深層隧道排水系統(tǒng)中深隧泵站的設(shè)計(jì)與優(yōu)化
隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大和配套基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，城區(qū)內(nèi)原有自然下墊面逐漸被硬化，城市小氣候日益突出，污廢水排放量越來越多，因此城市常規(guī)排水系統(tǒng)的壓力越來越大、水環(huán)境治理要求也越來越嚴(yán)格。由于城市地下淺層障礙物較多、斷面擁擠，在地下30～50 m（部分50～100 m）范圍內(nèi)建造深層隧道排水系統(tǒng)積極應(yīng)對(duì)城市內(nèi)澇和溢流污染正逐漸得到重視，并已在倫敦、芝加哥、東京、新加坡以及我國香港、上海、廣州等大城市排水系統(tǒng)中得到應(yīng)用。根據(jù)深層隧道排水系統(tǒng)功能目標(biāo)基本可劃分為防洪排澇型、污染控制型和功能復(fù)合型三種，并且通常由入流豎井、調(diào)蓄水池、輸送隧道、通風(fēng)排氣井、除渣槽及排泥設(shè)施、提升泵站等組成。其中，提升泵站位于系統(tǒng)末端，是連接前端隧道及末端受納水體的樞紐，通過站內(nèi)大型泵組將隧道內(nèi)的水抽排至江河或污水處理廠等下游水體。
1.工程概況
武漢市沙湖、二郎廟、落步咀三座污水處理廠均位于主城區(qū)中心，受處理負(fù)荷、用地空間限制，嚴(yán)重制約了主城區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)與發(fā)展。為了全面解決大東湖地區(qū)的水環(huán)境問題、協(xié)調(diào)主城區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，武漢市實(shí)施大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程的建設(shè)。該工程通過新建DN3000～3400 mm深層污水隧道傳輸系統(tǒng)將三座污水處理廠污水轉(zhuǎn)輸至城市外圍的北湖污水處理廠。為了將污水提升至污水廠，深隧末端新建一座污水提升泵站，即北湖深隧泵站，設(shè)計(jì)規(guī)模為100×104 m3/d，隧道至泵站的水流為壓力流，隧道進(jìn)口隧道底高程-20.65m，泵站前池工況水位2.3m～8.6m，出水池水位為24.7m，泵站主體構(gòu)筑物地下深度為46.35 m，提升高度為16.1～22.4 m。
2.相關(guān)案例
隧道末端的深隧泵站是整個(gè)深層隧道排水系統(tǒng)的樞紐，影響整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，亦是整個(gè)深隧系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過對(duì)深隧泵站案例的梳理（具體見表1），深隧泵站具有以下特點(diǎn)：深隧泵站系統(tǒng)性強(qiáng)，需要水位聯(lián)動(dòng)運(yùn)行；復(fù)雜程度高、集成程度高，在有限空間內(nèi)集中配套動(dòng)力、通風(fēng)、冷卻、潤滑、監(jiān)測、自控、檢修、照明、消防等附屬設(shè)施；安全性、穩(wěn)定性要求高，設(shè)備運(yùn)行環(huán)境要求嚴(yán)格；結(jié)構(gòu)抗振及建筑降噪等級(jí)要求高。深隧泵站流量變化大，因此要求所選水泵需運(yùn)行工況適應(yīng)性好，流量-揚(yáng)程曲線有效范圍廣、高效區(qū)間寬；設(shè)備安全、穩(wěn)定性高，抗氣蝕性良好；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，抗反轉(zhuǎn)、抗振動(dòng)性能好；水泵的冷卻系統(tǒng)及潤滑油系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，宜雙回路布置；泵組耗電功率大，宜配備變頻器。
表1 部分深隧泵站工程案例表
