盧光毅，朱 潔，陳 斌

(上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院(集團)有限公司，上海 200125)

0 引言

近年來，隨著城市化水平不斷提升，城市不透水硬質(zhì)下墊面率越來越高，導(dǎo)致城市內(nèi)澇及城市初雨徑流污染愈發(fā)嚴重。雨水調(diào)蓄池是一種收集雨水徑流的存儲設(shè)施，能將市政排水管網(wǎng)系統(tǒng)中的峰值雨水徑流暫時收集于池體，待峰值徑流水量降低后，將池體內(nèi)存儲的雨水徑流緩慢排出，既實現(xiàn)了削減徑流峰值，亦可實現(xiàn)雨水徑流循環(huán)利用，還能避免初期雨水徑流污染河道水體等問題，是城市提升區(qū)域水生態(tài)的質(zhì)量的重要基礎(chǔ)設(shè)施。同時雨水調(diào)蓄池由于具有較好徑流削峰及徑流控污效果，經(jīng)濟性較高，因此在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

深層豎井調(diào)蓄池是一種采用VSM(垂直豎井沉降掘進)工法施工的豎井式調(diào)蓄池，具有池體面積小，施工速度快，施工面積小和埋深較深等特點。目前VSM工法在國內(nèi)以成功應(yīng)用于南京UP智能地下停車庫[1]，實現(xiàn)了僅用450m2就能停200輛汽車的壯舉，充分利用了碎片化的城市空間。若采用VSM工法修建深層豎井調(diào)蓄池，能有效避免高強度開發(fā)城市區(qū)域市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)用地不足的難題，大大的提升了城市空間的利用價值。由于深層豎井調(diào)蓄池的埋深在50～60m，如何對調(diào)蓄池進水進行有效消能成為保障調(diào)蓄功能的首要難題。

Fernande[2]等構(gòu)建中央渦流消能豎井物理模型，水流進入中央渦室后螺旋下跌至底部進行消能，但渦室消能效果與進水方向流態(tài)存在較大關(guān)聯(lián)，高速水流下易出現(xiàn)水翅等不利流態(tài)；Odgaardl[3]通過在豎井側(cè)壁兩側(cè)設(shè)置對流折板，讓水流從一側(cè)擋板跌落到另一側(cè)擋板，從而實現(xiàn)跌水消能，但對折板強度具有較高的要求。安瑞冬[4]等通過設(shè)置螺旋階梯式階梯入流豎井，來保障深層隧道排水系統(tǒng)的入流安全，但階梯施工安裝難度較高。由于本次研究深層豎井調(diào)蓄池池體距地深度在50～60m，考慮到實際施工及消能實施的穩(wěn)定可靠性，故本次研究考慮采用螺旋流道的消能形式。通過預(yù)制螺旋拼裝流道，流道采用混凝土立柱固定，以確保螺旋流道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定，施工安裝較為便捷。并通過CFD(計算流體力學(xué))技術(shù)進行分析，探究螺旋流道置于深層豎井調(diào)蓄池消能效果。[5]

1 研究概況

以上海市浦東新區(qū)某擬建深層豎井調(diào)蓄池為研究對象，該調(diào)蓄池類型為初雨調(diào)蓄池，主要功能為解決區(qū)域排水系統(tǒng)內(nèi)的初期雨水徑流污染問題，調(diào)蓄池規(guī)模為5000m3。

研究區(qū)域現(xiàn)狀排水體制為雨污分流制，排水系統(tǒng)服務(wù)面積為1.2km2，規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計暴雨重現(xiàn)期為5年，規(guī)劃綜合徑流系數(shù)為0.5。區(qū)域雨水排放模式為強排式，雨水徑流經(jīng)管網(wǎng)收集后輸送至泵站內(nèi)，經(jīng)泵站提升后排入河道。

深層豎井調(diào)蓄池為全地下式，共包含兩層，地下一層為設(shè)備層，地下二層為池體蓄水層。深層豎井調(diào)蓄池池體為圓形，池體內(nèi)徑為12.5m，池壁由預(yù)制管片構(gòu)成，調(diào)蓄池底距設(shè)備層底板距離為43.5m。調(diào)蓄池DN800進水管進水流量為2.78m3/s，進水管底距調(diào)蓄池底板高度為41.2m。螺旋消能流道中心線所構(gòu)成圓的直徑為10.12m，流道寬度為1m，流道橫斷面為矩形，流道壁厚為0.04m，流道采用UHMWPE(超高分子量聚乙烯樹脂)制成，流道坡度為15%。

