深隧二三級管道入流方式及管徑大小與瞬變流災害的關系研究

李鵬程

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092)

1 深隧系統的瞬變流問題

在排水領域，深隧是深層排水調蓄隧道的簡稱，一般是指埋設在地下空間(一般指地面以下超過20m深度)、用于調蓄/輸送雨水或合流污水、通常具有較大調蓄容量的隧道。深層調蓄管道系統一般由主隧、二三級管道及入流豎井組成，現狀管網中的水流跌落進入二三級管道后再通過豎井進入主隧道儲存后排放。由于深隧系統的整體構架在于深隧系統與原有排水系統組成新的排水系統，需要二者共同作用以達到工程目標，深隧提標的本質是在原有系統增加入流點，改變原有系統的水力線，消減部分超過系統設計標準暴雨的水量，從而達到原有雨水系統提標。近年來，國內學者在深層排水隧道技術的應用與發展趨勢、深隧系統控制優化、控污效果分析方面做了大量的研究[1- 4]。深隧系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 深隧系統結構示意圖

瞬變流最早在長距離油氣輸送、供水管網、輸水隧洞等項目中研究較多，近年來，在深層排水隧道中，瞬變流可能帶來的災害逐漸引起設計及科研人員的重視。王建平等[5]為了驗證廣州市深層隧道排水系統東濠涌試驗段工程設計方案的合理性，通過物理模型，對深隧運行過程中的排氣、浪涌、消能等關鍵水力學問題進行了模擬和分析，試驗結果表明，折板豎井消能充分，并可兼顧主隧道排氣。浦勝男等[6]針對某深隧工程中豎井結構因受水流脈動壓力產生的流激振動響應問題，通過對豎井消能工的流固耦合有限元計算，得出豎井消能工在不同流量工況下的自振特性，推薦從經濟角度適當減小消能工臺階厚度。胡應均等[7]針對城市雨水管網中的明滿流現象，對水氣兩相流的形成機理與運動規律進行探討，提出城市雨水管網模擬技術的研究方向。

可以看出，目前深隧的瞬變流災害主要關注點在入流豎井的消能方式以及主隧明滿流交替引起的水力學災害[8- 9]，而對于深隧系統重要組成的二三級管道可能出現的水力學災害研究較少。考慮到深隧在應對極端暴雨事件時，二三級管道中水流的壓力、流量等極有可能在短時間內發生劇烈的變化，因此二三級管道完全存在瞬變流災害發生的可能性，本論文以上海市A排水系統為例，利用數值模擬的方法對暴雨條件下(重現期P=5)，深隧系統二三級管道不同入流方式及二三級管道管徑大小對瞬變流災害發生的影響進行研究。

2 研究對象及研究方法

2.1 研究對象

A排水系統由3個已建分流制強排系統組成，總服務面積9.71km2，現狀南部2個子排水系統設計暴雨重現期P=1年，北部一個子系統P=3年，系統綜合徑流系數ψ=0.6，通過深隧的建設，擬將該排水系統的能力提高至5年一遇。深隧系統在暴雨期通過6處入流點將現狀管網中的雨水分流至新建二三級管道中，最終通過綜合設施的豎井進入深隧主隧。排水系統圖如圖2所示。

圖2 排水系統圖(管徑單位：mm)

2.2 計算模型的選取及建立

2.2.1城市綜合排水模型

首先利用InfoWorks模型，模擬5年一遇暴雨強度下，系統6個入流點的流量過程。其中，基礎管網數據根據《上海市防汛能力調查與評估—城鎮排水系統能力調查評估專項報告》的管網信息成果；降雨雨型選擇芝加哥雨型，峰值系數參照相關研究選定為0.4。對于降雨歷時過長，則平均降雨強度偏小，對于排水系統的沖擊較小；歷時過短，則總降雨量較小，也不利于全面考量排水系統在極端狀況下的表現。綜合考慮，模型模擬選擇5年一遇1h芝加哥雨型進行模擬，對應降雨強度為58mm；降雨前，現狀管網系統采用預抽空模式，即初始現狀雨水管網處于空管狀態；產流模型選擇Horton滲透模型，匯流模型選擇SWMM模型，模型通過2015年6、8月幾場降雨數據進行率定驗證，水量及峰值相對誤差均在合理范圍。詳見表1。

