深隧二三级管道入流方式及管径大小与瞬变流灾害的关系研究

李鹏程

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

1 深隧系统的瞬变流问题

在排水领域，深隧是深层排水调蓄隧道的简称，一般是指埋设在地下空间(一般指地面以下超过20m深度)、用于调蓄/输送雨水或合流污水、通常具有较大调蓄容量的隧道。深层调蓄管道系统一般由主隧、二三级管道及入流竖井组成，现状管网中的水流跌落进入二三级管道后再通过竖井进入主隧道储存后排放。由于深隧系统的整体构架在于深隧系统与原有排水系统组成新的排水系统，需要二者共同作用以达到工程目标，深隧提标的本质是在原有系统增加入流点，改变原有系统的水力线，消减部分超过系统设计标准暴雨的水量，从而达到原有雨水系统提标。近年来，国内学者在深层排水隧道技术的应用与发展趋势、深隧系统控制优化、控污效果分析方面做了大量的研究[1- 4]。深隧系统结构示意图如图1所示。

图1 深隧系统结构示意图

瞬变流最早在长距离油气输送、供水管网、输水隧洞等项目中研究较多，近年来，在深层排水隧道中，瞬变流可能带来的灾害逐渐引起设计及科研人员的重视。王建平等[5]为了验证广州市深层隧道排水系统东濠涌试验段工程设计方案的合理性，通过物理模型，对深隧运行过程中的排气、浪涌、消能等关键水力学问题进行了模拟和分析，试验结果表明，折板竖井消能充分，并可兼顾主隧道排气。浦胜男等[6]针对某深隧工程中竖井结构因受水流脉动压力产生的流激振动响应问题，通过对竖井消能工的流固耦合有限元计算，得出竖井消能工在不同流量工况下的自振特性，推荐从经济角度适当减小消能工台阶厚度。胡应均等[7]针对城市雨水管网中的明满流现象，对水气两相流的形成机理与运动规律进行探讨，提出城市雨水管网模拟技术的研究方向。

可以看出，目前深隧的瞬变流灾害主要关注点在入流竖井的消能方式以及主隧明满流交替引起的水力学灾害[8- 9]，而对于深隧系统重要组成的二三级管道可能出现的水力学灾害研究较少。考虑到深隧在应对极端暴雨事件时，二三级管道中水流的压力、流量等极有可能在短时间内发生剧烈的变化，因此二三级管道完全存在瞬变流灾害发生的可能性，本论文以上海市A排水系统为例，利用数值模拟的方法对暴雨条件下(重现期P=5)，深隧系统二三级管道不同入流方式及二三级管道管径大小对瞬变流灾害发生的影响进行研究。

2 研究对象及研究方法

2.1 研究对象

A排水系统由3个已建分流制强排系统组成，总服务面积9.71km2，现状南部2个子排水系统设计暴雨重现期P=1年，北部一个子系统P=3年，系统综合径流系数ψ=0.6，通过深隧的建设，拟将该排水系统的能力提高至5年一遇。深隧系统在暴雨期通过6处入流点将现状管网中的雨水分流至新建二三级管道中，最终通过综合设施的竖井进入深隧主隧。排水系统图如图2所示。

图2 排水系统图(管径单位：mm)

2.2 计算模型的选取及建立

2.2.1城市综合排水模型

首先利用InfoWorks模型，模拟5年一遇暴雨强度下，系统6个入流点的流量过程。其中，基础管网数据根据《上海市防汛能力调查与评估—城镇排水系统能力调查评估专项报告》的管网信息成果；降雨雨型选择芝加哥雨型，峰值系数参照相关研究选定为0.4。对于降雨历时过长，则平均降雨强度偏小，对于排水系统的冲击较小；历时过短，则总降雨量较小，也不利于全面考量排水系统在极端状况下的表现。综合考虑，模型模拟选择5年一遇1h芝加哥雨型进行模拟，对应降雨强度为58mm；降雨前，现状管网系统采用预抽空模式，即初始现状雨水管网处于空管状态；产流模型选择Horton渗透模型，汇流模型选择SWMM模型，模型通过2015年6、8月几场降雨数据进行率定验证，水量及峰值相对误差均在合理范围。详见表1。