深層豎井調(diào)蓄池底布置壁厚0.25m，高度為1m的導(dǎo)流墻，底部形成流道凈寬度為1m的螺旋進水流道，水流至螺旋流道下落至池底后，沿池底螺旋流道輸送至中央排水泵坑處，池底中央排水泵坑內(nèi)徑為4m，深度為1m，內(nèi)置3臺變頻放空泵，兩用一備。

2 研究模型及分析方法

2.1 研究模型

本研究將以深層豎井調(diào)蓄池蓄水主體結(jié)構(gòu)部分為基礎(chǔ)，建立螺旋流道及底層調(diào)蓄池三維模型，采用適應(yīng)性較好的四面體網(wǎng)格對計算模型進行離散化處理，網(wǎng)格總量約為234萬，如圖1所示，對調(diào)蓄池進水消能進行分析，探究螺旋流道消能形式在深層豎井調(diào)蓄池消能效果。

圖1 深層豎井調(diào)蓄池蓄水主體三維模型示意圖

2.2 數(shù)值計算方法

深層豎井調(diào)蓄池進水流動是三維不可壓縮湍流流動，其控制方程主要包括連續(xù)性方程及動量方程。本次研究選用湍流模型為RNGk-ε模型[6]，有效地模擬高應(yīng)變率以及流線彎曲程度較大的流動，湍動能k和湍動能耗散率ε的輸運方程如下：

(1)

(2)

其中

(3)

式中，μeff、μ、μt-有效粘度、動力粘度、湍流粘度，均用來反映k與ε的函數(shù)關(guān)系；Gk-平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項；σk、σε-湍動能k和耗散率ε對應(yīng)的普朗特數(shù)；Eij-時均應(yīng)變率；Cμ、C1ε、C2ε、αk、αε、η0、β-經(jīng)驗常數(shù)，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-氣兩相流模型采用VOF模型[6]，VOF方法的體積分數(shù)方程如下：

ρmixture=αwaterρwater+αairρair

(4)

μmixture=αwaterμwater+αairμair

(5)

αwater+αair=1

(6)

式中，μ-動力粘度；ρ-密度；α-體積分數(shù)；其下標mixture、water、air分別表示混合相、水相和空氣相。

最后是邊界條件設(shè)定，進口設(shè)置為流速進口，流速數(shù)值為5.53m/s，即調(diào)蓄池進水管流量Q=2.78m3/s與進水管道斷面面積S=0.50m2的比值。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 螺旋流道進水流態(tài)分析

建立深層豎井調(diào)蓄池螺旋流道CFD模型，其螺旋坡道內(nèi)的水流流態(tài)如圖2所示。初雨徑流通過進水管道流入螺旋流道內(nèi)，在時間t=25s時，初雨徑流水量已充滿螺旋流道，并即將排入調(diào)蓄池底。初雨徑流表面的流速自管道內(nèi)5.53m/s迅速攀升至10.00m/s以上，螺旋流道內(nèi)水流表面的最大流速約為13.80m/s。

圖2 深層豎井調(diào)蓄池螺旋流道內(nèi)水體流態(tài)圖

調(diào)蓄池水流溢出流道現(xiàn)象如圖3所示。結(jié)合圖2-3可知，當初雨徑流通過進水管道排入螺旋流道時，從上往下的第一圈螺旋流道內(nèi)有部分水流沖出了流道。主要原因是由于進水管道流量較大，為有壓滿管流，當其進入螺旋坡道內(nèi)后先轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞鳡顟B(tài)，再進一步轉(zhuǎn)變?yōu)槊髑鳎瑢?dǎo)致水流出現(xiàn)擁擠，從而發(fā)生溢流。溢出流量為1.10～1.20m3/s。

圖3 深層豎井調(diào)蓄池水流溢出流道現(xiàn)象

3.2 調(diào)蓄池底入流流態(tài)分析

對初雨徑流經(jīng)螺旋流道轉(zhuǎn)輸后排入調(diào)蓄池底進行分析，如圖4所示，在時間t=25s之后，初雨徑流開始填充深層豎井調(diào)蓄池。由圖4可知，在開始充水的前210s內(nèi)，水流波動幅度較大，在此之后，波動出現(xiàn)變緩的趨勢。深層豎井調(diào)蓄池內(nèi)水流表面的流速較低，流速基本位于10.00m/s，并且隨著水深的增加而不斷降低。值得注意的是，在深層豎井調(diào)蓄池底部，螺旋流道出口對面的外側(cè)立柱附近存在較高的瞬時流速值，最高可達20.00m/s，主要原因在于大曲率水流沖擊立柱合并流域快速緊縮導(dǎo)致的。由于該處最大值流速為瞬時流速值，并且隨著深層豎井調(diào)蓄池的深度的增加而不斷降低至10.00m/s，因此對調(diào)蓄池池底立柱無明顯破壞作用。

