金山湖大口径深层截流管道系统水力流态模拟研究

导读：《金山湖大口径深层截流管道系统水力流态模拟研究》是镇江沿金山湖CSO污染综合治理工程9项专题研究之一，主要研究内容包括TAP模型对大口径排水管道系统浪涌分析、末端泵站计算流体力学（CFD）模型分析和跌水竖井CFD模型分析。该专题研究科学分析了镇江金山湖大口径管道系统的水力学、泵站运行和跌水竖井等问题，以规避涌浪流带来的可能风险、辅助大口径管道系统方案论证以及优化泵站、竖井等构筑物的设计。

1深层排水隧道浪涌的危害以及采用模型评估的重要性

深层排水隧道管道内的水力流态非常复杂，隧洞内水体会出现非满流、无压满流、压力流等不同流态。在隧道充满过程中，涌浪流和过渡流（瞬变流）的流态很常见，这类不稳定水力流态过程极易对管道产生非常不利的影响。

自由水流在封闭的管道内流动而产生的空气腔，水的压力波在封闭的排水隧道内上下传播从而造成浪涌现象，水流在管道内逐渐累积的压力、冲击力将导致管道破裂、污水渗漏甚至爆炸形成水柱直接冲出地面。

图1强降雨时深隧产生气爆水柱影像图片

因此，采用水力学流态模型对深层隧道的流态、管道系统尾端泵站的水力分析显得尤为重要。通过模型模拟可以分析在不同降雨工况下深层隧道水体流动状态，评估并规避浪涌形成的风险。

2浪涌分析模型——TAP模型

（Transient Analysis Program）

由于深层排水隧道内的空腔和压力波是不连续的，具有较复杂的水力学现象，需要采用专业的水力分析模型进行模拟分析。TAP模型被广泛应用于全世界多个排水隧道项目中的隧道内水力流态分析，是公认的、可有效预测分析给水和排水管道涌浪分析的工具。

TAP采用有限体积法全解一维圣维南方程，并引入Preissmann狭槽模拟压力流。相较于InfoWorks ICM和MIKE Urban，TAP的优势在于其模拟步长在1s以下，并在模拟过程中会在保证结果收敛的基础上自动计算各管节模拟所需的最小模拟步长并取该最小步长进行模拟；相较于SWMM5，TAP的优势在于可以将实际管道切分为若干管节进行模拟。这两点优势使得精细化分析浪涌形成过程并在此基础上量化浪涌程度成为可能。此外，TAP还具备以下特点：①用户可以自定义Preissmann狭槽宽度，以根据需要减少因引入Preissmann狭槽而导致的系统总调蓄容积增加的影响；②可定义闸门、堰和水泵等系统关键节点特征；③允许用户根据需要自定义输出结果的步长；④可根据其输出结果计算系统排气量。

2.1水力学流态浪涌分析

研究团队依据镇江大口径系统初步设计资料，包括隧道、竖井、枢纽泵房及其它构筑物等，利用TAP模型对大口径系统进行建模，分析不同降雨工况下产生的浪涌现象对隧道及构筑物的影响，根据基础模型的模拟结果，提出相关的优化方案，为设计提供指引。

图2浪涌分析水力模型研究方法

图3大口径竖向示意图

2.2 TAP模型的建立

将大口径系统设计相关数据输入TAP模型，包括：

主隧相关信息，涵盖直径、长度、上下游标高、曼宁系数等构筑物信息；

入流竖井节点信息，涵盖入流竖井口高程及埋深；

泵房，涵盖泵性能曲线、开闭水位、泵房吸水池、前池等信息。

2.3 模型工况

5个入流竖井的入流量采用SWMM模型导出模拟入流曲线，模型按照5年、10年、50年重现期分别进行降雨模拟，模型工况主要包括以下三种：

雨季快速填充工况（3小时，不同频率降雨，1、30、50年一遇）

雨季稳定状态工况（24小时，不同频率降雨，1、30、50年一遇）

实测大暴雨情况下的运行状况（2014年7月27日）

图4 50年一遇3小时降雨下各竖井流量入流过程

图5 1年一遇24小时降雨下各竖井流量入流过程

图6实测暴雨各竖井流量入流过程

2.4 模拟结果分析及风险识别

在所模拟的工况中，高重现期短历时情况下（即50年一遇3小时工况），大口径管道内产生不利水力学流态的情况最为严重。最不利的涌浪现象比如负压、气穴、水面震荡均出现在该工况下的快速填充过程中。

