深层排水系统中竖井及泵站模型研究及应用

袁胜楠 白永强刘绪为 方帅

【摘    要】：针对深层排水系统中竖井结构对跌水消能效果、汇流过渡段水流流态、关键部位压力、流速分布等水力特性的影响及泵站前池形式对水泵吸水口水流流态的影响，以实际工程为例，依据重力相似准则，构建竖井和泵站的水工物理模型，根据模拟结果结果优化竖井和泵站结构设计，得到消能效果更好的折板式消能竖井结构及流态更优的泵站结构。

【关键词】：竖井；泵站；折板消能；流态；深层排水系统

【中图分类号】：TU992.25【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）02-01-06

【DOI编码】：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

我國城镇中的老城区面临的主要问题是合流制溢流污染（CSO）和内涝风险[1]，老城区地上建筑密集、地下管线复杂，通过建设浅层地下排水管道来提高排水标准和完善截污系统异常困难且代价巨大；因此，利用地下深层空间建设大型排水隧道成为国外许多发达城市的选择。目前，地下深层排水技术已广泛应用于巴黎、东京等城市的水污染防治和排洪防涝中并取得了较好效果；我国广州、上海等城市也在积极探索其应用[2]。

深层排水系统通常由预处理单元、入流竖井、传输隧道和末端泵站组成。作为浅层与深层排水管道的衔接过渡设施，为适应地形条件和满足汇水要求，入流竖井入流量大小不一且入流方向及高程各异，从而导致深层排水系统运行条件、方式和水力特征复杂并伴随掺气、排气现象。对于这些复杂的水流现象，目前理论分析计算还不能解决实际工程问题；因此，研究竖井消能效果与汇流过渡段水流流态，确定关键部位的压力分布和流速分布，论证竖井衔接段的水力特性，指导入流竖井型式和布置构造十分必要[3～4]。同时，末端泵站承担着整个排水系统的排水任务，其运行状态是否良好直接影响整个系统的运行状态，不同工况下泵站前池水位、运行机组数量各不相同，前池、水泵进水口等流态各异，可能对水泵的运行效率、安全性、耐久性等产生影响；因此，需要对排洪泵组各种典型运行工况的水力条件进行模拟，试验排水泵站水泵进水通道结构可行性，针对存在问题提出必要和合理的整流措施，优化水泵进水通道的水流条件，为流道设计和水泵的安全可靠运行提供科学依据[5～7]。

1 工程概况

镇江沿金山湖CSO溢流污染综合治理工程深层排水系统由浅层汇水系统、入流竖井、深层大口径管道和末端多功能泵站组成，服务面积约8.79 km2。系统包括长6.2 km、坡度1‰的大口径管道，5座采用折板消能形式的浅层入流竖井及1座采用沉井施工的末端多功能雨水泵站。见图1和表1-表2。

2 模型设计及测试方案

2.1 模型设计

2.1.1 竖井模型

根据折板竖井的结构特点及水力学特征，依据重力相似准则建立模型。模型几何比尺为1∶15，其他物理量比尺可根据重力相似准则换算得到：几何比尺λL=15，流速比尺λV=λL0.5=3.87，时间比尺λt=λL0.5=3.87，流量比尺λQ=λL2.5=871.42。

模拟折板式竖井、邻近竖井的浅层系统连接段、竖井上下游部分大口径顶管段等。为便于观测，整个模型全部采用有机玻璃制作，供水通过钢管由试验厅供水系统提供。

2.1.2 末端泵站模型

根据末端泵站的体型尺寸、泵站喇叭口尺寸、泵站前池及喇叭口进口附近的水力特征，模型试验中几何比尺选择1∶10，其他物理量比尺可根据重力相似准则换算得到：几何比尺Lr=10，流速比尺Vr=Lr0.5=3.16，时间比尺tr=tr0.5=3.2，流量比尺Qr=Lr2.5=316.2，糙率比尺nr=nr1/6=1.468。