圖4 深層豎井調(diào)蓄池內(nèi)水體流態(tài)圖

如圖5所示，通過對深層豎井調(diào)蓄池底的初雨徑流的三維流線變化情況可知，初雨徑流經(jīng)螺旋流道出水后，其水流以大曲率流動的形式填充池底，導(dǎo)致調(diào)蓄池底部外側(cè)立柱存在較大的流速分布。當池體內(nèi)初雨徑流量較少時，初雨徑流最大流速不高于18.00m/s；初雨徑流充滿深層豎井調(diào)蓄池下層跌落區(qū)后，初雨徑流的最大流速不高于20.00m/s。隨著水深的增加，初雨徑流的最高流速在不斷降低。

圖5 深層豎井調(diào)蓄池內(nèi)三維流線圖

3.3 螺旋流道下方出口斷面流態(tài)及消能分析

圖6所示為螺旋流道下方出口斷面流態(tài)示意圖。當時間t為60～120s時，深層豎井調(diào)蓄池位于螺旋流道出口高層下方，此時初雨徑流流速主要偏向螺旋流道外側(cè)區(qū)域，水體流速分布穩(wěn)定，最大流速約為15.50m/s。當時間t為120～180s時，深層豎井調(diào)蓄池內(nèi)水深位于螺旋流道出口斷面內(nèi)，此時水流仍然偏向于螺旋流道外側(cè)區(qū)域，由于受到深層豎井調(diào)蓄池體內(nèi)水流的影響，螺旋流道出口流速在不斷降低。隨著時間的增長，深層豎井調(diào)蓄池內(nèi)水體沒過下方螺旋流道出口，此時出口斷面的流速分布更加趨于均勻，最大流速隨著水深的增加而不斷降低，在時間t=200s時，最大初雨徑流流速已經(jīng)下降至10.00m/s以下。

圖6 螺旋流道出口斷面流態(tài)圖

采用式(7)來計算螺旋流道的消能率η：

(7)

(8)

式中，E1、E2-螺旋流道進口和出口斷面的總水頭，m；Zi-斷面位置相對水頭，本研究中以螺旋坡道出口底為基準高程進行計算，m；Pi-斷面平均壓力，Pa；vi-斷面平均流速，m/s；ρ-水密度，998.2kg/m3；g-重力加速度，9.81m2/s。i=1或2，分別代表進口和出口斷面序號。

經(jīng)計算，在深層豎井調(diào)蓄池的水位低于螺旋坡道出口高程前，螺旋坡道的消能率約為77.5%；對調(diào)蓄池整體而言，初雨徑流經(jīng)上方螺旋流道消能后跌入池底后，經(jīng)調(diào)蓄池底部的螺旋流道進行二次消能。

對于系統(tǒng)整體消能率，E1為螺旋流道進水口處總能量，E2的總能量以深層豎井調(diào)蓄池內(nèi)水體的平均能量來代替，數(shù)據(jù)選取為深層豎井調(diào)蓄池內(nèi)水體的平均水深、平均水壓和平均流速。故當深層豎井調(diào)蓄池蓄水水位約0.8m時，調(diào)蓄池系統(tǒng)整體消能率為96.3%；當深層豎井調(diào)蓄池蓄水水位約1.7m時，調(diào)蓄池系統(tǒng)整體消能率為95.8%；當深層豎井調(diào)蓄池蓄水水位約3.0m時，調(diào)蓄池系統(tǒng)整體消能率為93.1%。整體消能效果較好，計算見表1

表1 系統(tǒng)整體消能率計算表

3.4 深層豎井調(diào)蓄池壓力分布分析

本次研究擬采用空化數(shù)[7]來進行壓力特性分析，分析其抗空化特性，以探究初雨徑流對深層豎井調(diào)蓄池及螺旋流道的水力沖擊破壞情況。區(qū)域空化數(shù)計算公式如下：

(9)