北湖深隧泵站主體采用圓形結(jié)構(gòu)斷面，內(nèi)徑39.0 m，主體構(gòu)筑物地下部分深46.35 m，地面以上部分高27.80 m。隧道在泵站前端的匯水井處接入，匯水井不僅承接前端深隧來水，而且同時(shí)具有泵房前池的功能，匯水井通過管徑為DN2400 mm兩根主管連接至主泵配水流道，流道采用矩形漸變斷面，流道側(cè)向出水管徑為DN1400 mm，水流偏轉(zhuǎn)角為45°。主泵分兩列斜對(duì)稱布置，采用立式離心泵，4用2備，工作范圍Q=2.79～3.87 m3/s，H=30.44～19.63 m，配套電機(jī)N=1400 kW，變頻控制。此外，為排除流道及匯水井內(nèi)的積水，進(jìn)水流道末端各設(shè)1臺(tái)排空泵排空，如圖1中a和圖3中a所示。泵站的出水池設(shè)置在地面，通過箱涵出水至處理單元，具體如圖1中b所示。泵站豎向自底部向上依次為進(jìn)水流道層、水泵層、電機(jī)層、電纜層、地面層等，具體如圖2和圖3中b所示。
圖1 深隧泵站平面圖
圖2 深隧泵站剖面圖
圖3 深隧泵站平剖面BIM圖
4.模擬分析4.1CFD分析
圖4 匯水井出水口（a. & b.）和流道出水口（c.）優(yōu)化前后流態(tài)分析
深隧泵站CFD分析通過對(duì)泵站進(jìn)出水水力流態(tài)的數(shù)字模擬分析，針對(duì)局部出現(xiàn)的流態(tài)問題重點(diǎn)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，優(yōu)化泵站水力流態(tài)，尤其是易產(chǎn)生旋渦和水力剝離現(xiàn)象的位置。以匯水井進(jìn)水口和流道出水口的CFD分析為例，在泵站低水位（低于設(shè)計(jì)最低水位）最不利連續(xù)運(yùn)行工況下其負(fù)壓較低有產(chǎn)生剝離旋渦的可能，如圖2所示，在匯水井DN2400mm進(jìn)口和流道DN1400mm進(jìn)口處均有剝離渦的產(chǎn)生，為解決該問題擬定兩種解決方案，一種方案通過控制運(yùn)行水位，保證匯水井液面保持在最低水位線以上運(yùn)行；第二種方案通過對(duì)局部位置進(jìn)行改進(jìn)，改善進(jìn)水水力流態(tài)，譬如在出水口上方設(shè)置旋渦防止板、優(yōu)化進(jìn)口倒角。通過CFD模擬分析最低控制水位，其中匯水井主管DN2400mm進(jìn)口淹沒深度控制在3.25～5.95 m以上時(shí)，該處剝離旋渦可得到有效控制、甚至消失。通過對(duì)局部采用改進(jìn)措施后的CFD模擬分析，在增設(shè)旋渦防止板后匯水井DN2400mm進(jìn)口處渦度等值面在中途中斷，不與水面連接，水力流態(tài)得以改善，見圖2.a所示。通過不同倒角方案的模擬對(duì)比分析后得出，在DN2400mm進(jìn)口采用錐形傾斜倒角，且倒角不大于15°時(shí)，水力流態(tài)改善明顯，如圖2.b所示，剝離渦消失，且當(dāng)采用15°傾斜角優(yōu)化后，該處壓力值明顯減小（從-420 pa減小至-118 pa），水力流態(tài)更趨于平穩(wěn)。增設(shè)旋渦防止板對(duì)流道DN1400mm出（進(jìn)）口處的水力流態(tài)未有改善，而采用傾斜倒角則有助于改善流道DN1400mm出（進(jìn)）口流態(tài)，見圖2.c。當(dāng)流道側(cè)向出水管采用30°傾斜角優(yōu)化后效果最為明顯，該處壓力值明顯減小（從-580 pa減小至-140 pa），水力流態(tài)整體平穩(wěn)，如圖2.c所示，采用傾斜角優(yōu)化后剝離渦消失，水力流態(tài)改善明顯。本項(xiàng)目從可實(shí)施性和實(shí)施效果分析，進(jìn)口傾斜倒角方案實(shí)施效果和可實(shí)施性均優(yōu)于旋渦防止板方案，故北湖深隧泵站最終采用傾斜倒角方案。 4.2物理模型試驗(yàn)
