程进行了深入研究。文献[2]利用水力学模型试验说明淹没深度对深进式倒虹吸管影响较大，而对斜管式和竖管式影响较小；文献[3]提出隧道的排水系统设计应精确定位排水量、结构排水能力，合理确定隧道断面和泵房布置的建议；文献[4]提出深隧排水系统的浅层和整体调度、降雨信息与深隧运行融合等建议；文献[5]提出基于ALE法的输水隧道地震动力响应数值模拟方法；文献[6]利用FLAC3D对排水系统堵塞时二次衬砌上的外水压力进行了研究，总结了堵塞时二次衬砌上的水压变化规律；文献[7-9]提出，由隧道壁面粗糙度产生的摩阻力是隧道通风设计中不可忽略的因素，对排水隧道壁面粗糙度影响研究亦有所启示。以上文献均未对减少甚至消除倒虹吸隧道中污物的沉积和堵塞问题进行研究，故本文研究主要侧重于尝试解决该问题，通过采用SolidWorks软件[10-14]对不同工况下的倒虹吸隧道排污状况进行研究，以确定最优排污结构。

本文依托北京市某引水隧道工程，考虑水流的湍流位置和流速对水中杂质具有带动作用，在竖井式倒虹吸管的基础上，通过引入合理尺寸的辅助块体，构想一种新型的隧道工作井智能排污结构，并利用SolidWorks软件进行数值优化分析，探究最优智能排污结构的效果，以期为减少工作井的堵塞、降低清淤及维护费用提供参考。

1 倒虹吸隧道模型建立

1.1 依托工程概况

本文研究依托北京市某雨污水管线工程，其为将市政道路及居民区产生的雨水等引入河流而修建。主隧道采用浅埋暗挖法施工，施工中将隧道开挖后围岩和支护系统力学形态的变化动态作为判别围岩稳定性即支护系统可靠性的依据，并将施工监测所获得的信息加以处理，以及时调整、修改围岩级别、支护参数，进行支护衬砌的再设计。该工程下穿高速公路，西侧临路，南侧临河，北侧为城镇居民区，其平面布置和信息化施工流程如图1所示。

工程场地影响的地质埋深在30 m内，在勘探深度范围内观测到1层地下水，地下水的类型为潜水，测得稳定水位埋深在9.20～12.00 m，按标高从上至下的土质类型分别为素填土、黏质粉土、粉质黏土，其他工程类别参数如表1所示。

(a) 工程平面布置

(b) 信息化施工流程

表1 基本工程类别参数指标表

1.2 SolidWorks建模过程

SolidWorks软件可与CAD软件及ANSYS、MIDAS/GTS等其他通用有限元软件相配合，既能快速提升三维建模能力，又能便捷化修改和导入其他软件进行分析。在该工程的建模中，隧道的断面较为复杂，可直接将CAD图复制进SolidWorks中进行简单修改，便可拉伸为三维实体；对于工作井的建模，由于其尺寸相对简单，可利用SolidWorks软件超强的建模能力，通过简单的绘图、拉伸、切除功能迅速建成模型。在隧道和工作井建模完成后，打开SolidWorks装配体界面，导入成型后的隧道和工作井模型，利用重合、距离等配合命令将其装配至完全定义。然后，利用转换实体引用、切除等功能命令，在工作井模型上生成隧道槽口，最终的模型如图2所示。

(a) 隧道断面图(单位： cm)

(b) 隧道与工作井装配图

Fig. 2 Three-dimensional rendering of tunnel cross-section and work shaft assembly

1.3 智能排污结构简介

本文研究思路主要是在竖井式倒虹吸管内添加合适尺寸的辅助块体以达到利用湍流智能排污的效果。进出口处可采用不同的辅助块体，拟采用的辅助块体主要有小三角块、大三角块、阶梯块、阶梯三角块、长梯形块及阶梯双三角块等，其材料主要采用抗渗、抗冲刷混凝土，块体尺寸如表2所示。

表2 辅助块体尺寸表

2 隧道流场仿真分析

2.1 基本假定

在进行有限元仿真模拟时，很难做到将所有细节全部模拟，故一般考虑主要因素，而忽略次要因素或一些难以模拟且对模拟结果影响不太大的因素。鉴于此，本次模拟优化考虑以下基本假定：

1)由于工程防水等级较高，且已做闭水试验，故假定模拟分析中不考虑施工缝、变形缝渗水的影响；

2)壁面的粗糙程度对于结果有一定的影响，但不同位置差别较大，一般混凝土壁面抹平良好时为0.3～0.8 mm[15]，故假定隧道及工作井壁面粗糙程度均为0.5 mm；

