深层隧道排水系统中深隧泵站的设计与优化

深层隧道排水系统中深隧泵站的设计与优化陈宝玉，杨涛，王正雄，石亚军，吴志高，邹惠君（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉430023）摘要：武汉市大东湖核心区污水传输系统工程采用深层隧道排水系统，隧道末端为北湖深隧泵站，其设计规模为100×104 m

深层隧道排水系统中深隧泵站的设计与优化

陈宝玉，杨涛，王正雄，石亚军，吴志高，邹惠君

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉430023）

摘要：武汉市大东湖核心区污水传输系统工程采用深层隧道排水系统，隧道末端为北湖深隧泵站，其设计规模为100×104 m ³ /d，压力流泵站，地下深度为46.35 m，净提升高度为16.1～22.4 m。泵组采用6台离心泵（4用2备），单泵流量Q=2.79～3.87 m ³ /s，水泵扬程H=30.44～19.63 m。结合北湖深隧泵站的设计过程，阐述了计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）模拟分析、物理模型试验、水锤分析及结构振动分析等方法在该类超深泵站设计工作中的应用，并根据分析结果对其设计方案进行了优化。该工程的设计经验可为深隧泵站的设计提供借鉴和参考。

随着城市规模的扩大和配套基础设施的建设，城区内原有自然下垫面逐渐被硬化，城市小气候日益突出，污废水排放量越来越多，因此城市常规排水系统的压力越来越大、水环境治理要求也越来越严格。由于城市地下浅层障碍物较多、断面拥挤，在地下30～50 m（部分50～100 m）范围内建造深层隧道排水系统积极应对城市内涝和溢流污染正逐渐得到重视，并已在伦敦、芝加哥、东京、新加坡以及我国香港、上海、广州等大城市排水系统中得到应用。根据深层隧道排水系统功能目标基本可划分为防洪排涝型、污染控制型和功能复合型三种，并且通常由入流竖井、调蓄水池、输送隧道、通风排气井、除渣槽及排泥设施、提升泵站等组成。其中，提升泵站位于系统末端，是连接前端隧道及末端受纳水体的枢纽，通过站内大型泵组将隧道内的水抽排至江河或污水处理厂等下游水体。

工程概况

武汉市沙湖、二郎庙、落步咀三座污水处理厂均位于主城区中心，受处理负荷、用地空间限制，严重制约了主城区的经济社会建设与发展。为了全面解决大东湖地区的水环境问题、协调主城区基础设施建设和经济社会发展，武汉市实施大东湖核心区污水传输系统工程的建设。该工程通过新建DN3000～3400 mm深层污水隧道传输系统将三座污水处理厂污水转输至城市外围的北湖污水处理厂。为了将污水提升至污水厂，深隧末端新建一座污水提升泵站，即北湖深隧泵站，设计规模为100×10 ⁴ m ³ /d，隧道至泵站的水流为压力流，隧道进口隧道底高程-20.65m，泵站前池工况水位2.3m～8.6m，出水池水位为24.7m，泵站主体构筑物地下深度为46.35 m，提升高度为16.1～22.4 m。

相关案例

隧道末端的深隧泵站是整个深层隧道排水系统的枢纽，影响整个系统功能的实现，亦是整个深隧系统设计的关键。通过对深隧泵站案例的梳理（具体见表1），深隧泵站具有以下特点：深隧泵站系统性强，需要水位联动运行；复杂程度高、集成程度高，在有限空间内集中配套动力、通风、冷却、润滑、监测、自控、检修、照明、消防等附属设施；安全性、稳定性要求高，设备运行环境要求严格；结构抗振及建筑降噪等级要求高。深隧泵站流量变化大，因此要求所选水泵需运行工况适应性好，流量-扬程曲线有效范围广、高效区间宽；设备安全、稳定性高，抗气蚀性良好；转动惯量大，抗反转、抗振动性能好；水泵的冷却系统及润滑油系统稳定可靠，宜双回路布置；泵组耗电功率大，宜配备变频器。