物理模型試驗(yàn)在前述CFD模擬分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行，通過構(gòu)建比例模型，模擬分析設(shè)計(jì)工況下泵站內(nèi)的水位液面、旋渦、分流及不同水位下氣泡的產(chǎn)生，對(duì)設(shè)計(jì)和CFD模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證、優(yōu)化，試驗(yàn)裝置見圖3。物理模型試驗(yàn)結(jié)果表明，主泵在不同運(yùn)行工況下均可穩(wěn)定、良好地運(yùn)行。當(dāng)匯水井DN2400mm進(jìn)口淹沒深度控制在3.25 m以上時(shí)，匯水井DN2400mm進(jìn)口及流道液下渦旋和表面渦旋消失，與CFD模擬結(jié)果一致。此外，通過試驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證，當(dāng)排空泵進(jìn)水管淹沒深度控制在管口1.05 m以上時(shí)，排空泵水泵吸入口旋渦消失。
圖5 物理模型試驗(yàn)裝置圖
4.3水錘分析水錘分析根據(jù)設(shè)計(jì)工況參數(shù)、設(shè)備選型參數(shù)、水泵曲線等基礎(chǔ)資料，運(yùn)用特征線方法構(gòu)建水力過渡過程的數(shù)學(xué)模型，將設(shè)計(jì)工況、水泵正常開停機(jī)及突然斷電事故工況下的水力過渡過程進(jìn)行模擬計(jì)算，通過對(duì)水力過渡過程數(shù)值解的解析，計(jì)算出管路最大壓力、最大負(fù)壓、最大倒流流量、最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速等關(guān)聯(lián)參數(shù)，分析水泵運(yùn)行的安全性，重點(diǎn)對(duì)發(fā)生最不利工況下的水錘分析，研究防護(hù)措施和改進(jìn)方案，同時(shí)也可將其反饋給水泵廠家進(jìn)行水泵設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)。以旱季最高流量設(shè)計(jì)工況下的最不利工況水錘分析為例，單側(cè)流道進(jìn)水10.89m3/s，3臺(tái)泵運(yùn)行，按水頭損失最大計(jì)算，進(jìn)水池水位29.97m，出水池水位50.85m。事故工況為機(jī)組變頻運(yùn)行時(shí)突然斷電情況下，以末端工作泵為分析對(duì)象進(jìn)行分析。由圖4.a知，事故停泵后t=1.936s時(shí)，水泵處開始倒流，最大倒流流量v=0.788（相對(duì)3.63m3/s）；t=3.472s時(shí)，水泵開始倒轉(zhuǎn)，最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速α=0.918（相對(duì)水泵工況下轉(zhuǎn)速）；水泵最大揚(yáng)程h=0.747（相對(duì)水泵工況下?lián)P程）。結(jié)合水錘分析中的倒流反應(yīng)時(shí)間、倒流量、轉(zhuǎn)速、倒轉(zhuǎn)后揚(yáng)程、壓力復(fù)核水泵的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及水泵反轉(zhuǎn)特性是否滿足突發(fā)情況下的反轉(zhuǎn)沖擊要求，同時(shí)對(duì)主泵電機(jī)起閉方式進(jìn)行優(yōu)化，采用變頻電機(jī)逐級(jí)啟動(dòng)關(guān)閉的操作方式。由圖4.b知，出水管路不同位置處在設(shè)計(jì)工況下壓力水頭變化過程，事故停泵后，泵前管內(nèi)壓力水頭先上升后下降，泵后管內(nèi)壓力水頭先下降后上升，隨后因泵后管部分放空，泵后壓力水頭趨于下降，最終系統(tǒng)壓力水頭趨于與進(jìn)水池水位一致。在設(shè)計(jì)中針對(duì)不同工況的模擬確定管道內(nèi)壓力變化幅度，復(fù)核管道設(shè)計(jì)耐壓強(qiáng)度及需要固定加強(qiáng)的位置。由圖4.c知，事故工況下全線最大壓力47.332m，為泵后工作壓力；最低壓力-0.608m，為泵出水管末端處壓力，通過壓力包絡(luò)線圖分析管路在事故工況下管道中工作壓力、最低水壓、最高壓力的相互關(guān)系，確定管路耐壓強(qiáng)度和固定加強(qiáng)及防治倒流的位置，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