涡旋模拟是泵站水力学模型试验的关键任务之一，若水泵进水通道体型设计不当，易引起漩涡，降低水泵运行效率，导致水泵振动和损坏。由于涡旋形成的因素较为复杂，如边界条件、来流条件、水的表面张力等，因此涡旋的模拟比较复杂且须考虑缩尺效应对漩涡生成及强度的影响。美国相关的水泵进水口模型试验标准ANSI/HI 9.8—2012认为：当模型径向雷诺数＞6.0×104，韦伯数＞240时，即可忽略模型的缩尺效应。

根据末端泵站的运行设计，小排涝泵的原型过流量为2.00 m3/s，对应的吸水管喇叭口直径为846 mm；大排涝泵的原型过流量为4.33 m3/s，对应的吸水管喇叭口直径为1 410 mm。对于几何比尺为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径向雷诺数和韦伯数。

小排涝泵径向雷诺数[Rr=4QνπD≈9.4×104]

式中：Q为流量；[ν]为流速；D为管道直径。

韦伯数[Wb=ρu2Dσ=1 471]

式中：[ρ]为水的密度；u为特征流速；[σ]为水的表面张力系数。

大排涝泵径向雷诺数[Rr=4QνπD≈12.3×104]

韦伯数[Wb=ρu2Dσ=1 489]

模型径向雷诺数和韦伯数的计算结果均大于界限值，缩尺效应对涡旋特征的影响可以忽略，可认为模型漩涡与原型漩涡有良好的相似性。结合末端泵站结构特点及水流特点，将泵站模型设计为自循环式，模拟泵站前池、排洪泵吸水管及喇叭口、泵站进水口邻近的大口径顶管；用有机玻璃制作，以便于进行流态观测。尾水池为砖混结构。

2.2 测量布置

1）压力测点布置见表3。

2）水垫水深和水舌落点测量位置见表4。

3）流速测点。为更加清晰地了解末端泵站的流动结构和流速特征，选择10条典型测线进行流速测量。每条典型测线均以距底50 cm作为临底流速测点并以此为起点向上以间隔100 cm进行其他流速测点的布置。

2.3 测试方法

1）水流流态：人工观测记录描述，必要时借助颜色水显色技术（高浓度的高锰酸钾溶液）辅助观测。

2）流量：量程为0～80 m3/h、精度为0.5%的电磁流量计。

3）动水压强：压力传感器。

4）水垫水深和水舌挑距：读数精度为±0.5 mm的钢板尺。

5）表面漩涡：有色液体或碎屑辅助下进行观测并有摄像设备随时录像，保存视频资料以备查验校核。

6）水内漩涡：借助颜色水显色技术（高浓度的高锰酸钾溶液）辅助观测并有摄像设备随时录像，保存视频资料以备查验校核。

7）预旋测试：高浓度的高锰酸钾溶液显色观测，并以视频录像做辅助。

8）吸水管内水流旋度测试：旋度计。

9）流速：声学多普勒测速仪（MicroADV）。

3 试验工况及条件

3.1 迎江路泵站节点竖井

迎江路泵站节点竖井的设计过流流量为2.15 m3/s，选择4组典型工况对竖井入流、出流结构的水流流态、水力特性、气泡分布及运动规律等进行研究。见表5。

3.2 平政桥泵站节点竖井

平政桥泵站节点竖井布置了2个入流管道，上层入流管道设计过流量为2.55 m3/s，下层入流管道设计过流量为7.77 m3/s。选择4组典型工况对竖井入流、出流结构的水流流态、水力特性、气泡分布及运动规律等进行研究。见表6。

3.3 江滨泵站节点竖井

江滨泵站节点竖井的设计过流流量为9.71 m3/s，选择4组典型工况对竖井入流、出流结构的水流流态、水力特性、气泡分布及运动规律等进行研究。见表7。

3.4 末端多功能泵站

根据末端泵站的运行工况，1#泵运行时，启动液位与停泵液位相同，均为-7.00 m；2#泵运行时，其启动液位为-5.50 m，停泵保护液位为-7.00 m，即2台泵运行的最低液位为-7.00 m；当3台或更多泵运行时，设计运行工况中均提供了启动液位。提水流量相同，泵站中水位越低，越易出现漩涡等不利流态；因此，工况主要考虑各种数量排洪泵运行时最低水位对应的工况。见表8。

