城市道路横截沟截流率有限元模拟

2021-06-01徐灵华马文滢

合肥工业大学学报（自然科学版） 2021年5期

徐灵华,郭帅,马文滢,陈岚

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州 310014;2.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥 230009)

近年来,我国城市内涝灾害频发,对人们交通出行、财产安全等造成了严重威胁。雨水口作为路面雨水径流进入地下排水系统的入口,在城市防洪防涝中起着关键作用。传统的平箅式、路缘式、联合式雨水口常置于道路排水沟中,依靠道路坡度将路面雨水径流导流至雨水口处并进行泄流,其排水机制及水力效率已被国内外学者广泛研究[1-4]。然而,在广场、停车场、机场停机坪、隧道引道等无适宜导水坡度或对径流量控制严格的场所,传统的雨水口无法满足高效排水的要求。这时,常使用横截沟作为雨水收集装置,以保证路面雨水被高效排除。目前,国内外学者针对横截沟排水水力特性也进行了相关研究[5-12]。

文献[5-7]分别结合工程实例,揭示与总结了当前横截沟在设计及实际应用中存在的相关问题,包括雨量较大时无法截流全部雨水、跳车、噪音等;文献[8]以海河隧道排水设施为背景,建立整体缩尺模型和断面模型并进行水力特性模型试验,利用流体计算软件对雨水篦子的泄水情况进行模拟,通过实验结果确定了满足排水要求的横截沟设置间距;文献[9]通过搭建1∶1的模型试验平台,在不同流量及坡度条件下对4种类型横截沟雨水篦子的水力效率进行研究,建立了箅子截流效率与弗洛德数、篦前水深等水力参数间的关系式;文献[10]进一步扩展此项研究,将横截沟雨水箅子水力效率与箅子几何参数联系,提出了根据箅子几何参数估算其水力效率的经验公式;文献[11]通过搭建12 m长、1 m宽的模拟道路实验装置,研究了不同入流量及坡度条件下,横截沟箅子处水流水力特性;文献[12]通过构建三维数值模型模拟了不同流量及坡度下横截沟雨水箅子的排水效率,并将模拟结果与模型试验结果进行对比,验证了数值模型的准确性。然而,现有研究多以室内缩尺模型试验为主,实际工程尺寸下横截沟截流特性的研究较少。

本文依托杭州香积寺路西延工程,采用ANSYS公司开发的流体仿真与计算软件件ANSYS CFX 18.0,对下穿隧道排水系统中横截沟雨水篦子的排水性能进行建模分析与计算,研究了多次降雨过程中水流的流态、流向、流量等数值的实时变化过程,并重点分析横截沟截流率的变化特性,研究成果将为城市下穿隧道横截沟的优化设计提供一定的参考。

1 数值模型的构建

1.1 典型路段选取

杭州市香积寺路西延工程沿余杭塘路、香积寺路敷设,西起教工路,东至德苑路,全长约2.6 km,其中隧道长度2.3 km,双向四车道规模,主要采用盾构法施工,项目地理位置如图1所示。建成后对方便拱墅区大关、湖墅单元居民出行及缓解大关桥、德胜路交通压力具有重要意义。

图1 杭州市香积寺路西延工程项目地理位置

该工程隧道雨水系统用于排除隧道引道段雨水,雨水通过横截沟排入雨水集水池内,通过潜水泵提升后排至室外雨水检查井。隧道横截沟的合理设置是保障隧道行车安全性、行车舒适性的关键。工程设计方提出一种沿道路横断面间隔布设雨水篦子的横截沟设计方案,本文针对该种设计方案开展截流效率研究。

1.2 计算域及控制方程

建模路线选取香积寺路西延工程莫干山路西侧至上塘路东侧部分中坡度较大的一段(道路纵坡为6%),建模路段总长185 m。考虑到数值模型运算量和模型的对称性,模型只选取单车道路面(宽3.5 m)进行模拟。模型总平面尺寸为185 m×3.5 m,纵坡坡度为6%,分为如下4段:第1段为汇水区,尺寸为175 m×3.5 m,与隧道西段U型槽汇水区相对应;第2段为过渡区,尺寸为6 m×3.5 m,与U型槽终点向隧道内方向6 m的过渡区相对应;第3段为横截沟泄流区,尺寸为0.4 m×3.5 m,间隔式布设7个0.4 m×0.2 m的浙江省标雨水篦子用于截流雨水;第4段为过流区,尺寸为3.6 m×3.5 m,用于排放越过横截沟出流的水量。计算域几何模型如图2所示。

图2 计算域几何模型及网格划分

对于水气两相流动,本文采用均质两相VOF模型,其控制方程如下:

(1)

(2)

(3)

∑αi=1

(4)

其中:密度ρ=∑αiρi;动力黏度μ=∑αiμi;i为流体相下标;αi为i相体积分数;U为速度;P为压力;F为其他体积力或源项;E为能量;T为温度;k为热传导系数。

