徐 輝，張喆鑫，張 睿，馮建剛

(河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

近年來(lái)，由于氣候變化以及人類活動(dòng)等影響，造成城市內(nèi)澇排水問(wèn)題愈加嚴(yán)重[1]。作為城市基礎(chǔ)建設(shè)重要設(shè)施的雨水泵站被廣泛應(yīng)用于城市的內(nèi)澇防治[2]。出水箱涵作為城市雨水泵站常用的出水建筑物，往往受城市規(guī)劃用地、周邊地形環(huán)境、已有建筑物以及已建管網(wǎng)系統(tǒng)等條件限制，使得出水箱涵的尺寸大小無(wú)法按照理想情況設(shè)置，尤其當(dāng)出水箱涵擴(kuò)散角過(guò)大時(shí)會(huì)產(chǎn)生回流、漩渦、偏流等不良流態(tài)[3-4]，易造成泥沙淤積及難以保障泵站出流滿足河道通航要求等一系列問(wèn)題[5-6]。

物理模型試驗(yàn)是研究泵站水力特性及其整流措施的一種有效手段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞泵站水力流態(tài)展開(kāi)了深入的研究[7-11]。Nakato[12]在Chicot湖取水泵站模型試驗(yàn)研究中，通過(guò)1∶24的泵站前池模型試驗(yàn)研究了泥沙淤積分布和前池的平均流速、平均水深以及水流流態(tài)之間的密切關(guān)系；王曉升等[13]通過(guò)物理模型試驗(yàn)，對(duì)分水閘站樞紐分水池產(chǎn)生不良流態(tài)的原因進(jìn)行了分析，指出V形底坎能顯著增強(qiáng)分水池水流的側(cè)向擴(kuò)散能力,有效改善分水池中的水流流態(tài)；羅海軍等[14]采用物理模型試驗(yàn)方法對(duì)排水泵站進(jìn)水系統(tǒng)的水力流動(dòng)特性進(jìn)行了分析研究，通過(guò)在閘門(mén)井內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流墩，在有效提高進(jìn)水箱涵配水均勻性的同時(shí)顯著改善了泵站前池和進(jìn)水池的水流流態(tài)；張睿等[15]通過(guò)物理模型與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，針對(duì)斜向管涵進(jìn)流雨水泵站箱涵的水流流態(tài)，在閘門(mén)井內(nèi)設(shè)計(jì)布置了3種不同的整流措施，顯著改善了閘門(mén)井、箱涵以及前池進(jìn)口處的不良流態(tài)；Zi等[16]采用物理模型與數(shù)值分析相結(jié)合的方法研究了大型泵站進(jìn)水流場(chǎng)中的組合式導(dǎo)流墩在大型泵站進(jìn)水系統(tǒng)整流方面的效果與作用。對(duì)于出水系統(tǒng)的研究，張春輝等[17]針對(duì)泵站壓力儲(chǔ)水箱涵進(jìn)行了物理模擬試驗(yàn)，通過(guò)在壓力出水箱涵內(nèi)的隔墩上開(kāi)孔來(lái)達(dá)到使各通道流量平均分配的目的，從而有效改善了箱涵出口處的流態(tài)。目前針對(duì)泵站水力特性的研究主要關(guān)注進(jìn)水系統(tǒng)，對(duì)于出水系統(tǒng)尤其是出水箱涵方面的研究較少。

圖3 初始方案出水箱涵出口斷面垂線平均流速分布(單位：m/s)

上海某雨水泵站設(shè)計(jì)規(guī)模為22.2 m3/s，采用了8臺(tái)軸流泵，由于受場(chǎng)地面積、施工條件等限制，采用了8孔出流的側(cè)向出水箱涵設(shè)計(jì)方案，同時(shí)因?yàn)槌鏊浜w長(zhǎng)度偏短，導(dǎo)致箱涵擴(kuò)散角偏大。為分析其出水系統(tǒng)水力流動(dòng)特性，本文采用物理模型試驗(yàn)研究該泵站出水箱涵內(nèi)存在的水力學(xué)問(wèn)題，并提出優(yōu)化措施改善出水系統(tǒng)水力流動(dòng)特性，以期為工程設(shè)計(jì)與建設(shè)提供參考。

1 物理模型設(shè)計(jì)

圖1 泵站出水系統(tǒng)主體部分水力模型

2 初始方案出水箱涵流態(tài)分析

2.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)在兩種外河水位下進(jìn)行，泵站出水系統(tǒng)初始方案試驗(yàn)工況如表1所示。為了分析出水箱涵的出水流態(tài)，在出水箱涵的出口處設(shè)置測(cè)速斷面，采用光電流速儀測(cè)量流速，由計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，可同時(shí)測(cè)得多點(diǎn)流速。局部重點(diǎn)測(cè)點(diǎn)采用三維剖面流速儀(ADV)測(cè)量流速。光電流速儀和三維剖面流速儀的精度均為±1.0%，故流速的相對(duì)誤差為±1.0%。出水箱涵布置見(jiàn)圖2。

