摘要：武漢市大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程采用深層隧道排水系統(tǒng)，隧道末端為北湖深隧泵站，其設計規(guī)模為100×104 m3/d，壓力流泵站，地下深度為46.35 m，凈提升高度為16.1～22.4 m。泵組采用6臺離心泵（4用2備），單泵流量Q=2.79～3.87 m3/s，水泵揚程H=30.44～19.63 m。結(jié)合北湖深隧泵站的設計過程，闡述了計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）模擬分析、物理模型試驗、水錘分析及結(jié)構(gòu)振動分析等方法在該類超深泵站設計工作中的應用，并根據(jù)分析結(jié)果對其設計方案進行了優(yōu)化。該工程的設計經(jīng)驗可為深隧泵站的設計提供借鑒和參考。
　　隨著城市規(guī)模的擴大和配套基礎設施的建設，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)積極應對城市內(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)中得到應用。根據(jù)深層隧道排水系統(tǒng)功能目標基本可劃分為防洪排澇型、污染控制型和功能復合型三種，并且通常由入流豎井、調(diào)蓄水池、輸送隧道、通風排氣井、除渣槽及排泥設施、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，受處理負荷、用地空間限制，嚴重制約了主城區(qū)的經(jīng)濟社會建設與發(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)基礎設施建設和經(jīng)濟社會發(fā)展，武漢市實施大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程的建設。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，設計規(guī)模為100×104 m3/d，隧道至泵站的水流為壓力流，隧道進口隧道底高程-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.相關案例
　　隧道末端的深隧泵站是整個深層隧道排水系統(tǒng)的樞紐，影響整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，亦是整個深隧系統(tǒng)設計的關鍵。通過對深隧泵站案例的梳理（具體見表1），深隧泵站具有以下特點：深隧泵站系統(tǒng)性強，需要水位聯(lián)動運行；復雜程度高、集成程度高，在有限空間內(nèi)集中配套動力、通風、冷卻、潤滑、監(jiān)測、自控、檢修、照明、消防等附屬設施；安全性、穩(wěn)定性要求高，設備運行環(huán)境要求嚴格；結(jié)構(gòu)抗振及建筑降噪等級要求高。深隧泵站流量變化大，因此要求所選水泵需運行工況適應性好，流量-揚程曲線有效范圍廣、高效區(qū)間寬；設備安全、穩(wěn)定性高，抗氣蝕性良好；轉(zhuǎn)動慣量大，抗反轉(zhuǎn)、抗振動性能好；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
　　
　　3.深隧泵站工藝設計
　　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N=1400 kW，變頻控制。此外，為排除流道及匯水井內(nèi)的積水，進水流道末端各設1臺排空泵排空，如圖1中a和圖3中a所示。泵站的出水池設置在地面，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水流道層、水泵層、電機層、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分析通過對泵站進出水水力流態(tài)的數(shù)字模擬分析，針對局部出現(xiàn)的流態(tài)問題重點進行模擬驗證，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。以匯水井進水口和流道出水口的CFD分析為例，在泵站低水位（低于設計最低水位）最不利連續(xù)運行工況下其負壓較低有產(chǎn)生剝離旋渦的可能，如圖2所示，在匯水井DN2400mm進口和流道DN1400mm進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行水位，保證匯水井液面保持在最低水位線以上運行；第二種方案通過對局部位置進行改進，改善進水水力流態(tài)，譬如在出水口上方設置旋渦防止板、優(yōu)化進口倒角。通過CFD模擬分析最低控制水位，其中匯水井主管DN2400mm進口淹沒深度控制在3.25～5.95 m以上時，該處剝離旋渦可得到有效控制、甚至消失。通過對局部采用改進措施后的CFD模擬分析，在增設旋渦防止板后匯水井DN2400mm進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比分析后得出，在DN2400mm進口采用錐形傾斜倒角，且倒角不大于15°時，水力流態(tài)改善明顯，如圖2.b所示，剝離渦消失，且當采用15°傾斜角優(yōu)化后，該處壓力值明顯減?。◤?420 pa減小至-118 pa），水力流態(tài)更趨于平穩(wěn)。增設旋渦防止板對流道DN1400mm出（進）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）口流態(tài)，見圖2.c。當流道側(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?。◤?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。本項目從可實施性和實施效果分析，進口傾斜倒角方案實施效果和可實施性均優(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