表1 模擬與實測泵站輸送量和峰值泵站前池水位相對誤差 單位：%

最終得到6個入流點在5年一遇暴雨工況下的入流流量過程，作為瞬變流模型的輸入。詳見表2。

表2 A系統二三級管接入點入流過程

2.2.2瞬變流模型

由于傳統排水軟件對壓力流的處理是基于明渠非恒定流的窄縫假設，因此無法對瞬變流進行精確模擬，需要借助專業瞬變流軟件進行研究。常用的瞬變流模擬軟件有Shaft、TAP、Ansys FLUENT和ITM。Shaft軟件是由美國密歇根州大學學者開發，被用于多個深隧設計研究中，模型可以處理隧道充水的全過程，包括氣栓生成的全過程；TAP軟件是由美國公司開發的瞬變流計算軟件。TAP模型的應用：用于模擬啟閉閘門、啟停泵，深隧快速充滿等工況下的壓力波傳播過程；Ansys FLUENT是一款先進的CFD軟件，通過使用FLUENT求解流動方程，可以求解流動、傳熱、燃燒、相變等多種物理現象，計算結果可以顯示流場中各項參數的詳細信息。但CFD一般用于模擬深隧局部細節的流體運動，整體的模擬存在效率低、運算時間長等缺點。例如，模擬一個如下的豎井跌落段的一個氣液兩相工況，需要4核電腦(intel i4790 3.6GHZ CPU)大概運算360～400h；ITM(Illinois Transient Model)模型是由美國伊利諾伊大學某分校2004年開發，基于有限體積法的瞬變流模擬軟件。ITM是當前較為成熟的隧道瞬變流模型，基本代表了當今世界隧道瞬變流分析的領先技術，該模型可用于模擬合流排水系統各種工況的流態，包括明渠流、重力流、壓力流(包括水錘過程)、明滿交替流等，適用于包含入流豎井、調蓄池、連接管等各種水平豎直方向的排水系統，而且能夠模擬分隔閘門的啟閉。ITM模型被廣泛應用于歐美、日本等國家以及中國香港、廣州等地區的深層隧道系統的水流模擬[10]。鑒于數值模擬的尺度及模型應用的廣泛性，本論文采用ITM對二三級管道入流方式及管徑大小與瞬變流災害發生的關系進行研究。

ITM模型采用明渠非恒定流使用1D圣維南方程，壓力項用傳統1D可壓縮水錘方程，明渠受壓表面采用連續、動量、能量方程模擬，具體控制方程的向量形式如下：

(1)

對于一維明渠非均勻流來說，源匯項可寫為：

(2)

(3)

(4)

對于可壓縮壓力流，向量形式的方程可以寫為以下格式：

(5)

(6)

(7)

式中，Af—過水斷面面積，m2；p—管道中心壓力，N；ρf—液體密度，kg/m3。

由于壓力波的傳播公式可以利用下式計算：

(8)

式中，Af—過水斷面面積，m2；p—管道中心壓力，N；ρf—液體密度，kg/m3。

最后反解壓力項即可求解整個方程組。模型中水擊波的的傳播速度可按照以下公式計算：

(9)

3 二三級管道入流方式與瞬變流災害關系研究

由于二三級管道最終接入綜合設施管道的標高不同，二三級管道入流可以分為直接接入豎井(二次跌落)方式以及倒虹方式(一次跌落)2種，如圖3所示。

圖3 2種入流方式示意圖

根據模型模擬結果，如圖4所示，5年一遇情境下，自然入流方案未發現明顯的瞬變流災害，不同時刻的管道內的水面線較為穩定。

圖4 兩次跌落入流方式水力坡度變化過程

5年一遇情境下，一次跌水入流(倒虹方式)方案發現明顯的瞬變流災害。如圖5所示，1h12min左右，節點235管段發生了從緩流-急流-緩流的流態變化(詳見235節點佛汝德數變化圖)，節點235水頭最高達到約25m(絕對標高)，且節點235上游管道出現負壓。瞬變流帶來的水擊波持續時間約為35min(1h11min～1h46min)。增壓波在往上游傳播的過程中，上游管道產生較大的正壓，減壓波在向下游傳播的過程中也會產生較為嚴重的負壓，瞬變流問題較為明顯，部分節點甚至出現了大于-50m負壓。

圖5 一次跌落入流方式水力坡度變化過程

為改善瞬變流帶來的不利水力條件，增大各個節點的井室面積(28→113m2)，模擬結果如圖6所示，根據不同時刻的水力坡度線，再增加了井室面積后，對系統起到了明顯的調壓作用，節點未出現水頭超過地面的情況，瞬變流帶來的水擊波災害持續時間約為6min(1h12min～1h18min)，僅相當于一次跌水入流(倒虹方式)的17%，大大改善了瞬變流帶來的不利水力條件，但部分管段仍出現較為嚴重的負壓。

圖6 增大節點井室面積后節點水力坡度變化過程

4 二三級管道管徑與瞬變流災害關系研究

為研究二三級管網標高整體抬升的可能性，對兩次跌水方案管徑縮小后的工況進行模擬，主要分析管徑縮小后是否會引起不利的水力條件。二三級管網管徑變化見表3。

表3 二三級管道管徑變化表

根據模型模擬結果，如圖7所示，縮小二三級管道管徑后，5年一遇情境下，方案發現明顯的瞬變流災害。1h4min瞬變流帶來不利的水力條件，持續30min左右，瞬變流現象極為顯著，多處節點出現嚴重的瞬變流正壓及負壓，部分節點正壓高達50m，負壓接近-100m。

圖7 縮小二三級管道管徑后節點水力坡度變化過程

5 結論

本文以A排水系統為例，采用ITM對二三級管道入流方式及管徑大小與瞬變流災害發生的關系進行研究。研究發現，雖然從控制管道埋深的角度，倒虹入流的方式可以節約造價、減少施工難度，但從水力災害控制的角度，倒虹入流方式在設計工況下可能帶來較嚴重的瞬變流災害，工程設計應盡量采用直接入流的方式；同時，二三級管道管徑采用一定冗余度的設計，對于控制瞬變流水利災害可以起到積極的作用。深隧系統的入流非常復雜，涉及三個層次的入流，淺層管網進入二三級管道、二三級管道進入豎井以及豎井內的水流跌落進入主隧道，本文僅從二三級管道進入豎井的角度進行了分析，其系統設計仍需統籌考慮其他層次的消能、排氣等風險。