导读：《金山湖水环境综合治理工程：深隧竖井及泵站系统水力试验研究》是镇江沿金山湖CSO污染综合治理工程9项专题研究之一。本专题建立了3个典型深隧竖井的物理模型和末端泵站水力模型，研究了竖井过流能力、折板消能形态、压力分布及竖井振动特性，分析了泵站前池运行流态及吸水管的水力指标。该专题深入论证了工程折板式消能竖井的水力特性，提出了竖井进口折板优化体型和竖井运行水深的建议，避免水流冲击折板和管道内出现不稳定水气两相流的问题，为工程深隧竖井及泵站系统的设计和运行提供了可靠的科学依据。
问题由来
近年来，受全球气候变化及城市化快速推进等影响，城市洪涝灾害频发，建设和完善城市防洪排涝系统迫在眉睫。目前的浅层排水管网普遍存在蓄滞洪能力差、排水能力不足、雨污合流溢流问题严重等诸多问题，在此情形下，充分利用地下深层空间，修建深层排水系统，成为了缓解城市内涝、减轻雨污合流溢流污染的有效途径之一。镇江市沿金山湖CSO污染综合治理工程即是根据镇江市实际情况，以改善金山湖水质、提高防涝排水标准、助力海绵城市建设的关键工程。该工程由浅层汇水系统、入流竖井、大口径顶管和末端多功能泵站组成，服务面积为8.79平方公里，工程系统如下图所示：
入流竖井共布设5座，分别为江南泵站节点竖井、迎江路泵站节点竖井、平政桥泵站节点竖井、解放路泵站节点竖井和江滨泵站节点竖井，全部采用折板消能竖井的型式。相较于直接跌落式竖井和旋流式竖井，折板消能竖井可适应非恒定的入流过程、不同的竖向输水深度以及不同的入口高程、入口方向和入口竖井的布置，因此也更适应城市深隧的应用场景。本项目以典型竖井为例，结合其入流条件及运行状况，利用模型试验验证设计方案的合理性，针对可能存在的问题开展体型优化研究。
末端泵站承担着镇江市沿金山湖多功能大口径管道工程的排水任务，不同的泵站前池水位和机组运行数量会引起泵站前池、水泵进水口等的流态差异，可能对水泵的运行效率、安全性、耐久性等产生影响。为论证排水泵站水泵进水通道结构型式的可行性，优化水泵进水通道的水流条件，亦需针对性地开展模型试验研究。
入流竖井试验
根据竖井体型、入流流量、入口布置等特征的不同，分别对3个典型竖井（沿江路泵站节点竖井、平政桥泵站节点竖井和江滨泵站节点竖井）开展了针对性的模型试验研究（见下图）。本文以平政桥泵站节点为例介绍入流竖井模型试验的相关成果。
1、竖井基本尺寸：平政桥泵站节点竖井的井深为23.61m，内径为16.0.m，湿区宽度为6.0m；共布设两根入流管道，管径分别为1.2m和2.2m，设计过流量为2.55m3/s和7.77m3/s，平行布置；竖井内共布置5块折板。
2、物理模型设计：模型比尺为1：15，模型制作材料为有机玻璃。压力测量采用压力传感器，水深测量采用钢直尺。
3、竖井流态：竖井的过流能力满足设计要求；水流从上层入流管道进入竖井后经渠道堰跌落至竖井内的折板上，而后在第三层折板处与下层管道入流汇合。当竖井内水深较低时，水流在第2、4、5层折板上均可形成消能水垫，消能效果良好。
4、入口流态:上层管道入流的部分水舌可跌落至首层折板上，部分水舌会直接冲击次级折板；受渠道堰背面不稳定气腔及上层水流的冲击，下层管道入流的跌落水舌呈不稳定状，部分水舌会直接跌落至第四层折板上。
5、消能池流态：水流从最后1层折板跌落至消能池，紊动剧烈，产生较多气泡，水流挟带气泡从堰顶溢流至大口径顶管；随着竖井入流流量的增大，水舌挑距增大，水流紊动增强，掺气现象加剧；水流漫过消能池溢流堰顶后即进入大口径顶管，进而会引起管内水面的波动。
6、深隧进气及漩涡：在设计流量条件下，竖井水深不大于3.67m时，深隧处于明流状态；竖井水深为3.75～4.10m时，深隧处于明满流临界状态；竖井水深为4.15～4.38m时，深隧入口出现间断吸气漩涡，且随着水深的增加，漩涡的强度减弱，出现频率减小；竖井水深为4.53m时，大口径顶管未出现进气和漩涡问题。
7、时均压力：折板上压力分布规律一致，跌落水流冲击折板，在入水区与竖井井壁之间形成消能水垫，时均压力较大；折板边缘附近，水深减小，时均压力降低，折板上的最大时均压力为30.39kPa，试验中未观测到负压形成。