3)水中粒子研究模拟难度大，且对结果影响小，故假定引入的水是纯净的，即不对水中杂质进行粒子流模拟研究。

2.2 优化工况及评价指标

隧道-工作井-方沟间形成倒虹吸的水力学关系，上下游水位差为1.0 m，经过计算可得进出口水压差为2 028.62 kPa，总水头损失为0.2 m。为了充分利用紊流区对水中杂质的智能带走功能，减少其在工作井内的沉淀。拟研究不同入口流速、不加辅助块、加辅助块、不同入口尺寸等因素对改变湍流的位置及某些特定位置的水流流速的影响。为此，笔者利用正交试验方法进行试验，并选取几种典型的工况进行效果对比。

2.2.1 不同入口流速与加或不加辅助块的工况布置

根据该地区7、8月份降雨量与居民排水情况，预计本工程排水构造物入口流速为0.5～1.5 m/s，且大多为满水排泄，故本次模拟对0.5 m/s、1.0 m/s和1.5 m/s 3种入口流速与加或不加辅助块下隧道工作井的流体状态进行分析，工况布置如表3所示。

2.2.2 不同形状尺寸辅助块的工况布置

在外加小三角辅助块基础上，对比研究外加大三角块(完全贴合工作井底部)、阶梯块、矩形块、双三角块及其出入口不同的组合方式对工作井内紊流状态的影响，以探究加入何种尺寸和形状的辅助块能达到最优的排污效果，具体工况布置如表4所示。

2.2.3 雨水方沟断面尺寸的工况布置

雨污水管线工作井进出口处需设置一定长度的雨水方沟，用以连通引水管道与工作井及工作井与河流，还可以避免工作井敞口受到外界杂物的侵入、堵塞以及设置滤网等。一般来讲，出入口雨水方沟断面尺寸相同，而本次依托工程的雨水方沟断面尺寸为4.0 m×2.6 m，因而设置工况对出入口断面长度及高度分别改变时的影响进行研究，具体工况布置如表5所示。

表3 工况布置情况1

表4 工况布置情况2

表5 工况布置情况3

注： 工况11为工况5—10中最优工况，工况12—14与工况11外加的辅助块形状和尺寸完全一致。

2.2.4 新型结构的排污效果与评价指标

在湍流模型中，湍流强度和湍流长度是定义湍流的2个重要的特征参数。本文研究涉及的湍流为上游未充分发展的湍流，其湍流强度和特征长度计算公式如式(1)和式(2)所示。

(1)

式中:I为湍流强度；u′、v′、w′为速度脉冲量;uavg为平均速度。

l=0.7D。

(2)

式中：l为湍流长度；D为管道物理直径。

针对本文研究来说，隧道工作井内水流的流速和物理尺寸已然确定，其湍流强度和特征长度也可计算得到，故选取固定的湍流参数。而对于结构的排污效果评判，湍流位置和工作井内下部各水力点的流速则更为重要。因此，本试验的主要评判指标分别为湍流位置和工作井下部各点流速分布。

2.3 仿真结果分析及工况对比

2.3.1 不同入口流速与加或不加辅助块的影响分析

利用SolidWorks插件Flow Simulation对不加处理的工作井和隧道组合进行流体仿真分析，并对入口处不同流速条件下结构内流场流速分布规律进行对比研究，其模拟结果如图3—6所示。

图3 工况1结构内流场速度分布云图(单位： m/s)

Fig. 3 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 1 (unit： m/s)

图4 工况2结构内流场速度分布云图(单位： m/s)

Fig. 4 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 2 (unit： m/s)

图5 工况3结构内流场速度分布云图(单位： m/s)

Fig. 5 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 3 (unit： m/s)

图6 工况4结构内流场速度分布云图(单位： m/s)

Fig. 6 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 4 (unit： m/s)

通过工况1和工况3的对比可知，在工作井内加小三角块可使入口处湍流位置有所下降，从而加速工作井下部区域流体的流动，但其对出口处湍流位置影响不大。此外，在加小三角块后，工作井下部的蓝色区域明显减少，即下部的流速会大幅增加，从而减少水中污物的沉淀和累积。由此可知，在工作井内加辅助块将会改变流体的速度分布和湍流位置，但辅助块的尺寸和形状对其影响较大。

观察工况2、工况3和工况4可知，工作井内的湍流位置和流体速度分布并没有明显的差别，即改变入口流速对工作井内的流体流动状态影响较小。

2.3.2 不同形状尺寸辅助块的影响分析

虽然小三角块对杂质减沉有所改善，但工作井出入口下部仍存留较多的低速区域。因此，设置工况5—10来研究不同形状尺寸辅助块对水中污物减沉效果的影响，其模拟结果如图7—12所示。

图7 工况5结构内流场速度分布云图(单位： m/s)

Fig. 7 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 5 (unit： m/s)

图8 工况6结构内流场速度分布云图(单位： m/s)