4 试验结果分析

4.1 迎江路泵站节点竖井

4.1.1 水流流态

4组典型工况下，进水管均为满流，从首层折板的渠道堰溢流后逐层跌落，在下方折板及消能池中形成比较稳定的消能水垫，各折板之间流态衔接良好。见图2。

随入流流量增大，各层折板上的水垫水深呈增大趋势，自第2层折板跌落后，水舌挑距增幅較小。各层折板之间水舌挑距相近，即各层折板出口处的流速相近，水流逐级跌落过程中能量没有明显积累增大，在折板间距确定的情况下，两层折板之间的水舌挑距与折板出口边沿的水流流速有关，初步判断，折板竖井的消能效果良好。

首层折板的渠道堰背面均形成空气腔，水流较不稳定，水舌有明显的摆动现象，当流量＞1.43 m3/s时，部分水流越过第1层折板直接跌落至第2层折板，可能增强对第2层折板的冲击作用。

消能池形成的水垫水深均大于溢流堰1 m的堰高。工况1～3水流跌落至消能池，紊动剧烈并产生较多气泡，水流挟带气泡从堰顶溢流至大口径顶管。随着入流量的增大，水舌挑距逐渐增大，水流紊动增强，顶管中的水流为明流，水流平稳地在竖井内转弯过渡。工况4水流逐级跌落至第7层折板，在被淹没的第7层折板上方产生旋涡和气泡，气泡在触及第7层折板之前即上浮释放，试验过程中，未见气泡绕过挡墙及进入竖井干区水域。水舌均稳定跌落在下方折板上，隨着水流往下跌落，水垫水深和水舌挑距变化不大，竖井的消能效果良好。见图3。

工况1～3管中的水流为明流，水流平稳地在竖井内转弯过渡；工况3消能池内激起的水花越过溢流堰跌落至顶管入口处，引起管内水面波动。工况4顶管满流，试验过程中未发现竖井内的气泡进入管内。

4.1.2 管道进气及漩涡

设计流量运行下，不同竖井水深均未见大口径管道入口处出现有危害的漩涡。竖井水深＜3.85 m时，大口径管处于明流状态；竖井水深为3.90～4.08 m时，大口径管处于明满流临界状态，大量成团大气泡频繁冒入大口径管内，在大口径管顶部形成长条气囊；竖井水深＞4.30 m时，鲜有气泡进入大口径管内。迎江路泵站节点竖井的入流流量和管道汇入流量均较小，大口径管顶部形成的气囊未被水流挟带至下游。

4.1.3 动水压力

竖井内各层折板及消能池底板上的时均压力分布规律相同，相同工况下，时均压强大小相近，实测最大时均压力仅14.23 kPa，表明逐级折板跌流消能效果良好；不同工况下，各典型位置均未出现负压。

4.1.4 频谱分析

竖井内水流脉动压力的主频一般＜2.5 Hz，压力脉动能量集中在5 Hz以下的范围，最大脉动压力均方根值为5.98 kPa。竖井结构的第1阶自振频率为23.75 Hz，第2～10阶自振频率均在35 Hz以上。竖井的固有频率与竖井中水流的主频相差较大，水流脉动不会引起竖井结构共振。

4.2 平政桥泵站节点竖井

4.2.1 水流流态

竖井满足2个进水管共泄10.32 m3/s的设计过流量要求。上层进水管过流量为0.85 m3/s时，管内水流为明流；过流量＞1.70 m3/s时，管内水流为满流。下层进水管过流量＜5.18 m3/s时，管内水流为明流，过流量＞7.77 m3/s时，管内水流为满流；上下两层进水管内的水流平稳。

第1层和第3层折板上的渠道堰背面均形成空气腔，水流较不稳定，水舌有明显摆动现象。第1层从渠道堰直墙段跌落的水舌落点较为接近折板边缘，上层进水管消能效果欠佳；第3层渠道堰跌落的水流与自第2层折板跌落的水流在空中交汇碰撞，交汇水流摆动较大。