本次模拟采用SSTk-ω紊流模型。SST(剪切应力传递)湍流模型是在计算流体动力学中广泛使用的双方程涡流黏度湍流模型。SST两方程湍流模型[13]结合了k-ω湍流模型和k-ε湍流模型,使得k-ω用于边界层的内部区域,并在自由剪切流中切换到k-ε模型,因此SSTk-ω模型可以用作低雷诺数湍流模型而不引入任何额外的阻尼函数,同时在剪切流中利用k-ε模型避免对入口湍流性质过于敏感的问题。在过去20a该模型已被应用于多种工程中[14-15]。

1.3 网格划分及边界条件

模型采用结构性网格,约210×104个节点,234×104个单元,本文数值模型存在边壁、入口、出口3种类型边界(图2)。边壁采用无滑移边界,即壁面流速v=0,模型经验常数计算公式为:

(5)

kwall=0

(6)

入口采用流量边界,出口采用开放式边界,给定压力为大气压。入流边界设置为从第1段集水区域底部涌水,横截沟及下游出水口为开放式边界,顶部边界为空气开放式边界。

1.4 模拟工况

入口流量取决于雨量大小,根据杭州市设计降雨强度公式,模拟设计暴雨强度数值模拟工况见表1所列。

表1 数值模拟工况

2 横截沟汇流过程模拟结果分析及讨论

2.1 水力特性分析

本文CFD模型中,上游集水区域雨水流向下游,经过不透水路面,沿程水深增加,经过横截沟时,大部分雨水经由横截沟泄流,其余流向下游出口。模拟工况的降雨量范围内,道路水深均较小,流态均匀,发展平稳,各工况水流分布云图如图3所示。

模拟结果表明,尽管道路路面纵坡较大(6%),在降雨强度为4.0～8.0 mm/min范围内,由于雨水汇流量较小,因此所有模拟工况中横截沟处水流入流均为沿上游横截沟壁方式。当汇流量较大时,可通过均匀流公式计算得到水流在靠近横截沟时速度约为1.8 m/s,以射流方式冲击横截沟下游壁面,不仅影响横截沟收水率,而且造成安全隐患。

通过分析各模拟工况的流线分布及其速度大小可知,工况1～工况4流线均较为平顺,部分通过横截沟,部分通往下游;不透水路面区域上游速度较大,沿程流速逐渐减小,原因是水深沿程增加。计算的4个工况趋势一致,只是入流量大小不同造成流场分布中水力特性要素大小有一定差别。

对于典型工况2,其不透水区域入口处及横截沟上游水流流速横向(Z轴)分布如图4所示。从图4a可以看出流动在入口处基本充分发展,除近壁处速度梯度较大,横向速度为常数,大小约为5.3 m/s。从图4b可以看出，在横截沟上游,水流流速分布均匀,约为1.8 m/s。

图4 工况2流速横向分布

2.2 道路积水深度分析

不同工况下不透水路面压力分布如图5所示,其中工况1～工况4最大积水深度分别为1.63、1.23、1.02、1.00 cm。积水深度在不透水路面入口至横截沟段沿程增加,在到达横截沟时达到最大值。横截沟下游分别存在“无积水区”,其长度约为横截沟长度,即0.4 cm。雨水可通过横截沟间隙流向下游,但整体上横截沟下游积水水深远小于横截沟上游。

图5 计算工况道路压力分布

模拟工况1～工况4积水深度随流量减小而降低,表明积水深度与降雨量呈正相关关系;但其分布规律基本一致,说明积水分布规律不受流量影响,与其他因素有关,比如道路路面性质、坡度、尺寸、横截沟设置位置等。

2.3 横截沟截流率分析

横截沟拦截雨水的原理为:在路面雨水径流的垂直方向,设置一系列雨水篦子,拦截雨水径流进入下部的排水沟,并通过排水沟坡度作用将雨水导入地下雨水管道系统中。因此,研究横截沟的截流率应同时考虑上部雨水篦子、下部排水沟的收水及排水性能。但鉴于实际工程中,横截沟下部排水沟排水能力往往存有富余,本研究只考虑上部雨水篦子的截流率。

模拟工况1～工况4径流量、横截沟泄流量、下游出口流量,结果见表2所列。根据连续性方程,横截沟泄流流量与下游出口流量之和等于上游入流量,且随着径流入流量减小而减小。

表2 各工况横截沟及下游出口泄流流量

分析模拟结果可知,当计算模型中其他因素均一定时(道路坡度、横截沟孔隙率不变),在一定范围内,降雨量(径流流量)变化不影响横截沟截流率。随着径流量降低,水流流经横截沟时入流方式不变,则其截流率基本维持不变;但若径流量较大时,由于路面坡度较大,水流速度可能显著增加,其流经横截沟截流流方式发生变化,横截沟载流率可能降低,还有可能造成其他安全隐患。

通过横截沟截流率分析及上文水力特性分析可知,横截沟篦子孔隙率可能是影响截流率的关键因素。在本文计算的工况中,泄流区孔隙率为0.5,在降雨强度4.0 ～8.0 mm/min范围内,横截沟截流率基本处于2/3水平。当横截沟篦子占据整个横断面孔隙率较大时,其截流率有望得到较大的提高,因此,横截沟孔隙率的变化可作为进一步研究的关键因素。