竖井进水箱涵段水力特性数学模型研究

向恒飞

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海市 200235）

1 工程概况

某市垃圾填埋场建于1997年，项目选址位于郊区山脉一处谷底，谷底地势西北高东南低，填埋库区沿山谷建设。一期位于山谷东南侧一块平地，占地面积约为145hm2，现状修建了断面为3×3m的排洪隧道排填埋区雨水，排入下游河道。目前库容已全部填满，一期填埋区已封场。

随着城市建设的发展和人民生活水平的提高，需在现有库区的西北侧建设二期填埋区，占地面积约为560hm2。目前二期填埋区已经投入使用，垃圾填埋采用覆膜作业，导致下垫面的性质改变，雨水量增大，但由于地形限制，无法穿越一期填埋区新建排洪隧道，雨水只能通过现状隧道排放，因此隧道过水断面尺寸不足（见图1）。

图1 某填埋场填埋区平面示意图

为解决排洪风险，绕开一期封场区拟新建排洪隧道。新建隧道起点主要排放填埋作业区的膜面雨水，绕开填埋区，在南侧山体下埋设，最终排入下游河道。

新建隧道排放二期填埋区的膜面雨水，起点处的竖井位于填埋作业区内，修建箱涵作为竖井进水口。二期填埋区由低到高分为3个填埋作业标高，相应的进水箱涵也有3个进水标高。首先，垃圾填埋至最低作业标高后，垃圾覆膜封场，膜面水引流至进水箱涵第一进水口。其次，继续填埋垃圾至第二填埋作业标高，垃圾再覆膜封场，膜面水引流至进水箱涵第二进水口。最后，填埋垃圾至第三填埋作业标高，垃圾再覆膜封场，膜面水引流至进水箱涵第三进水口。此时，填埋区库容全部填满封场。图2为进水箱涵与竖井的原设计平面剖面图。进水箱涵有3个进水口，随着垃圾填埋作业，由低到高逐个封堵启用，最终只有最高处的进水口进水。

图2 某填埋场竖井和排洪隧道示意图

按常规设计，原引水箱涵、竖井平面及剖面如图3、图4所示。

图3 竖井1箱涵段平面布置图（原方案）

图4 竖井1箱涵段剖面布置图（原方案）

但由于填埋现场正在作业，施工时需要打开现已铺设好的填埋区底膜。底膜打开范围越大，对周围的垃圾体影响越大，施工风险越高。原设计方案箱涵长度为40m，再加上开挖范围，施工十分困难。

为减小平面占地范围，不能通过平面增加箱涵长度的方法降低箱涵坡度。因此，设计引水箱涵的坡度加大，与现状地形接近。现场地形条件（见图5）坡度较大，斜坡深20.23m，长22.53m。坡度为1∶0.9。而竖井的设计深度为20m，受垃圾体施工条件限制，其自身的消能设计已经十分困难，对进水流速的要求非常严格，需要控制在5m/s以内。综合比较，保证进水箱涵内流态稳定，降低与竖井连接处的流速是设计关键[1-2]。

图5 填埋区地形

为此，设计改善了箱涵的平面布置，采用侧向入流的方案，延长了消力池长度，消能效果充分。将斜坡段箱涵向侧边平移，使水流从斜坡流下来之后，从箱涵侧面，越过一个底坎，跌入竖井，从而达到延长消力池的目的。侧向入流方案布置如图6、图7所示。

图6 设计方案平面图

图7 设计方案剖面图

在侧向入流方案的基础上通过进一步增加侧向入流流道长度的方式，减小进入竖井的流速，提高消能效果。将斜坡进口箱涵侧向平移，在竖井进口前增加一个水平的流道，形成一个环形通道，通过水流方向的旋转将水流能量消耗掉，从而达到降低竖井进口流速的目的。并在两个箱涵交接处和竖井进口处设置高2m的底坎，使箱涵内保持一定的水深，增加消强效果。为验证侧向入流的方案，优化水平流道的长度，采用数学模型来进行研究。

研究建立了数学模型模拟水流状态，对进水箱涵段进行局部三维水动力模拟，分析水流流态、压力分布和气液相分布等水力学问题，提供压力、流态、流速分布，对进水箱涵段消能效果、布置形式、结构形式的可靠性和合理性做出评价，并提出优化改进意见[3-6]，为进口箱涵设计工作提供科学依据。本文主要介绍进水箱涵段设计和数学模型的研究过程。

2 研究条件

现场共有3个填埋作业标高，进水箱涵设有2个进水口，竖井顶部设1个进水口。3个进水口使用时间不同，但汇水范围一致。在流量一致的条件下，第三进水口高差最大，消能最不利，因此选用第三进水口工况进行分析研究。膜面水经过导流排入设计的进水箱涵，连接进的竖井采用折板形式，50a一遇设计流量为18.49m3/s。

3 模型模拟

3.1 模型控制方程

本项目通过FLUENT软件建立三维模型，模拟竖井进口段和竖井内的水力学过程、水气两相瞬变流动特性和启动特性。

3.2 边界条件

（1）进口边界：进口流量为18.49m3/s。

（2）空气进口：竖井上方设空气进口，模型采用压力进口进行设置，压力为1个大气压。

（3）通气孔：为了增加竖井内气体交换，每块隔板下方设置1个通气孔，通气孔采用压力出口进行设置，压力为1个大气压。

（4）出口边界：模型出口边界为压力出口，压力大小按照下游水位进行换算。

3.3计算工况

数学模型计算考虑最大流量为50a一遇设计流量工况。

4 数值模拟成果与分析

4.1 设计方案要求

本章主要采用FLUENT对各关键部位进行水动力模拟，验证工程的消能是否满足要求。

（1）流速要求：下游竖井进口流速一般不超过5m/s。

（2）压强要求：C40混凝土最大抗压强度为26.8MPa；绝对压强大于0，即不出现负压。

4.2 设计方案模拟

尝试将斜坡进口箱涵向侧向平移3m，在竖井进口前增加一个水平长度为3m的流道，形成一个环形通道，通过水流方向的旋转将水流能量消耗掉，从而达到降低竖井进口流速的目的。

