基于螺旋流道的深层竖井调蓄池消能分析

卢光毅，朱 洁，陈 斌

(上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司，上海 200125)

0 引言

近年来，随着城市化水平不断提升，城市不透水硬质下垫面率越来越高，导致城市内涝及城市初雨径流污染愈发严重。雨水调蓄池是一种收集雨水径流的存储设施，能将市政排水管网系统中的峰值雨水径流暂时收集于池体，待峰值径流水量降低后，将池体内存储的雨水径流缓慢排出，既实现了削减径流峰值，亦可实现雨水径流循环利用，还能避免初期雨水径流污染河道水体等问题，是城市提升区域水生态的质量的重要基础设施。同时雨水调蓄池由于具有较好径流削峰及径流控污效果，经济性较高，因此在国内外得到了广泛的应用。

深层竖井调蓄池是一种采用VSM(垂直竖井沉降掘进)工法施工的竖井式调蓄池，具有池体面积小，施工速度快，施工面积小和埋深较深等特点。目前VSM工法在国内以成功应用于南京UP智能地下停车库[1]，实现了仅用450m2就能停200辆汽车的壮举，充分利用了碎片化的城市空间。若采用VSM工法修建深层竖井调蓄池，能有效避免高强度开发城市区域市政基础设施建设用地不足的难题，大大的提升了城市空间的利用价值。由于深层竖井调蓄池的埋深在50～60m，如何对调蓄池进水进行有效消能成为保障调蓄功能的首要难题。

Fernande[2]等构建中央涡流消能竖井物理模型，水流进入中央涡室后螺旋下跌至底部进行消能，但涡室消能效果与进水方向流态存在较大关联，高速水流下易出现水翅等不利流态；Odgaardl[3]通过在竖井侧壁两侧设置对流折板，让水流从一侧挡板跌落到另一侧挡板，从而实现跌水消能，但对折板强度具有较高的要求。安瑞冬[4]等通过设置螺旋阶梯式阶梯入流竖井，来保障深层隧道排水系统的入流安全，但阶梯施工安装难度较高。由于本次研究深层竖井调蓄池池体距地深度在50～60m，考虑到实际施工及消能实施的稳定可靠性，故本次研究考虑采用螺旋流道的消能形式。通过预制螺旋拼装流道，流道采用混凝土立柱固定，以确保螺旋流道结构的安全稳定，施工安装较为便捷。并通过CFD(计算流体力学)技术进行分析，探究螺旋流道置于深层竖井调蓄池消能效果。[5]

1 研究概况

以上海市浦东新区某拟建深层竖井调蓄池为研究对象，该调蓄池类型为初雨调蓄池，主要功能为解决区域排水系统内的初期雨水径流污染问题，调蓄池规模为5000m3。

研究区域现状排水体制为雨污分流制，排水系统服务面积为1.2km2，规划系统设计暴雨重现期为5年，规划综合径流系数为0.5。区域雨水排放模式为强排式，雨水径流经管网收集后输送至泵站内，经泵站提升后排入河道。

深层竖井调蓄池为全地下式，共包含两层，地下一层为设备层，地下二层为池体蓄水层。深层竖井调蓄池池体为圆形，池体内径为12.5m，池壁由预制管片构成，调蓄池底距设备层底板距离为43.5m。调蓄池DN800进水管进水流量为2.78m3/s，进水管底距调蓄池底板高度为41.2m。螺旋消能流道中心线所构成圆的直径为10.12m，流道宽度为1m，流道横断面为矩形，流道壁厚为0.04m，流道采用UHMWPE(超高分子量聚乙烯树脂)制成，流道坡度为15%。

深层竖井调蓄池底布置壁厚0.25m，高度为1m的导流墙，底部形成流道净宽度为1m的螺旋进水流道，水流至螺旋流道下落至池底后，沿池底螺旋流道输送至中央排水泵坑处，池底中央排水泵坑内径为4m，深度为1m，内置3台变频放空泵，两用一备。

2 研究模型及分析方法

2.1 研究模型

本研究将以深层竖井调蓄池蓄水主体结构部分为基础，建立螺旋流道及底层调蓄池三维模型，采用适应性较好的四面体网格对计算模型进行离散化处理，网格总量约为234万，如图1所示，对调蓄池进水消能进行分析，探究螺旋流道消能形式在深层竖井调蓄池消能效果。

图1 深层竖井调蓄池蓄水主体三维模型示意图

2.2 数值计算方法

深层竖井调蓄池进水流动是三维不可压缩湍流流动，其控制方程主要包括连续性方程及动量方程。本次研究选用湍流模型为RNGk-ε模型[6]，有效地模拟高应变率以及流线弯曲程度较大的流动，湍动能k和湍动能耗散率ε的输运方程如下：

(1)

(2)