水泵水錘及反轉(zhuǎn)特性的分析同時(shí)作為深隧泵站振動(dòng)分析的基礎(chǔ)資料，用于振動(dòng)分析，指導(dǎo)出水豎管固定支架的設(shè)計(jì)工作。
圖6 水泵無量綱參數(shù)（a.）、壓力水頭（b.）及凈壓力（c.）變化過程
深隧泵站設(shè)計(jì)中采用ANSYS軟件對(duì)其管道、樓層結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出其固有頻率和振型，根據(jù)受力分析給出結(jié)構(gòu)修改的建議，并進(jìn)行對(duì)比分析以驗(yàn)證改進(jìn)措施的效果。在后期泵站運(yùn)行中也可結(jié)合振動(dòng)分析進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測，通過監(jiān)測、運(yùn)算和分析振動(dòng)數(shù)據(jù)，研判機(jī)泵運(yùn)行的健康狀況。在結(jié)構(gòu)共振分析中將模態(tài)分析與水錘分析相結(jié)合，通過流固耦合分析水錘波對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。模態(tài)分析根據(jù)深隧泵站水錘分析研究報(bào)告中的水錘壓力數(shù)據(jù)，將出水豎管管內(nèi)水體的各部位壓力加載到研究管道的內(nèi)壁面上，再進(jìn)行瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析管道受力以得到每個(gè)固定箍各方向合力和管道由于水錘波作用對(duì)層板的壓力波動(dòng)，最后把壓力變化加載到層板上得出層板的受力形變，以驗(yàn)證深隧泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和出水豎管固定方案。本工程根據(jù)共振分析，對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要受力點(diǎn)、振幅較大位置處進(jìn)行了重點(diǎn)復(fù)核、調(diào)整設(shè)計(jì)方案，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)配筋，增加斜撐、增設(shè)分隔墻（見圖5），增加板層厚度（見圖6）及優(yōu)化梁柱設(shè)計(jì)，改善泵站整體受力情況，使泵站整體受力和抗振動(dòng)性能保持良好狀態(tài)。
圖7 優(yōu)化前（a.）后（b.）泵房整體模態(tài)分析
圖8 優(yōu)化前（a.）后（b.）泵房電機(jī)層模態(tài)分析
5.結(jié)語北湖深隧泵站是目前國內(nèi)正在建設(shè)中的第一座深層隧道泵站，是在現(xiàn)有案例分析研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)武漢大東湖深層隧道傳輸系統(tǒng)的功能需要和項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造。北湖深隧泵站采用將泵站地下空間進(jìn)行獨(dú)立分隔、相互切換運(yùn)行的空間布局模式，并創(chuàng)新性地運(yùn)用流道進(jìn)配水的技術(shù)方案。在泵站設(shè)計(jì)過程充分應(yīng)用BIM設(shè)計(jì)、CFD數(shù)值模擬分析、振動(dòng)分析、水錘分析、物理模型試驗(yàn)等新技術(shù)、新方法解決創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的重難點(diǎn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，可為其他深層隧道的泵站的設(shè)計(jì)工作提供借鑒。目前，北湖深隧泵站正在建設(shè)中，主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完成，即將建成通水。
陳寶玉，楊 濤，王正雄，石亞軍，吳志高，鄒惠君
（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢430023）
來源： 中國給水排水