4.2.1 模型建立

模型范围如图8所示。

图8 进口箱涵段模型（侧向入流+3m环形通道方案，三维立体图）

4.2.2计算结果

计算结果主要包括气液相分布、压力分布、流速分布。

4.2.2.1 气液相分布

气液相分布如图9～图11所示。

图9 气液相剖面分布图（侧向入流+3m环形通道方案）

图11 气液相横剖分布图（侧向入流+3m环形通道方案）

从气液相分布图中可以看出，水流从进口跌入斜坡段，由于斜坡坡度较陡，水流流速不断加大，导致液面降低，紧贴斜坡。当水流接近消力池时，受到消力池内水流顶托，流速降低，水深加大。水流在消力池内进行翻滚，随后翻越侧面底坎进入侧向箱涵，在箱涵内水流旋转270°，最后翻越底坎坠入竖井内。由于侧向入流面积较小，消力池内水位上升至箱涵顶部，水深约5m。消力池内呈淹没出流，消能效果较好，但由于侧向入口有压流状态，进入侧向箱涵后旋转角度较大，侧向箱涵空间有限，导致箱涵内水流流态较差。

图10 气液相俯视分布图（侧向入流+3m环形通道方案）

模型结果显示，侧向入流+3m环形通道方案有一定的消能作用，尤其对于斜坡段流速有很好的消减作用。但由于消力池内呈现有压流状态，同时水流在侧向箱涵内旋转角度较大，箱涵空间有限，导致箱涵内流态较差，进入竖井内的流速偏大，超过竖井允许的5m/s的流速。总的来说，消能效果还不理想，需要优化。

尝试将斜坡进口箱涵继续侧向平移，形成一个较大的箱涵空间，改善箱涵内的流态，调整环形通道的长度至9m，通过水流方向的旋转将水流能量消耗掉。

气液相分布如图12～图14所示。

图12 气液相剖面分布图（侧向入流+9m环形通道方案）

图13 气液相俯视分布图（侧向入流+9m环形通道方案）

图14 气液相横剖分布图（侧向入流+9m环形通道方案）

从气液相分布图可以看出，水流从进口跌入斜坡段，由于斜坡坡度较陡，水流流速不断加大，导致液面降低，紧贴斜坡。当水流接近消力池时，受到消力池内水流顶托，流速降低，水深加大。水流在消力池内进行翻滚，随后翻越侧面底坎进入侧向箱涵，在箱涵内水流旋转270°，最后翻越底坎坠入竖井内。

4.2.2.2 压力分布

压力分布如图15～图17所示。

图15 压力剖面分布图（侧向入流+9m环形通道方案）

图16 压力俯视分布图（侧向入流+9m环形通道方案）

图17 压力横剖分布图（侧向入流+9m环形通道方案）

从压力分布图可以看出，水流从进口垂直跌入收水平台，垂向产生的最大压强为23.4kPa，模型内没有负压。最大压强分布在消力池底部，斜坡与消力池相交处，最大压强达139kPa。最大压强可以满足工程要求。

4.2.2.3 流速分布

流速分布如图18～图20所示。

图18 流速分布纵剖面图（侧向入流+9m环形通道方案）

图19 流速分布俯视图（侧向入流+9m环形通道方案）

图20 流速分布横剖面图（侧向入流+9m环形通道方案）

从流速分布图可以看出，水流从进口跌入斜坡段，由于斜坡坡度较陡，水流流速不断加大。当水流射入消力池与池底内液面接触时，流速达到最大，为14.32m/s。受到消力池内水流顶托，流速降低，水深加大。水流在消力池内进行翻滚，随后从侧面的出水口通过底坎越出，在侧向箱涵内旋转270°，通过底坎进入竖井。进入竖井最大流速达4.88m/s。

4.2.3 结果分析

从模型结果气液相、压力和流速分布可以看出，侧向入流+增加环形通道方案消能效果较好。

对比环形通道长度3m及增大到9m两个方案，3m环形通道方案对于斜坡段流速有很好的消减作用，但箱涵内流态较差，为有压状态，进入竖井内的流速偏大。总的来说，消能效果还不理想。9m环形通道方案斜坡段流速有所增加，但流速仍在混凝土承受范围内，且整个箱涵呈现出无压流状态，安全性增加。总的来说，消能效果比较理想，进入竖井的流速刚好可降至5m/s，能够满足竖井进口流速的要求。

综合比较，本工程竖井的进水箱涵选用了9m环形通道方案。

5 结论

本工程因为施工场地的局限性，以及现状地形坡度较大等因素，采用非常规的布置形式设计竖井的引水箱涵。设计要保证进水箱涵流态的稳定、进入竖井的流速不超过规定流速，避免对竖井消能设计造成影响。数学模型试验对设计方案进行分析优化，模拟进水箱涵各个位置的模型流态和流速，更高效地改善了进水箱涵末端与竖井衔接处的流态。优化后的设计方案满足设计施工的条件，满足工程正常运行需要，可为坡度大、占地小的类似工程设计提供指导。