其中

(3)

式中，μeff、μ、μt-有效粘度、动力粘度、湍流粘度，均用来反映k与ε的函数关系；Gk-平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；σk、σε-湍动能k和耗散率ε对应的普朗特数；Eij-时均应变率；Cμ、C1ε、C2ε、αk、αε、η0、β-经验常数，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-气两相流模型采用VOF模型[6]，VOF方法的体积分数方程如下：

ρmixture=αwaterρwater+αairρair

(4)

μmixture=αwaterμwater+αairμair

(5)

αwater+αair=1

(6)

式中，μ-动力粘度；ρ-密度；α-体积分数；其下标mixture、water、air分别表示混合相、水相和空气相。

最后是边界条件设定，进口设置为流速进口，流速数值为5.53m/s，即调蓄池进水管流量Q=2.78m3/s与进水管道断面面积S=0.50m2的比值。

3 数值计算结果分析

3.1 螺旋流道进水流态分析

建立深层竖井调蓄池螺旋流道CFD模型，其螺旋坡道内的水流流态如图2所示。初雨径流通过进水管道流入螺旋流道内，在时间t=25s时，初雨径流水量已充满螺旋流道，并即将排入调蓄池底。初雨径流表面的流速自管道内5.53m/s迅速攀升至10.00m/s以上，螺旋流道内水流表面的最大流速约为13.80m/s。

图2 深层竖井调蓄池螺旋流道内水体流态图

调蓄池水流溢出流道现象如图3所示。结合图2-3可知，当初雨径流通过进水管道排入螺旋流道时，从上往下的第一圈螺旋流道内有部分水流冲出了流道。主要原因是由于进水管道流量较大，为有压满管流，当其进入螺旋坡道内后先转变为射流状态，再进一步转变为明渠流，导致水流出现拥挤，从而发生溢流。溢出流量为1.10～1.20m3/s。

图3 深层竖井调蓄池水流溢出流道现象

3.2 调蓄池底入流流态分析

对初雨径流经螺旋流道转输后排入调蓄池底进行分析，如图4所示，在时间t=25s之后，初雨径流开始填充深层竖井调蓄池。由图4可知，在开始充水的前210s内，水流波动幅度较大，在此之后，波动出现变缓的趋势。深层竖井调蓄池内水流表面的流速较低，流速基本位于10.00m/s，并且随着水深的增加而不断降低。值得注意的是，在深层竖井调蓄池底部，螺旋流道出口对面的外侧立柱附近存在较高的瞬时流速值，最高可达20.00m/s，主要原因在于大曲率水流冲击立柱合并流域快速紧缩导致的。由于该处最大值流速为瞬时流速值，并且随着深层竖井调蓄池的深度的增加而不断降低至10.00m/s，因此对调蓄池池底立柱无明显破坏作用。

图4 深层竖井调蓄池内水体流态图

如图5所示，通过对深层竖井调蓄池底的初雨径流的三维流线变化情况可知，初雨径流经螺旋流道出水后，其水流以大曲率流动的形式填充池底，导致调蓄池底部外侧立柱存在较大的流速分布。当池体内初雨径流量较少时，初雨径流最大流速不高于18.00m/s；初雨径流充满深层竖井调蓄池下层跌落区后，初雨径流的最大流速不高于20.00m/s。随着水深的增加，初雨径流的最高流速在不断降低。

图5 深层竖井调蓄池内三维流线图

3.3 螺旋流道下方出口断面流态及消能分析

图6所示为螺旋流道下方出口断面流态示意图。当时间t为60～120s时，深层竖井调蓄池位于螺旋流道出口高层下方，此时初雨径流流速主要偏向螺旋流道外侧区域，水体流速分布稳定，最大流速约为15.50m/s。当时间t为120～180s时，深层竖井调蓄池内水深位于螺旋流道出口断面内，此时水流仍然偏向于螺旋流道外侧区域，由于受到深层竖井调蓄池体内水流的影响，螺旋流道出口流速在不断降低。随着时间的增长，深层竖井调蓄池内水体没过下方螺旋流道出口，此时出口断面的流速分布更加趋于均匀，最大流速随着水深的增加而不断降低，在时间t=200s时，最大初雨径流流速已经下降至10.00m/s以下。

图6 螺旋流道出口断面流态图

采用式(7)来计算螺旋流道的消能率η：

(7)

(8)

式中，E1、E2-螺旋流道进口和出口断面的总水头，m；Zi-断面位置相对水头，本研究中以螺旋坡道出口底为基准高程进行计算，m；Pi-断面平均压力，Pa；vi-断面平均流速，m/s；ρ-水密度，998.2kg/m3；g-重力加速度，9.81m2/s。i=1或2，分别代表进口和出口断面序号。