各层折板以及消能池上能够形成比较稳定的消能水垫，逐级跌流在折板上的水垫水深和水舌挑距变化不大，折板消能竖井的消能效果良好。

小流量和设计流量低水位工况，湿区水流从消能池溢流堰顶跌落至干区管段存在水流掺气现象，不影响大口径顶管明流的运行；设计流量高水位工况，大口径顶管的水流为满流，竖井内的气泡在湿区上浮释放，没有出现气泡进入顶管的现象。

4.2.2 管道进气及漩涡

设计流量运行下，竖井水深＜3.67 m时，大口径管处于明流状态；竖井水深为3.75～4.10 m时，大口径管处于明满流临界状态，大量成团大气泡频繁冒入大口径管内；竖井水深为4.15～4.38 m时，大口径管入口出现间断吸气漩涡，卷入气泡进入大口径管洞内；竖井水深＞4.53 m时，大口径顶管进口处的漩涡及进气现象消失。

4.2.3 动水压力

各层跌落水流冲击区以及消能水垫区的时均压强相对较大，折板边缘位置时均压强较小；不同工况下，各典型位置的时均压强均为正压。设计流量下，折板上的最大时均压强仅为30.39 kPa，壅水水垫区压强分布比较均匀。

第2层和第4层折板跌流冲击区附近的水流脉动压力较大，实测最大脉动压力均方根值分别为3.32、3.84 kPa，分别为时均压力值的52.6%、22.2%；消能池底板的跌流冲击区水流脉动压力较大，最大脉动压力均方根值达9.81 kPa，为时均压力值的35.5%。总体上看，脉动压力不大，不会对折板消能竖井的安全造成威胁。

4.2.4 频谱分析

竖井内水流脉动压力的主频＜2 Hz，压力脉动能量集中在5 Hz以下的范围。结构的第1阶自振频率为17.17 Hz，第2～10阶自振频率均在25 Hz以上。竖井结构的固有频率与竖井中水流的主频相差较大，水流脉动不会引起竖井结构共振。

4.3 江滨泵站节点竖井

4.3.1 水流流态

过流量为3.24 m3/s时，进水管内水流为平稳顺畅的明流，渠道堰下游面形成分离空腔，水流比较稳定；过流量为6.47 m3/s时，进水管内水流处于满流向明流转换的过渡流态，出口段水面有波动，渠道堰拱墙段下游面存在不稳定涡管，过堰水流水舌摆动较大，渠道堰直墙段跌落的水股间歇地越过第1层折板边缘直接跌落至第2层折板；过流量为9.71 m3/s时，进水管的水流为满流。

折板以及消能池上能够形成比较稳定的消能水垫，水舌均稳定跌落在下方折板上，随着水流往下跌落，水垫水深和水舌挑距变化不大，折板竖井的消能效果良好。

小流量和设计流量低水位时，湿区水流从消能池溢流堰顶跌落至干区管段，大口径顶管的水流为明流，水流在竖井内明渠管段转弯过渡的流态平稳；设计流量高水位时，大口径顶管的水流为满流，竖井内的气泡在湿区上浮释放，未发现气泡进入顶管的现象。

4.3.2 管道进气及漩涡

设计流量运行下，竖井水深＜3.78 m时，大口径管处于明流状态；竖井水深为3.90～4.08 m时，大口径管处于明满流临界状态，大量成团大气泡频繁冒入大口径管内；竖井水深为4.08～5.43 m时，大口径管入口出现间断吸气漩涡，挟带气泡进入大口径管洞内；竖井水深达6.93 m时，大口径管入口前的水面偶尔出现表面漩涡，漩涡吸气现象消失。

4.3.3 动水压力

设计流量下，折板最大时均压力仅为23.10 kPa，消能水垫区压力分布比较均匀。第1层折板边缘存在负压，但负压值较小，不会引起空化水流。实测折板及消能池底板水流脉动压力均方根值的最大值为6.42 kPa，水流脉动压力不大。

4.3.4 频谱分析

水流脈动的主频＜2 Hz，压力脉动能量集中在5 Hz以下的范围。竖井结构的第1阶自振频率为10.42 Hz，第2～10阶自振频率均在20 Hz以上。竖井的固有频率与竖井中水流的主频相差较大，水流脉动不会引起竖井结构共振。