表1 模拟与实测泵站输送量和峰值泵站前池水位相对误差 单位：%

最终得到6个入流点在5年一遇暴雨工况下的入流流量过程，作为瞬变流模型的输入。详见表2。

表2 A系统二三级管接入点入流过程

2.2.2瞬变流模型

由于传统排水软件对压力流的处理是基于明渠非恒定流的窄缝假设，因此无法对瞬变流进行精确模拟，需要借助专业瞬变流软件进行研究。常用的瞬变流模拟软件有Shaft、TAP、Ansys FLUENT和ITM。Shaft软件是由美国密歇根州大学学者开发，被用于多个深隧设计研究中，模型可以处理隧道充水的全过程，包括气栓生成的全过程；TAP软件是由美国公司开发的瞬变流计算软件。TAP模型的应用：用于模拟启闭闸门、启停泵，深隧快速充满等工况下的压力波传播过程；Ansys FLUENT是一款先进的CFD软件，通过使用FLUENT求解流动方程，可以求解流动、传热、燃烧、相变等多种物理现象，计算结果可以显示流场中各项参数的详细信息。但CFD一般用于模拟深隧局部细节的流体运动，整体的模拟存在效率低、运算时间长等缺点。例如，模拟一个如下的竖井跌落段的一个气液两相工况，需要4核电脑(intel i4790 3.6GHZ CPU)大概运算360～400h；ITM(Illinois Transient Model)模型是由美国伊利诺伊大学某分校2004年开发，基于有限体积法的瞬变流模拟软件。ITM是当前较为成熟的隧道瞬变流模型，基本代表了当今世界隧道瞬变流分析的领先技术，该模型可用于模拟合流排水系统各种工况的流态，包括明渠流、重力流、压力流(包括水锤过程)、明满交替流等，适用于包含入流竖井、调蓄池、连接管等各种水平竖直方向的排水系统，而且能够模拟分隔闸门的启闭。ITM模型被广泛应用于欧美、日本等国家以及中国香港、广州等地区的深层隧道系统的水流模拟[10]。鉴于数值模拟的尺度及模型应用的广泛性，本论文采用ITM对二三级管道入流方式及管径大小与瞬变流灾害发生的关系进行研究。

ITM模型采用明渠非恒定流使用1D圣维南方程，压力项用传统1D可压缩水锤方程，明渠受压表面采用连续、动量、能量方程模拟，具体控制方程的向量形式如下：

(1)

对于一维明渠非均匀流来说，源汇项可写为：

(2)

(3)

(4)

对于可压缩压力流，向量形式的方程可以写为以下格式：

(5)

(6)

(7)

式中，Af—过水断面面积，m2；p—管道中心压力，N；ρf—液体密度，kg/m3。

由于压力波的传播公式可以利用下式计算：

(8)

式中，Af—过水断面面积，m2；p—管道中心压力，N；ρf—液体密度，kg/m3。

最后反解压力项即可求解整个方程组。模型中水击波的的传播速度可按照以下公式计算：

(9)

3 二三级管道入流方式与瞬变流灾害关系研究

由于二三级管道最终接入综合设施管道的标高不同，二三级管道入流可以分为直接接入竖井(二次跌落)方式以及倒虹方式(一次跌落)2种，如图3所示。

图3 2种入流方式示意图

根据模型模拟结果，如图4所示，5年一遇情境下，自然入流方案未发现明显的瞬变流灾害，不同时刻的管道内的水面线较为稳定。

图4 两次跌落入流方式水力坡度变化过程

5年一遇情境下，一次跌水入流(倒虹方式)方案发现明显的瞬变流灾害。如图5所示，1h12min左右，节点235管段发生了从缓流-急流-缓流的流态变化(详见235节点佛汝德数变化图)，节点235水头最高达到约25m(绝对标高)，且节点235上游管道出现负压。瞬变流带来的水击波持续时间约为35min(1h11min～1h46min)。增压波在往上游传播的过程中，上游管道产生较大的正压，减压波在向下游传播的过程中也会产生较为严重的负压，瞬变流问题较为明显，部分节点甚至出现了大于-50m负压。

图5 一次跌落入流方式水力坡度变化过程

为改善瞬变流带来的不利水力条件，增大各个节点的井室面积(28→113m2)，模拟结果如图6所示，根据不同时刻的水力坡度线，再增加了井室面积后，对系统起到了明显的调压作用，节点未出现水头超过地面的情况，瞬变流带来的水击波灾害持续时间约为6min(1h12min～1h18min)，仅相当于一次跌水入流(倒虹方式)的17%，大大改善了瞬变流带来的不利水力条件，但部分管段仍出现较为严重的负压。

图6 增大节点井室面积后节点水力坡度变化过程

4 二三级管道管径与瞬变流灾害关系研究

为研究二三级管网标高整体抬升的可能性，对两次跌水方案管径缩小后的工况进行模拟，主要分析管径缩小后是否会引起不利的水力条件。二三级管网管径变化见表3。

表3 二三级管道管径变化表

根据模型模拟结果，如图7所示，缩小二三级管道管径后，5年一遇情境下，方案发现明显的瞬变流灾害。1h4min瞬变流带来不利的水力条件，持续30min左右，瞬变流现象极为显著，多处节点出现严重的瞬变流正压及负压，部分节点正压高达50m，负压接近-100m。

图7 缩小二三级管道管径后节点水力坡度变化过程

5 结论

本文以A排水系统为例，采用ITM对二三级管道入流方式及管径大小与瞬变流灾害发生的关系进行研究。研究发现，虽然从控制管道埋深的角度，倒虹入流的方式可以节约造价、减少施工难度，但从水力灾害控制的角度，倒虹入流方式在设计工况下可能带来较严重的瞬变流灾害，工程设计应尽量采用直接入流的方式；同时，二三级管道管径采用一定冗余度的设计，对于控制瞬变流水利灾害可以起到积极的作用。深隧系统的入流非常复杂，涉及三个层次的入流，浅层管网进入二三级管道、二三级管道进入竖井以及竖井内的水流跌落进入主隧道，本文仅从二三级管道进入竖井的角度进行了分析，其系统设计仍需统筹考虑其他层次的消能、排气等风险。