表1 部分深隧泵站工程案例表

深隧泵站工艺设计

北湖深隧泵站主体采用圆形结构断面，内径39.0 m，主体构筑物地下部分深46.35 m，地面以上部分高27.80 m。隧道在泵站前端的汇水井处接入，汇水井不仅承接前端深隧来水，而且同时具有泵房前池的功能，汇水井通过管径为DN2400 mm两根主管连接至主泵配水流道，流道采用矩形渐变断面，流道侧向出水管径为DN1400 mm，水流偏转角为45°。主泵分两列斜对称布置，采用立式离心泵，4用2备，工作范围Q=2.79～3.87 m ³ /s，H=30.44～19.63 m，配套电机N=1400 kW，变频控制。此外，为排除流道及汇水井内的积水，进水流道末端各设1台排空泵排空，如图1中a和图3中a所示。泵站的出水池设置在地面，通过箱涵出水至处理单元，具体如图1中b所示。泵站竖向自底部向上依次为进水流道层、水泵层、电机层、电缆层、地面层等，具体如图2和图3中b所示。

图1 深隧泵站平面图

图2 深隧泵站剖面图

图3 深隧泵站平剖面BIM图

模拟分析

4.1 CFD分析

图4 汇水井出水口（a. & b.）和流道出水口（c.）优化前后流态分析

深隧泵站CFD分析通过对泵站进出水水力流态的数字模拟分析，针对局部出现的流态问题重点进行模拟验证，优化泵站水力流态，尤其是易产生旋涡和水力剥离现象的位置。以汇水井进水口和流道出水口的CFD分析为例，在泵站低水位（低于设计最低水位）最不利连续运行工况下其负压较低有产生剥离旋涡的可能，如图2所示，在汇水井DN2400mm进口和流道DN1400mm进口处均有剥离涡的产生，为解决该问题拟定两种解决方案，一种方案通过控制运行水位，保证汇水井液面保持在最低水位线以上运行；第二种方案通过对局部位置进行改进，改善进水水力流态，譬如在出水口上方设置旋涡防止板、优化进口倒角。通过CFD模拟分析最低控制水位，其中汇水井主管DN2400mm进口淹没深度控制在3.25～5.95 m以上时，该处剥离旋涡可得到有效控制、甚至消失。通过对局部采用改进措施后的CFD模拟分析，在增设旋涡防止板后汇水井DN2400mm进口处涡度等值面在中途中断，不与水面连接，水力流态得以改善，见图2.a所示。通过不同倒角方案的模拟对比分析后得出，在DN2400mm进口采用锥形倾斜倒角，且倒角不大于15°时，水力流态改善明显，如图2.b所示，剥离涡消失，且当采用15°倾斜角优化后，该处压力值明显减小（从-420 pa减小至-118 pa），水力流态更趋于平稳。增设旋涡防止板对流道DN1400mm出（进）口处的水力流态未有改善，而采用倾斜倒角则有助于改善流道DN1400mm出（进）口流态，见图2.c。当流道侧向出水管采用30°倾斜角优化后效果最为明显，该处压力值明显减小（从-580 pa减小至-140 pa），水力流态整体平稳，如图2.c所示，采用倾斜角优化后剥离涡消失，水力流态改善明显。本项目从可实施性和实施效果分析，进口倾斜倒角方案实施效果和可实施性均优于旋涡防止板方案，故北湖深隧泵站最终采用倾斜倒角方案。

4.2 物理模型试验

物理模型试验在前述CFD模拟分析的基础上进行，通过构建比例模型，模拟分析设计工况下泵站内的水位液面、旋涡、分流及不同水位下气泡的产生，对设计和CFD模拟结果进行验证、优化，试验装置见图3。物理模型试验结果表明，主泵在不同运行工况下均可稳定、良好地运行。当汇水井DN2400mm进口淹没深度控制在3.25 m以上时，汇水井DN2400mm进口及流道液下涡旋和表面涡旋消失，与CFD模拟结果一致。此外，通过试验反复验证，当排空泵进水管淹没深度控制在管口1.05 m以上时，排空泵水泵吸入口旋涡消失。

