用地受限条件下雨水泵站及调蓄池合建设计优化

排水工程是城镇居民生活和社会经济发展的生命线，是保障公众身体健康、水环境质量和水安全的重要基础设施   。随着城市更新建设的逐步深入，提高居民居住环境和保障生命财产安全是城市更新的首要任务。近年来，暴雨造成的城市积水情况越来越多，初期雨水排河造成河道水质污染也时有发生。随着《上海市城镇雨水排水规划（ 2020—2035 年）》（以下简称 “ 排水规划 ” ）的实施，明确要求提高雨水排水标准，原有的城市排水设施已不能满足要求，需针对性改造或新建雨水排放设施；同时排水规划还提出了控制径流污染的要求，需新建控污调蓄池，解决雨水泵站在放江排水时污染河道水质的问题。而实际建设中，大部分建成区内城市用地已开发建设到位，新建雨水泵站选址难度大，只能利用城市用地 “ 边角料 ” 建设雨水泵站和控污调蓄池。在上海市浦东新区康桥路雨水泵站与调蓄池合建项目中，采用雨水泵站和调蓄池叠建的方案，优化平面及竖向布置，并通过计算流体力学（ CFD ）模拟后，采取有效的整流措施改善水流流态。  

 

图 1   泵站地理位置

   

2.1.2               基坑设计及监测                

经与轨交管理部门沟通，项目基坑设计如下：基坑工程安全等级采用一级，环境保护等级采用一级，基坑采用 1200mm 厚地下连续墙围护，地下连续墙深度为 73.70m ，隔断 ⑦       ₂       灰色砂质粉土承压含水层，地下连续墙接头采用半根       ?       2600mm N-JET 超高压旋喷桩接缝止水，以明挖顺作法施工，沿基坑自上而下设置 2 道钢筋混凝土支撑 +4 道钢支撑，第 1 道钢筋混凝土支撑截面为 800mm×800mm ；第 2 、 3 道钢支撑为 609 钢支撑；第 4 道钢筋混凝土支撑截面为 1000mm×1000mm ；第 5 、 6 道钢支撑为 800 钢支撑。泵站基坑围护设计见图 3 。    

   

         

图 3               泵站基坑围护设计    

2.2               设备用房平面布局设计优化          

泵站一层平面中布设配套的格栅间、高低压配电间、水泵房，调蓄池配套的人员出入口、设备吊装口、透气井，以及 10kV 开关站和建筑的疏散楼梯。雨水泵站一层平面布置见图 4 ，剖面见图 5 。    

   

         

图 4   雨水泵站一层平面布置

   

图5 雨水泵站剖面    

一层平面根据功能需求进行分区，其中格栅间东北侧预留的区域为贯通调蓄池到地面的空间，利用此空间设置调蓄池人员出入口和设备吊装口；并利用雨水泵站出水高位井内富余空间设置调蓄池的透气井，从调蓄池顶部开孔一直延伸到屋顶。          

雨水泵站供电采用二级负荷，设有 2 路 10kV 电源，每路电源容量为 2500kVA ，需建设 10kV 开关站。 10kV 开关站位于地面一层，并设置地下电缆通道夹层，整体布置于格栅间和高低压配电间之间，宽度为 8m 。这造成下部进水闸门井的长度被压缩，导致进水流道变短，增加了水流的不稳定性。          

对布置楼层要求不高的设备用房，如除臭机房、控制间、卫生间等，则布置于建筑二、三层内。

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          调蓄池排空泵设计

     

3.1           调蓄池进水集约化设计          

调蓄池与雨水泵站合用格栅，栅距为 70mm ，在进水格栅后设置 2.0m×2.0m 的拦截沟，拦截初期雨水，经进水液压闸门后跌水进入调蓄池，达到调蓄池设计水位后关闭进水闸门，完成一次进水过程。调蓄池设置带切削功能的排空泵，以防杂物堵塞排水泵，初期雨水经提升释压后接入市政污水管。          