表1 泵站出水系統(tǒng)初始方案試驗(yàn)工況

圖2 初始方案出水箱涵總體布置示意圖(單位：mm)

2.2 出水箱涵出口水力分析

平潮工況不同外河水位下的出水箱涵出口斷面垂線平均流速如圖3所示，不同外河水位下出水箱涵各孔流量分配系數(shù)見(jiàn)表2。由圖3和表2可見(jiàn)，兩種典型工況出水箱涵出流的規(guī)律是相似的，出水箱涵中部?jī)煽壮隹诹魉佥^大，兩側(cè)邊孔出口流速較低，總體上出水箱涵水流擴(kuò)散不良，出水箱涵出口流量存在分布不均、主流居中且出口兩側(cè)出流較小的問(wèn)題。

表2 初始方案出水箱涵各孔流量分配系數(shù)

當(dāng)外河水位為設(shè)計(jì)最高水位3.90 m時(shí)，出水箱涵擴(kuò)散角較大，出水箱涵內(nèi)部擴(kuò)散段水流擴(kuò)散不良，出水箱涵出口流速與流量呈現(xiàn)不均勻分布，出口處主流居中且出口兩側(cè)出流較小，各孔流量分配系數(shù)最大差值達(dá)到17.03%。當(dāng)外河水位為設(shè)計(jì)平均水位2.80 m時(shí)，出水箱涵擴(kuò)散段水流擴(kuò)散不良，出口斷面存在主流居中的問(wèn)題，兩側(cè)邊孔出流較少、流速極低，各孔流量分配系數(shù)最大差值達(dá)到17.33%。

3 出水箱涵整流措施

3.1 出水箱涵整流措施設(shè)計(jì)

針對(duì)泵站出水箱涵擴(kuò)散角偏大、出口流速分布不均等一系列問(wèn)題，在不改變泵站主體結(jié)構(gòu)的情況下，采用合理的工程整流措施來(lái)改善泵站內(nèi)不良的水力流態(tài)，對(duì)于泵站的安全高效運(yùn)行至關(guān)重要。泵站出水系統(tǒng)優(yōu)化方案出水箱涵整流措施如圖4所示，模型實(shí)物如圖5所示。

圖4 組合式整流措施布置(單位：mm)

圖5 組合式整流措施模型布置

在出水箱涵左右側(cè)第二道隔墻G2、G6頭部增設(shè)導(dǎo)流短墩。導(dǎo)流墩的工作原理是通過(guò)不同角度導(dǎo)流墩的導(dǎo)流作用，對(duì)來(lái)流進(jìn)行分割并強(qiáng)迫其轉(zhuǎn)向[18]，從而減小出水箱涵平面擴(kuò)散角，在平面上均化水流。因此增設(shè)導(dǎo)流短墩可以對(duì)出水箱涵進(jìn)口處的后兩孔水流分別進(jìn)行調(diào)整，使進(jìn)入兩側(cè)擴(kuò)散段的水流再分為左右流量大致相近的兩股，為出水箱涵8個(gè)孔口均勻出流提供基礎(chǔ)。導(dǎo)流短墩頂部和底部分別與出水箱涵的頂面和底面相接，導(dǎo)流短墩的寬度為0.30 m、長(zhǎng)度為2.25 m。經(jīng)多方案比較，得到相對(duì)較優(yōu)的布置方案，即隔墻G2上游端的導(dǎo)流短墩頭部與隔墻G4的間距為1.41 m，隔墻G6上游端的導(dǎo)流短墩頭部與隔墻G4的間距為1.71 m。間距太小或太大都會(huì)導(dǎo)致兩孔水流產(chǎn)生分布不均的問(wèn)題。

在導(dǎo)流短墩已經(jīng)確定的基礎(chǔ)上，在出水箱涵擴(kuò)散段和出流段分別加設(shè)整流措施。如圖4所示，在出水箱涵擴(kuò)散段的4個(gè)流道各布置1道底坎，對(duì)初步分流的水流進(jìn)行整流，使其得到初步的擴(kuò)散，從而使得4個(gè)流道中的水流流量分配得到一定的優(yōu)化。4個(gè)底坎的寬度均為0.30 m，3個(gè)底坎長(zhǎng)度為1.20 m，另一個(gè)為1.35 m，底坎的長(zhǎng)度過(guò)小將無(wú)法起到有效的向外挑流和均衡水流橫向分布作用，太大則會(huì)導(dǎo)致局部水力損失過(guò)大。在底坎之后布置一道靠近頂板的組合梁，以此對(duì)擴(kuò)散段水流進(jìn)行垂向和水平方向上的進(jìn)一步整流，保障出水箱涵各流道中水流的均勻性。在出水箱涵出流段布置一道靠近頂板的組合梁，對(duì)靠近出口處的水流進(jìn)行垂向和水平方向上的整流，降低表層的流速，使其主流下壓，從而改善出水箱涵8個(gè)孔口水流流速分布的均勻性。