式中，σ-空化數(shù)，根據(jù)《水工設(shè)計手冊(第2版)第7卷泄水與過壩建筑物》[8]，對于泄水道表面，當空化數(shù)σ<0.30時，需采取防空蝕措施；P-絕對壓力，Pa，下標static、dynamic、saturation分別代表靜壓、動壓和飽和蒸汽壓；Psaturation=3169Pa；ρ-水的密度，998.2kg/m3；v∞-特征流速，m/s，為提高項目安全性，本研究選用此時刻水體內(nèi)的最大流速(10.00～20.00m/s)為此特征流速。

圖7所示為深沉豎井螺旋流道壁面空化數(shù)分布圖。由圖7可知，螺旋流道內(nèi)壁空化數(shù)值較高，進水管道轉(zhuǎn)彎處的空化數(shù)σ>0.50。

圖7 調(diào)蓄池螺旋流道壁面空化數(shù)分布圖

圖8所示為深層豎井調(diào)蓄池池底以及立柱壁面的壓力分布圖。由圖8可知，水流進入深層豎井調(diào)蓄池底后，在水流最先沖擊的前三根側(cè)邊墻附近的立柱上存在較低的壓力分布，最小瞬時負值可達-30kPa之下，通過俯視圖也可知，在相關(guān)立柱的地面附近仍然可觀察到較低的壓力分布。在t=180s及之后，由于深層豎井調(diào)蓄池底部已蓄水，形成水墊，低壓現(xiàn)象消失，并逐漸恢復(fù)至正壓分布。

圖8 深層豎井調(diào)蓄池底面以及立柱壁面壓力分布圖

深層豎井調(diào)蓄池螺旋流道出口立柱壁面的壓力分布如圖9所示。結(jié)合圖8-9可知，在螺旋流道出口，水流未淹沒出口時，受到水流沖刷的作用，在其接觸的立柱亦存在較低的負壓分布。經(jīng)計算統(tǒng)計空化數(shù)，最小空化數(shù)位于邊墻附近的立柱表面，約為0.36～0.42。池底以及立柱壁面的空化數(shù)值較高，均位于0.30以上，立柱壁面最不利點空化數(shù)為0.36，空化空蝕發(fā)生的可能性較低。隨著水深的增加，空化數(shù)值逐漸增大，無明顯的空化空蝕發(fā)生風(fēng)險。

4 模擬結(jié)果在工程設(shè)計中的應(yīng)用

為解決深層豎井調(diào)蓄池螺旋流道上方進水位置存在初雨徑流溢出的情況，本次研究擬采用局部增加流道高度形式，將螺旋流道上方進水口處流道高度由1.0m提升至1.5m，提升范圍為螺旋流道上方起點至流道發(fā)生溢流最低位置延伸約2m處，可以有效避免水量溢出螺旋流道。

為進一步保障初雨調(diào)蓄池底部結(jié)構(gòu)安全，擬進一步提升調(diào)蓄池底部立柱的空化數(shù)，即調(diào)蓄池底部半圓結(jié)構(gòu)立柱直徑由DN400，提升至DN1200。如圖10-11所模擬后發(fā)現(xiàn)，立柱壁面最大瞬時負壓高于-20kPa，立柱表面最小空化數(shù)約為0.73～0.78，調(diào)蓄池底部空化數(shù)值有顯著提升，提升了調(diào)蓄池底結(jié)構(gòu)的安全性。為更進一步保障池底抗水流沖刷能力，池底將采用聚脲[9]等抗沖耐磨防護材料噴涂混凝土表面，以確保池底能在螺旋流道出口流速最大時，不受初雨徑流水力沖刷的影響。

圖10 深層豎井調(diào)蓄池底面以及立柱壁面的壓力分布圖(池底立柱優(yōu)化)

圖11 深層豎井調(diào)蓄池螺旋流道出口立柱壁面的壓力分布圖(池底立柱優(yōu)化)

5 結(jié)論

在深層豎井調(diào)蓄池中，調(diào)蓄池進水消能是急需解決的重點難題，其水力學(xué)特性研究事關(guān)調(diào)蓄池運行的安全穩(wěn)定。本次研究通過螺旋流道對深層豎井調(diào)蓄池的進水消能效果進行分析，得出其能夠有效消能，整體最高消能率可達96.3%，并能確保調(diào)蓄池主體結(jié)構(gòu)的安全可靠，為深層豎井調(diào)蓄池的推廣建設(shè)提供強有力的理論支撐，為各類型調(diào)蓄池應(yīng)用于碎片化城市用地場景提供了建設(shè)思路。