8、脉动压力：平政桥泵站节点竖井中第2层和第4层折板跌流冲击区附近的水流最大脉动压力均方根值分别为3.32kPa和3.84kPa，分别为时均压力值的52.6%和22.2%；主频小于2Hz，压力脉动能量集中在5Hz以下的低频范围。
9、模态分析：采用六面体实体单元建立平政桥泵站节点竖井的三维有限元模型，单元总数为103005个，最大网格偏斜率为0.64。在此基础上对平政桥泵站节点的模态进行分析，结果表明：迎江路泵站节点竖井的第1阶自振频率为17.17Hz，振型为挡墙上部法向方向变形；第2阶自振频率为29.38Hz，为挡墙上部扭曲、折板竖向变形和渠道堰变形振型。竖井结构的基频与水流频率相差较大，两者不会发生共振。
末端泵站试验
1、泵站基本尺寸：末端泵站为多功能雨水泵站，总尺寸为31.8m×27.5m，暴雨排涝规模为30m3/s，由8台排涝泵组成，包括2台小泵和6台大泵，小泵设计流量为2.00m3/s，大泵设计流量为4.33m3/s。
2、物理模型设计：根据ANSI/HI9.8-2012进行末端泵站的模型设计和试验。模型设计时不仅考虑重力相似，还需保证模型径向雷诺数和模型韦伯数分别大于60000和240，以减小表面涡的缩尺效应。经比选分析，模型比尺确定为1：10，制作材料为有机玻璃。
3、测量方案：表面涡和水内涡采用ANSI/HI9.8-2012的分类方法，借用颜色水进行标示；喇叭口喉部流速分布采用毕托管进行测量，毕托管布设方式如下图所示；吸水管内的水流旋度采用自制旋度计进行测量。
4、前池流态：1～3台泵运行时，泵站内各典型部位水面平静；4、5台泵运行时，进口前池出现间歇性上涌水股及水体翻滚；当6～8台泵运行时，排水泵站进口前池及中心前池的水位波动剧烈，并不时有水股上涌，且进口前池水深出现明显壅高，但未超出设计边墙高度。此外，各工况下水泵进水口附近均未形成表面漩涡。
5、水内漩涡：各运行工况下喇叭口附近水流流态平稳，各喇叭口附近均未形成水内涡或水流分离等不良水力现象。
6、吸水管旋度：各典型工况下，10分钟最大涡旋角和平均涡旋角均小于5°，各工况下各泵管进水条件良好。
7、吸水管内流速分布：各典型工况下，各水泵吸水管喇叭口处的流速分布均较为均匀，最大时均流速相对空间偏差及最大流速波动偏差均远小于10%，满足ANSI/HI9.8-2012的相关要求。
8、泵站前池低水位运行测试：在7台或8台泵运行条件下，前池水位高于-7.8m时，各泵前池水面平稳，水流条件良好；当水位为-8.9～-7.8m时，受中心前池不稳定水流及剪切漩涡影响，部分卷吸气泡会从中心前池进入3/4号泵的正向前池；当水位下降至-8.9m以下时，有气泡开始进入3/4号泵管中，不利于水泵的安全运行。当运行水泵数少于6台、前池水位在-9.55～-1.0m范围时，各运行水泵对应的正向前池中水流均平稳。
结论和建议
1、结论
（1）入流竖井的体型参数基本合理，过流能力可满足设计要求；折板间均可形成典型往复跌流型态，消能效果良好；折板上压力呈现典型冲击压力特征；水流脉动不会诱发结构发生共振。
（2）末端泵站体型基本合理，在各运行条件下均不会形成表面漩涡和水内涡，喇叭口内流速分布较为均匀，水流旋度较小，前池水流条件良好。
2、建议：
（1）适当加长与渠道堰对应折板的长度，避免过堰水流直接冲击下层折板；
（2）根据试验结果适当增加大口径管道满流运行时的竖井水深，避免气泡进入大口径管道形成不稳定的水气两相流。
专题研究联合工作营团队
项目总负责人：刘绪为、徐保祥
中国市政工程华北设计研究总院有限公司
蒋平、王浩正、方帅、宋晓阳、张磊、袁胜楠、王艳芳、黄意兵、王强、张英旭、李彤、于中海、白永强、许怀奥、季小益
中国水利水电科学研究院
张东、王志刚、章晋雄、张宏伟、张文远、张蕊、高建标、陈文创、项亚萍、胡顺
新地中联工程设计有限公司
郭佳、彭东升、赵吉、苏德慧
江苏满江春城市规划设计研究有限责任公司
傅源、穆军伟、汤燕
编辑：刘贵春
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