3.2 優(yōu)化方案改善效果

出水箱涵進(jìn)口處的兩孔水流在流經(jīng)增設(shè)的兩道導(dǎo)流短墩之后，導(dǎo)流短墩對(duì)來(lái)流進(jìn)行分割，減小了出水箱涵平面擴(kuò)散角，在平面上均化了水流。根據(jù)來(lái)流方向，將4個(gè)流道從右到左分別記為流道1～4，在不同外河水位下，來(lái)流在出水箱涵左右側(cè)第二道隔墻處(圖4中G2、G6處)的流量分配系數(shù)對(duì)比見(jiàn)表3，可見(jiàn)增設(shè)導(dǎo)流短墩后，4個(gè)流道水流的流量分配系數(shù)得到了顯著的改善。

圖6 優(yōu)化方案出水箱涵出口斷面垂線平均流速分布(單位：m/s)

表3 整流前后出水箱涵內(nèi)部流量分配系數(shù)對(duì)比

不同外河水位下的出水箱涵出口斷面垂線平均流速如圖6所示，不同外河水位下出水箱涵各孔流量分配系數(shù)見(jiàn)表4，兩種典型工況出水箱涵出流的規(guī)律大致相似，出水箱涵出口中部6孔流量稍大，兩側(cè)邊孔流量略小，總體上較為均勻。各孔流速分布雖稍有不均，但較初始方案已顯著優(yōu)化。

表4 優(yōu)化方案出水箱涵各孔流量分配系數(shù)

在增設(shè)整流措施之后，當(dāng)外河水位3.90 m時(shí)，出水箱涵出口平均流速為0.23 m/s，最大垂線平均流速為0.28 m3/s，出水箱涵各孔的流量分配系數(shù)最大差值為5.10%；當(dāng)外河水位2.80 m時(shí)，出水箱涵出口平均流速為0.24 m/s，最大垂線平均流速為0.29 m/s，出水箱涵各孔的流量分配系數(shù)最大差值為3.10%，此時(shí)出水箱涵各孔的流量分配系數(shù)與初始方案相比，流量分配系數(shù)最大差值在兩種外河水位下分別降低了11.94%和14.23%。

優(yōu)化方案增設(shè)的組合式整流工程措施均有一定的阻水作用，會(huì)造成出水箱涵內(nèi)水力損失增大，導(dǎo)致整個(gè)出水系統(tǒng)的運(yùn)行效率下降，但整流措施的增設(shè)又改善了水流均勻性從而減小了出水箱涵內(nèi)的水力損失。當(dāng)外河水位在3.90 m和2.80 m時(shí)，初始方案水力損失分別為0.10 m和0.12 m，而優(yōu)化方案水力損失分別為0.12 m和0.15 m，由試驗(yàn)可以得出增設(shè)整流工程措施引起的附加水力損失總體較小，且出水系統(tǒng)水力損失隨外河水位降低而增大。

采用軸向流速均勻度Vu來(lái)定量檢驗(yàn)整流措施的整流效果，以此來(lái)判斷出水箱涵出口斷面的軸向(順?biāo)鞣较?流速分布的均勻程度[19-21]，Vu越接近100%，表明出水箱涵出口處水流軸向速度分布越平均。Vu計(jì)算公式為

(1)

式中：va為斷面平均軸向流速；vai為斷面各測(cè)點(diǎn)的軸向流速；n為斷面上的測(cè)點(diǎn)數(shù)。

由式(1)可計(jì)算得到外河水位在3.90 m和2.80 m時(shí)，初始方案出水箱涵出口斷面的流速均勻度分別為71.64%和70.36%，而優(yōu)化方案出水箱涵出口斷面的流速均勻度分別為98.05%和98.84%，整流前后流速的均勻度在兩種外河水位下分別提升了26.41%和28.48%，可見(jiàn)采用整流措施后，出水箱涵出口斷面的流速均勻度得到了顯著改善。

4 結(jié) 論

a.對(duì)于泵站初步設(shè)計(jì)方案而言，出水箱涵內(nèi)部存在水流擴(kuò)散不良、流態(tài)較為紊亂、出口流量分布不均的問(wèn)題，流量分配系數(shù)最大差值較大，在兩種外河水位下分別達(dá)到了17.04%和17.33%。

b.通過(guò)在出水箱涵首段增設(shè)短導(dǎo)流墩、擴(kuò)散段加設(shè)不同長(zhǎng)度底坎和近頂板組合橫梁，較好地加強(qiáng)了出水箱涵內(nèi)水流的擴(kuò)散能力，出水箱涵各孔流量平均分配，出水箱涵出口水流較為均衡，流速橫向分布較原方案顯著優(yōu)化，有效減弱了初始方案中出水箱涵出口主流居中的問(wèn)題，出水箱涵各出口的流量分配較為均勻，整流前后流速均勻度在兩種外河水位下分別提升了26.41%和28.48%；流量分配系數(shù)最大差值在兩種外河水位下分別降低了11.94%和14.23%。