除了上述几种情况，其他几种工况均未出现其他不利的流态状况，长历时（24小时）下的各种设计暴雨，水位和流态比较平稳，没有涌浪现象发生。

3末端泵站CFD模型

流体动力学(CFD）模型模拟的核心目的是为了评估不同工况下泵站的水力学流态平稳性以及泵站的安全运行情况，模拟泵站前池布局在不同进水水力条件下，泵站前池和吸水口附近的水力流场分布情况，优化泵站布局设计，评估泵站内流场、吸水口附近流速等关键设计参数，对现有泵站的前池结构尺寸设计、整流构筑物设计、水泵组合选型、机组平面布置设计、水力流道的设计和泵站的运行工况提出建议。

3.1 CFD模型的构建

CFD分析软件的流体分析过程一般包括以下过程：

图7 CFD模型的构建过程

本次建模的主要研究对象为8台排涝泵，因此将泵站的几何形状和8台泵组的设计方案输入CFD模型中进行模拟。

3.2 模拟结果分析

模拟工况一：4组泵全开，泵站中心线纵剖

图8 进水口的流速分布 T=0.5 s（左）T=2.0s（右）

图9 进水口的流速分布 T=8s（左）T=10s（右）

图10 进水口的流速分布 T=14s（左）T=19s（右）

模拟工况二：4组泵全开，泵组吸水口下纵断面流态及流速分布

图11 泵组吸水口附近的流速分布T=5s（左）T=9.6s（右）

模拟工况三：4组泵全开，吸水口侧断面的流态及流速分布

图12 吸水口侧断面的流速分布T=5s（左）T=19s（右）

模拟工况四：单侧一台泵开，泵站底部平面

图13 流速分布T=2s（左）T=10s（右）

模拟工况五：单侧一台泵开，水泵中心线所在纵断面

图14 流速分布T=2.5s（左）T=5s（右）

3.3 结论与建议

通过CFD模型模拟，对镇江大口径末端泵站的设计方案进行了水力评估，得出以下结论：

泵站前池内流速分布不均，正对入流口的前方与上方的挡板，迫使进水向两侧和上方流动，流向改变角度大，进水口部分上下方形成较大的漩涡，同时破坏了流场自由扩散的形状。

CFD模型和物理模型结果表明，泵站前池的流速分布虽然不均匀，但是接近吸水口附近时流态平稳，没有观测到大的紊动流发生，基本满足设计要求。

根据CFD模型结果的建议，设计方对于泵站每个泵组吸水口的形式做了调整，将侧向进水的形式改为由正下方垂直进水。

4跌水竖井CFD模型

研究团队还进行了挡板跌水竖井的设计，主要内容包括：

竖井水力计算：调整各竖井进出水角度、跌水竖井干湿区占比、计算确定挡板尺寸、挡板间距、通气孔尺寸等；

CFD模型验证：校核水力计算结果能否使跌水结构在水力消能的同时尽可能降低进入隧道的掺气量。

专题研究联合工作营团队

项目总负责人：刘绪为、徐保祥

中国市政工程华北设计研究总院有限公司

蒋平、王浩正、盛政、方帅、张磊、宋晓阳、袁胜楠、王艳芳、黄意兵、王强、张英旭、李彤、于中海、白永强、许怀奥、季小益

新地中联工程设计有限公司

郭佳、彭东升、赵吉、苏德慧

中国水利水电科学研究院

张东、王志刚、章晋雄、陈文创、张宏伟、张文远、张蕊、高建标、项亚萍、胡顺

江苏满江春城市规划设计研究有限责任公司

傅源、穆军伟、汤燕