图5 物理模型试验装置图

4.3 水锤分析

水锤分析根据设计工况参数、设备选型参数、水泵曲线等基础资料，运用特征线方法构建水力过渡过程的数学模型，将设计工况、水泵正常开停机及突然断电事故工况下的水力过渡过程进行模拟计算，通过对水力过渡过程数值解的解析，计算出管路最大压力、最大负压、最大倒流流量、最大倒转转速等关联参数，分析水泵运行的安全性，重点对发生最不利工况下的水锤分析，研究防护措施和改进方案，同时也可将其反馈给水泵厂家进行水泵设备的优化设计。以旱季最高流量设计工况下的最不利工况水锤分析为例，单侧流道进水10.89m ³ /s，3台泵运行，按水头损失最大计算，进水池水位29.97m，出水池水位50.85m。事故工况为机组变频运行时突然断电情况下，以末端工作泵为分析对象进行分析。由图4.a知，事故停泵后t=1.936s时，水泵处开始倒流，最大倒流流量v=0.788（相对3.63m ³ /s）；t=3.472s时，水泵开始倒转，最大倒转转速α=0.918（相对水泵工况下转速）；水泵最大扬程h=0.747（相对水泵工况下扬程）。结合水锤分析中的倒流反应时间、倒流量、转速、倒转后扬程、压力复核水泵的转动惯量及水泵反转特性是否满足突发情况下的反转冲击要求，同时对主泵电机起闭方式进行优化，采用变频电机逐级启动关闭的操作方式。由图4.b知，出水管路不同位置处在设计工况下压力水头变化过程，事故停泵后，泵前管内压力水头先上升后下降，泵后管内压力水头先下降后上升，随后因泵后管部分放空，泵后压力水头趋于下降，最终系统压力水头趋于与进水池水位一致。在设计中针对不同工况的模拟确定管道内压力变化幅度，复核管道设计耐压强度及需要固定加强的位置。由图4.c知，事故工况下全线最大压力47.332m，为泵后工作压力；最低压力-0.608m，为泵出水管末端处压力，通过压力包络线图分析管路在事故工况下管道中工作压力、最低水压、最高压力的相互关系，确定管路耐压强度和固定加强及防治倒流的位置，进行优化设计。

水泵水锤及反转特性的分析同时作为深隧泵站振动分析的基础资料，用于振动分析，指导出水竖管固定支架的设计工作。

图6 水泵无量纲参数（a.）、压力水头（b.）及净压力（c.）变化过程

深隧泵站设计中采用ANSYS软件对其管道、楼层结构进行模态分析，计算出其固有频率和振型，根据受力分析给出结构修改的建议，并进行对比分析以验证改进措施的效果。在后期泵站运行中也可结合振动分析进行振动监测，通过监测、运算和分析振动数据，研判机泵运行的健康状况。

在结构共振分析中将模态分析与水锤分析相结合，通过流固耦合分析水锤波对结构的影响。模态分析根据深隧泵站水锤分析研究报告中的水锤压力数据，将出水竖管管内水体的各部位压力加载到研究管道的内壁面上，再进行瞬态结构分析管道受力以得到每个固定箍各方向合力和管道由于水锤波作用对层板的压力波动，最后把压力变化加载到层板上得出层板的受力形变，以验证深隧泵站结构设计方案和出水竖管固定方案。本工程根据共振分析，对结构应力主要受力点、振幅较大位置处进行了重点复核、调整设计方案，通过调整结构配筋，增加斜撑、增设分隔墙（见图5），增加板层厚度（见图6）及优化梁柱设计，改善泵站整体受力情况，使泵站整体受力和抗振动性能保持良好状态。

图7 优化前（a.）后（b.）泵房整体模态分析

图8 优化前（a.）后（b.）泵房电机层模态分析

结语

北湖深隧泵站是目前国内正在建设中的第一座深层隧道泵站，是在现有案例分析研究的基础上，根据武汉大东湖深层隧道传输系统的功能需要和项目特点进行设计、建造。北湖深隧泵站采用将泵站地下空间进行独立分隔、相互切换运行的空间布局模式，并创新性地运用流道进配水的技术方案。在泵站设计过程充分应用BIM设计、CFD数值模拟分析、振动分析、水锤分析、物理模型试验等新技术、新方法解决创新设计中的重难点、优化设计方案，可为其他深层隧道的泵站的设计工作提供借鉴。目前，北湖深隧泵站正在建设中，主体结构已经施工完成，即将建成通水。