Fig. 8 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 6 (unit： m/s)

图9 工况7结构内流场速度分布云图(单位： m/s)

Fig. 9 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 7 (unit： m/s)

图10 工况8结构内流场速度分布云图(单位： m/s)

Fig. 10 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 8 (unit： m/s)

图11 工况9结构内流场速度分布云图(单位： m/s)

Fig. 11 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 9 (unit： m/s)

图12 工况10结构内流场速度分布云图(单位： m/s)

Fig. 12 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 10 (unit： m/s)

由模拟结果分析可知，工况5—10的入口区域湍流位置均有所下移，这样有利于加速工作井下部水流的流动，从而有利于带走水中污物，而出口处湍流位置不变。对于入口区流速的分布情况，工况5—8的工作井底部均有静水区域，且位于工作井底部，即意味着水中污物将会在工作井底部沉积、堵塞，而工况9和工况10仅在辅助块中部存在少量低速或静水区域；对于出口区流速分布，工况5—7均有明显的静水区域，而工况8—10则无。

综上所述，工况9和工况10入口区虽有少量低速区域，但其仅位于辅助块的中部，因而即使有污物在辅助块中部停留，也会在聚集到一定量时被流动的水体带走，并不会存留在井底，而两者的出口区则完全没有低速或静止区域。因此，工况9和工况10布置均为隧道工作井的较优排水结构。由于工况10的入口静水区域面积小于工况9的静水区域面积，其效果可能会更加优异，但工况9的辅助块形状较简单，施工较为容易，因此，两者各有优劣，应根据实际情况选用。

综合前述辅助块体的形状、尺寸和分析结果可知，工作井下部产生的静水区域形状是制作辅助块的重要参考，即辅助块形状应尽量接近静水区域形状。考虑到施工可操作性和简便性，一般需将辅助块制作为较规则的形状，还需要对该形状的辅助块的功能效果进行模拟优化，但此时通常进行形状、尺寸微调即可满足要求；若要获得较好的排污效果，辅助块尺寸一般需为方沟下部工作井体积的1/2左右，且其放置位置应在井内易产生静水区的地方。此外，若按工作井大小等比例缩放辅助块形状、尺寸，亦能产生类似的排污效果，具体仍需根据相应工程因地制宜地进行调整。

2.3.3 雨水方沟断面尺寸的影响分析

雨水方沟断面尺寸是控制工作井入口区域流量的重要参数，其可能对工作井内流体造成一定的影响。由于工况10的排污效果稍优，故拟取工况10作为研究雨水方沟断面的基本工况，即等同于工况11，其与工况12—14的模拟结果如图13—16所示。

图13 工况11结构内流场速度分布云图(单位： m/s)

Fig. 13 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 11 (unit： m/s)

图14 工况12结构内流场速度分布云图(单位： m/s)

Fig. 14 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 12 (unit： m/s)

图15 工况13结构内流场速度分布云图(单位： m/s)

Fig. 15 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 13 (unit： m/s)

图16 工况14结构内流场速度分布云图(单位： m/s)

Fig. 16 Nephogram of velocity distribution in working condition No. 14 (unit： m/s)

根据模拟结果分析可知，与工况11相比，工况12—14隧道内流体速度明显增加。这是由于雨水方沟断面面积增大，入口流速不变，导致入口流量增大，而隧道断面面积不变，根据体积流量守恒定律，可知流体通过隧道的速度必然增大。此外，由于雨水方沟入水口高度增大，工况12和工况14入口区的湍流位置有所上升，而工况13和工况11的湍流位置相同，且4种工况出口区的湍流位置变化均较小；因此，入口处雨水方沟的高度变化对入口区域湍流位置的影响很大，而对出口区域湍流位置的影响则可忽略不计。

对于隧道工作井内流体的速度分布，观察工况12—14可知，出口区域的流速大小随着入口断面面积的增大而增大，但分布变化较小；而入口区域流速变化也有相似规律，但变化幅度较小，这可能是由于重力作用的影响。对于入口区域速度分布，仅观察图中区域颜色变化难以判断其规律，故将入口区域辅助块表面外10 cm处流体的流速由上至下随长度变化的分布情况以曲线进行表示，如图17—20所示。

图17 工况11结构内辅助块表面流速分布曲线

Fig. 17 Flow velocity distribution curve of auxiliary block surface in working condition No. 11

图18 工况12结构内辅助块表面流速分布曲线

Fig. 18 Flow velocity distribution curve of auxiliary block surface in working condition No. 12

图19 工况13结构内辅助块表面流速分布曲线

Fig. 19 Flow velocity distribution curve of auxiliary block surface in working condition No. 13

图20 工况14结构内辅助块表面流速分布曲线

Fig. 20 Flow velocity distribution curve of auxiliary block surface in working condition No. 14