经计算，在深层竖井调蓄池的水位低于螺旋坡道出口高程前，螺旋坡道的消能率约为77.5%；对调蓄池整体而言，初雨径流经上方螺旋流道消能后跌入池底后，经调蓄池底部的螺旋流道进行二次消能。

对于系统整体消能率，E1为螺旋流道进水口处总能量，E2的总能量以深层竖井调蓄池内水体的平均能量来代替，数据选取为深层竖井调蓄池内水体的平均水深、平均水压和平均流速。故当深层竖井调蓄池蓄水水位约0.8m时，调蓄池系统整体消能率为96.3%；当深层竖井调蓄池蓄水水位约1.7m时，调蓄池系统整体消能率为95.8%；当深层竖井调蓄池蓄水水位约3.0m时，调蓄池系统整体消能率为93.1%。整体消能效果较好，计算见表1

表1 系统整体消能率计算表

3.4 深层竖井调蓄池压力分布分析

本次研究拟采用空化数[7]来进行压力特性分析，分析其抗空化特性，以探究初雨径流对深层竖井调蓄池及螺旋流道的水力冲击破坏情况。区域空化数计算公式如下：

(9)

式中，σ-空化数，根据《水工设计手册(第2版)第7卷泄水与过坝建筑物》[8]，对于泄水道表面，当空化数σ<0.30时，需采取防空蚀措施；P-绝对压力，Pa，下标static、dynamic、saturation分别代表静压、动压和饱和蒸汽压；Psaturation=3169Pa；ρ-水的密度，998.2kg/m3；v∞-特征流速，m/s，为提高项目安全性，本研究选用此时刻水体内的最大流速(10.00～20.00m/s)为此特征流速。

图7所示为深沉竖井螺旋流道壁面空化数分布图。由图7可知，螺旋流道内壁空化数值较高，进水管道转弯处的空化数σ>0.50。

图7 调蓄池螺旋流道壁面空化数分布图

图8所示为深层竖井调蓄池池底以及立柱壁面的压力分布图。由图8可知，水流进入深层竖井调蓄池底后，在水流最先冲击的前三根侧边墙附近的立柱上存在较低的压力分布，最小瞬时负值可达-30kPa之下，通过俯视图也可知，在相关立柱的地面附近仍然可观察到较低的压力分布。在t=180s及之后，由于深层竖井调蓄池底部已蓄水，形成水垫，低压现象消失，并逐渐恢复至正压分布。

图8 深层竖井调蓄池底面以及立柱壁面压力分布图

深层竖井调蓄池螺旋流道出口立柱壁面的压力分布如图9所示。结合图8-9可知，在螺旋流道出口，水流未淹没出口时，受到水流冲刷的作用，在其接触的立柱亦存在较低的负压分布。经计算统计空化数，最小空化数位于边墙附近的立柱表面，约为0.36～0.42。池底以及立柱壁面的空化数值较高，均位于0.30以上，立柱壁面最不利点空化数为0.36，空化空蚀发生的可能性较低。随着水深的增加，空化数值逐渐增大，无明显的空化空蚀发生风险。

4 模拟结果在工程设计中的应用

为解决深层竖井调蓄池螺旋流道上方进水位置存在初雨径流溢出的情况，本次研究拟采用局部增加流道高度形式，将螺旋流道上方进水口处流道高度由1.0m提升至1.5m，提升范围为螺旋流道上方起点至流道发生溢流最低位置延伸约2m处，可以有效避免水量溢出螺旋流道。

为进一步保障初雨调蓄池底部结构安全，拟进一步提升调蓄池底部立柱的空化数，即调蓄池底部半圆结构立柱直径由DN400，提升至DN1200。如图10-11所模拟后发现，立柱壁面最大瞬时负压高于-20kPa，立柱表面最小空化数约为0.73～0.78，调蓄池底部空化数值有显著提升，提升了调蓄池底结构的安全性。为更进一步保障池底抗水流冲刷能力，池底将采用聚脲[9]等抗冲耐磨防护材料喷涂混凝土表面，以确保池底能在螺旋流道出口流速最大时，不受初雨径流水力冲刷的影响。

图10 深层竖井调蓄池底面以及立柱壁面的压力分布图(池底立柱优化)

图11 深层竖井调蓄池螺旋流道出口立柱壁面的压力分布图(池底立柱优化)

5 结论

在深层竖井调蓄池中，调蓄池进水消能是急需解决的重点难题，其水力学特性研究事关调蓄池运行的安全稳定。本次研究通过螺旋流道对深层竖井调蓄池的进水消能效果进行分析，得出其能够有效消能，整体最高消能率可达96.3%，并能确保调蓄池主体结构的安全可靠，为深层竖井调蓄池的推广建设提供强有力的理论支撑，为各类型调蓄池应用于碎片化城市用地场景提供了建设思路。