3.2           排空泵节能设计          

泵站设计地面高程为 4.00m ，调蓄池设计最高水位为 -7.90m ，最低水位为 -15.40m ，静扬程变动较大，排空过程中要求在静扬程变动时流量保持基本稳定。按设计最高水位、设计平均水位、设计最低水位选择 3 个工况点进行扬程计算，具体见表 1 。

表 1   排空泵扬程计算

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图 7   计算区域

4.2           设计方案水力流态模拟          

图 8 和图 9 分别为进水系统的平面流线分布云图、流道进口典型断面（取距泵轴线 3.5m 进水廊道）的流速分布云图。可知， 4 个格栅进水流量差异较大，左右集水池内流线不均，均偏向左侧，泵前典型断面流速局部偏差较大。

图 8   平面流线分布

图 9   流速分布

   

表 2 为 4 座格栅井的流量分配统计，左侧集水池 1# 、 2# 两孔格栅过流流量相对较为均匀，右侧 3# 格栅孔几乎不过流，流量占比仅为 2.12% ， 4# 格栅孔过流流量明显偏大，占比达 47.96% 。 4 条格栅廊道内水流分配均匀度较差。    

   

表 2   各格栅井流量分配统计

   

表 3 为 6 台泵典型断面处流速分析，除 2# 泵前廊道内水流流速偏大，相对偏差大于 10% ，其余廊道内流速相对较为均匀。    

表 3   泵典型断面流速分析

   

4.3               方案设计优化比选                

根据原设计方案模拟结果，需解决进水井内主流偏流严重、水流分布不均的问题，并增加各泵前进水流道内水流流速的均匀性。                

   

4.3.1               优化方案设计                

提出了 4 种整流方案，具体如表 4 所示，对其进行同步比较。    

   

表 4   整流方案

     

各方案的整流措施布置见图 10 。                

   

   

图 10   各方案的整流措施布置

   

4.3.2               格栅井内流量分析                

通过 CFD 数值模拟，得出 4 种整流方案中闸门井至集水池的平面流线分布，对各方案中格栅井的流量分配情况进行统计，结果见表 5 。可以看出，在方案三和方案四中，格栅井内的流量分配得到了明显改善，各格栅的过流流量较为均匀。    

   

表 5   各方案格栅井流量分配统计

   

4.3.3               泵流道进口内水流均匀性分析                

对泵流道进口典型断面处的平均流速进行均匀性分析，选取位置为水泵吸水喇叭口等高处廊道。 4 种方案的典型断面流速分析结果显示，平均流速的相对偏差率基本控制在 10% 以内，相对偏差情况均较好，这主要受益于集水池较长，水流扩散稳定，且方案四在方案三的基础上增加了集水池内横梁，集水池内流线分布更均匀，偏流情况有所改善，水流稳定性更好，故推荐方案四。    

   

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            结语        

康桥路雨水泵站项目设计中，用地面积较小且为狭长形，雨水泵站进水为非正向进水，进水主流偏流严重。最终通过对雨水泵站和调蓄池布局方案的优化，并采用 CFD 数值模拟合理设计整流措施，缓解了进水主流偏流的问题，实现了进水流态稳定、流量分布均匀。基于此，提出以下建议：                

①       城市建成区内建设雨水泵站及调蓄池等排水设施，需重点考虑制约因素如周边建筑、地下构筑物、河道驳岸、重要管线等，避免造成较大的问题，并进行风险控制。                

②       当调蓄池位于雨水泵站下方时，需充分考虑上部泵站布局，利用有限可以通到地面的空间布置出入口、吊装口、通风口等，并在一层平面内集约化设置疏散检修设施。                

③       调蓄池水深较大，静扬程占泵总扬程的比例较大，建议采用变频泵，可在扬程变动时将流量变动控制在设计值的 ±10% 之内，并节约能耗约 20% 。                

④       受限于泵站建设条件，进水闸门井内水流易形成紊流、涡流，泵站内流态稳定是设计的重要部分，应予以重视。