由图17—20可知，随着入口雨水方沟断面面积的变化，隧道工作井入口区域流速分布仅在辅助块上部和中部有些差别，且工况13、工况12和工况14的上部流速依次增加，即增加入口方沟面积将增大辅助块上部区域的流速。此外，在辅助块中部均有1段3 m左右长的低速流动区域，此位置对应辅助块的转角位置，其与流速分布云图的规律相一致。

在辅助块下部区域，工况12—14的流体流速均很大，从而有利于减少甚至消除水中污物的沉积。尽管辅助块中部区域有3 m长的低速区域，其流速也基本在0.1 m/s左右，即入口流速的1/10，且下部区域流速很大，故其能使水中污物基本处于流动状态而被流动水体所带走。因此，雨水方沟断面尺寸会对隧道工作井内的水流流速分布有影响，但辅助块仍具有较好的效果，可减少甚至完全避免水中污物在工作井底部的淤积。

3 物理模型试验分析

数值模拟分析仅能从理论上对倒虹吸隧道智能排污结构的效果进行预测，且前述流体模拟分析未采用含有粒子的污水，其使得模拟具有一定的粗略性。因此，为了较好地验证该智能排污结构的效果，设计了2个工作井均不加辅助块(工况15)、均加矩形三角块(工况16)、进水口处加阶梯双三角块且出水口处加矩形三角块(工况17)3种工况下近似的物理模型试验。模型采用有机玻璃材料制作，水流采用含有砂粒的污水，污水含砂情况参照黄河含砂率约为3.5%配制，利用倒虹吸原理，以水位差为动力弥补总水头损失，并推动水流依一定流速前进，模型如图21所示。试验中，快速加水并尽量保证水位线在同一高度，待污水流充满箱体并从出水口井稳定均匀流出时，立即用容器进行收集，收集1 min内3种模型的污水即可。然后，将收集后的污水静置12 h后，统计1 min内3种模型的出砂值及出砂率，其结果如表6所示。

(a) 工况15

(b) 工况16

(c) 工况17

表6 3种工况的出砂值及出砂率

由物理模型试验结果可知，工况16和工况17的出砂率均远大于工况15，说明2种辅助块体组合的添加均有利于污水的排放，较好地印证了数值模拟分析的结果。对比工况16和工况17可知，2个工作井均加矩形三角块的组合排污效果更好，与数值模拟分析结果有一定的出入，但两者出砂率相差较小，可能是试验误差所致。

综上所述，添加辅助块的工况16和工况17均有较好的排污效果，有助于减少污物的沉淀，虽仍不能完全消除沉淀且需要进行一定的清淤养护，但有利于延长养护周期。施工中，若辅助块体较大，建议将辅助块外表面加入小型人行阶梯，以便于养护。

4 结论与讨论

通过对构想的倒虹吸隧道智能排污结构进行数值模拟分析优化和物理模型试验验证，得到如下结论：

1)在工作井内加辅助块可使入口处湍流位置有所下降，井底流速有所增加，且不同的辅助块的尺寸和形状影响较大，而在一定范围内改变入口流速对工作井内的流体流速分布规律影响较小；

2)与其他工况对比，在工作井出、入口区均加入矩形三角块的工况9和在入口区加阶梯双三角块、出口区加矩形三角块的工况10是倒虹吸隧道较优的智能排污结构；

3)入口处雨水方沟的高度增加会提升入口区域的湍流位置，而对出口区域湍流位置的影响则可忽略不计，且入口处雨水方沟的宽度改变对出、入口区域的湍流位置影响较小；

4)雨水方沟断面尺寸大小会对工作井入口区上、中部范围的水流流速分布有所影响，但适当形状及尺寸的辅助块仍具有较好的效果，可减少甚至完全避免水中污物在工作井底部的淤积。

倒虹吸隧道智能排污结构在保持竖井式倒虹吸隧道的施工简便性和构造简单性的基础上，有利于减少甚至解决倒虹吸隧道污物沉积和堵塞问题，有利于降低其清淤及维护费用，从而延长工程使用寿命。但数值模拟和物理模型试验仍具有一定的粗略性，存在以下3点问题需要进一步讨论和研究：

1)数值模拟中的粒子模拟研究仍对该工程结构的设计和优化具有较强的指导意义，建议对本文研究优化的智能排污结构再进行粒子模拟分析，做进一步优化设计；

2)本文研究未对辅助块体尺寸与水力场参数的影响变化规律进行具体的函数分析，在今后的研究中可侧重于该方面；

3)该智能排污结构仍需要工程实践的检验和验证，可在小型竖井式倒虹吸隧道中添加本文研究得出的相应类型辅助块体，对各水力场参数的变化规律进行研究。