4.4 末端多功能泵站

1）当较少数量的排涝泵运行时（如1台或2台），末端泵站各典型区域内的水面均较为平静；随着排涝泵运行数量的增多，泵站进口前池及中心前池中会出现上涌水股且上涌水流强度随水泵运行数量的增加而增强，同时表面会形成横向的流动。当8台泵同时运行时，进口前池及中心前池中的上涌水股强度最大，受其影响，进口前池中的水面出现明显壅高，最大壅高幅度约0.2 m。

2）在各典型工况下，排涝泵正向前池内水面均比较平稳，各水泵的正向前池内均没有生成表面漩涡及水内漩涡。泵站入流导致进口前池临近底部存在明显的射流区，受其影响，在射流区上部及下部形成了横轴漩涡。比较泵站进口前池远端垂向流速分布及侧向流道内的垂向流速分布可知，泵站入流主要通过远端壁面高位孔进入了中心前池中，然后向两侧泵站分流。

3）各典型工况下，各排涝泵吸水管内的10 min平均涡旋角及10 min最大涡旋角均＜5°，满足泵站正常运行时对吸水管涡旋角的要求。吸水管喇叭口处的流速分布较为均匀，断面内各流速测点的最大时均流速空间偏差及最大流速波动偏差分别为4.69%、3.59%，均＜10%，满足泵站喇叭口进流要求。在-7.0～-1.0 m运行时，各水泵对应的正向前池内均未出现不良流态，满足水泵的运行要求。

5 结论与建议

5.1 结论

根据物理试验结果，在各种典型工况下，折板上及消能池中均可形成稳定的消能水垫且各层折板上跌落水流的挑距及水流流态无明显变化，说明折板消能竖井的消能效果良好，折板间距的取值合理。

典型小流量工况和设计流量低水位工况时，大口径管道为明流流态；设计流量高水位工况时，大口径管道的水流为满流，此时水流在折板间跌落过程中产生的气泡均在湿区内完成上浮释放，试验中未观测到气泡进入大口径管道的现象。

在设计流量运行工况时，不同竖井水深均未见大口径管道入口处出现有危害的漩涡。当水流为明流或处于明满流临界状态，大量成团大气泡频繁冒入大口径管道，在管道顶部形成长条气囊，随着竖井内水深增加，管道入口先是出现间断吸气漩涡，挟带气泡进入管道内，竖井水深再增加入口处的表面漩涡偶尔出现，漩涡吸气现象随之消失。典型折板上的时均压力分布合理，不会诱发空化水流；同时，水流脉动均不会引起竖井结构共振。

5.2 建议

1）竖井增设堰后通气通道并适当调整渠道堰的布置或适当加长第1层折板长度。

2）竖井顶部设置排气孔，避免洞内滞留气团形成压缩气囊引起不稳定水流。

参考文献：

[1]郭迎新，徐海东，谢    薇，等.海绵城市理念下的老城区CSO污染控制探索与实践[J].中国给水排水，2019，35（14）：1-6.

[2]谢小龙，杨    涛，胡晓彬，等.深层隧道排水系统在武汉污水传输工程中的应用[J].给水排水，2022，58（1）：132-136.

[3]何贞俊，王    斌，杨    聿，等.市政排水系统中竖井研究及应用进展[J]. 中国给水排水，2017，33（10）：49-53.

[4]吴建华，杨    涛，沈洁艺，等.大旋转角阶梯泄水道竖井水力特性研究[J]. 水动力学研究与进展（A辑），2018，33（2）：176-180.

[5]孙振兴，周勇胜，陈云帆，等.大型潜水泵站竖井式出水流道的水力性能研究[J]. 中国给水排水，2018，34（5）：52-56.

[6]雷    恒，李    颖，罗全胜.Kamalapur雨水泵站流道物理模型试验水力特性研究[J].水电能源科学，2015，33（8）：144-147.

[7]王    晏，张    硕，王如华.数值模拟和物理模型试验交互优化节地型输水泵站[J].中国给水排水，2014，30（13）：54-57.