　　物理模型試驗在前述CFD模擬分析的基礎上進行，通過構(gòu)建比例模型，模擬分析設計工況下泵站內(nèi)的水位液面、旋渦、分流及不同水位下氣泡的產(chǎn)生，對設計和CFD模擬結(jié)果進行驗證、優(yōu)化，試驗裝置見圖3。物理模型試驗結(jié)果表明，主泵在不同運行工況下均可穩(wěn)定、良好地運行。當匯水井DN2400mm進口淹沒深度控制在3.25 m以上時，匯水井DN2400mm進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，通過試驗反復驗證，當排空泵進水管淹沒深度控制在管口1.05 m以上時，排空泵水泵吸入口旋渦消失。
　　
　　圖5 物理模型試驗裝置圖
　　4.3水錘分析
　　水錘分析根據(jù)設計工況參數(shù)、設備選型參數(shù)、水泵曲線等基礎資料，運用特征線方法構(gòu)建水力過渡過程的數(shù)學模型，將設計工況、水泵正常開停機及突然斷電事故工況下的水力過渡過程進行模擬計算，通過對水力過渡過程數(shù)值解的解析，計算出管路最大壓力、最大負壓、最大倒流流量、最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速等關聯(lián)參數(shù)，分析水泵運行的安全性，重點對發(fā)生最不利工況下的水錘分析，研究防護措施和改進方案，同時也可將其反饋給水泵廠家進行水泵設備的優(yōu)化設計。以旱季最高流量設計工況下的最不利工況水錘分析為例，單側(cè)流道進水10.89m3/s，3臺泵運行，按水頭損失最大計算，進水池水位29.97m，出水池水位50.85m。事故工況為機組變頻運行時突然斷電情況下，以末端工作泵為分析對象進行分析。由圖4.a知，事故停泵后t=1.936s時，水泵處開始倒流，最大倒流流量v=0.788（相對3.63m3/s）；t=3.472s時，水泵開始倒轉(zhuǎn)，最大倒轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速α=0.918（相對水泵工況下轉(zhuǎn)速）；水泵最大揚程h=0.747（相對水泵工況下?lián)P程）。結(jié)合水錘分析中的倒流反應時間、倒流量、轉(zhuǎn)速、倒轉(zhuǎn)后揚程、壓力復核水泵的轉(zhuǎn)動慣量及水泵反轉(zhuǎn)特性是否滿足突發(fā)情況下的反轉(zhuǎn)沖擊要求，同時對主泵電機起閉方式進行優(yōu)化，采用變頻電機逐級啟動關閉的操作方式。由圖4.b知，出水管路不同位置處在設計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)壓力水頭趨于與進水池水位一致。在設計中針對不同工況的模擬確定管道內(nèi)壓力變化幅度，復核管道設計耐壓強度及需要固定加強的位置。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、最高壓力的相互關系，確定管路耐壓強度和固定加強及防治倒流的位置，進行優(yōu)化設計。
　　水泵水錘及反轉(zhuǎn)特性的分析同時作為深隧泵站振動分析的基礎資料，用于振動分析，指導出水豎管固定支架的設計工作。
　　
　　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
　　深隧泵站設計中采用ANSYS軟件對其管道、樓層結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，計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，并進行對比分析以驗證改進措施的效果。在后期泵站運行中也可結(jié)合振動分析進行振動監(jiān)測，通過監(jiān)測、運算和分析振動數(shù)據(jù)，研判機泵運行的健康狀況。
　　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，再進行瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析管道受力以得到每個固定箍各方向合力和管道由于水錘波作用對層板的壓力波動，最后把壓力變化加載到層板上得出層板的受力形變，以驗證深隧泵站結(jié)構(gòu)設計方案和出水豎管固定方案。本工程根據(jù)共振分析，對結(jié)構(gòu)應力主要受力點、振幅較大位置處進行了重點復核、調(diào)整設計方案，通過調(diào)整結(jié)構(gòu)配筋，增加斜撐、增設分隔墻（見圖5），增加板層厚度（見圖6）及優(yōu)化梁柱設計，改善泵站整體受力情況，使泵站整體受力和抗振動性能保持良好狀態(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)的功能需要和項目特點進行設計、建造。北湖深隧泵站采用將泵站地下空間進行獨立分隔、相互切換運行的空間布局模式，并創(chuàng)新性地運用流道進配水的技術方案。在泵站設計過程充分應用BIM設計、CFD數(shù)值模擬分析、振動分析、水錘分析、物理模型試驗等新技術、新方法解決創(chuàng)新設計中的重難點、優(yōu)化設計方案，可為其他深層隧道的泵站的設計工作提供借鑒。目前，北湖深隧泵站正在建設中，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
　?。ㄎ錆h市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢430023）