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）

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

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

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