徐 辉，张喆鑫，张 睿，冯建刚

(河海大学农业科学与工程学院，江苏 南京 211100)

近年来，由于气候变化以及人类活动等影响，造成城市内涝排水问题愈加严重[1]。作为城市基础建设重要设施的雨水泵站被广泛应用于城市的内涝防治[2]。出水箱涵作为城市雨水泵站常用的出水建筑物，往往受城市规划用地、周边地形环境、已有建筑物以及已建管网系统等条件限制，使得出水箱涵的尺寸大小无法按照理想情况设置，尤其当出水箱涵扩散角过大时会产生回流、漩涡、偏流等不良流态[3-4]，易造成泥沙淤积及难以保障泵站出流满足河道通航要求等一系列问题[5-6]。

物理模型试验是研究泵站水力特性及其整流措施的一种有效手段，国内外学者围绕泵站水力流态展开了深入的研究[7-11]。Nakato[12]在Chicot湖取水泵站模型试验研究中，通过1∶24的泵站前池模型试验研究了泥沙淤积分布和前池的平均流速、平均水深以及水流流态之间的密切关系；王晓升等[13]通过物理模型试验，对分水闸站枢纽分水池产生不良流态的原因进行了分析，指出V形底坎能显著增强分水池水流的侧向扩散能力,有效改善分水池中的水流流态；罗海军等[14]采用物理模型试验方法对排水泵站进水系统的水力流动特性进行了分析研究，通过在闸门井内设置导流墩，在有效提高进水箱涵配水均匀性的同时显著改善了泵站前池和进水池的水流流态；张睿等[15]通过物理模型与数值分析相结合的方法，针对斜向管涵进流雨水泵站箱涵的水流流态，在闸门井内设计布置了3种不同的整流措施，显著改善了闸门井、箱涵以及前池进口处的不良流态；Zi等[16]采用物理模型与数值分析相结合的方法研究了大型泵站进水流场中的组合式导流墩在大型泵站进水系统整流方面的效果与作用。对于出水系统的研究，张春辉等[17]针对泵站压力储水箱涵进行了物理模拟试验，通过在压力出水箱涵内的隔墩上开孔来达到使各通道流量平均分配的目的，从而有效改善了箱涵出口处的流态。目前针对泵站水力特性的研究主要关注进水系统，对于出水系统尤其是出水箱涵方面的研究较少。

图3 初始方案出水箱涵出口断面垂线平均流速分布(单位：m/s)

上海某雨水泵站设计规模为22.2 m3/s，采用了8台轴流泵，由于受场地面积、施工条件等限制，采用了8孔出流的侧向出水箱涵设计方案，同时因为出水箱涵整体长度偏短，导致箱涵扩散角偏大。为分析其出水系统水力流动特性，本文采用物理模型试验研究该泵站出水箱涵内存在的水力学问题，并提出优化措施改善出水系统水力流动特性，以期为工程设计与建设提供参考。

1 物理模型设计

图1 泵站出水系统主体部分水力模型

2 初始方案出水箱涵流态分析

2.1 试验工况

试验在两种外河水位下进行，泵站出水系统初始方案试验工况如表1所示。为了分析出水箱涵的出水流态，在出水箱涵的出口处设置测速断面，采用光电流速仪测量流速，由计算机采集数据，可同时测得多点流速。局部重点测点采用三维剖面流速仪(ADV)测量流速。光电流速仪和三维剖面流速仪的精度均为±1.0%，故流速的相对误差为±1.0%。出水箱涵布置见图2。

表1 泵站出水系统初始方案试验工况

图2 初始方案出水箱涵总体布置示意图(单位：mm)

2.2 出水箱涵出口水力分析

平潮工况不同外河水位下的出水箱涵出口断面垂线平均流速如图3所示，不同外河水位下出水箱涵各孔流量分配系数见表2。由图3和表2可见，两种典型工况出水箱涵出流的规律是相似的，出水箱涵中部两孔出口流速较大，两侧边孔出口流速较低，总体上出水箱涵水流扩散不良，出水箱涵出口流量存在分布不均、主流居中且出口两侧出流较小的问题。

表2 初始方案出水箱涵各孔流量分配系数

当外河水位为设计最高水位3.90 m时，出水箱涵扩散角较大，出水箱涵内部扩散段水流扩散不良，出水箱涵出口流速与流量呈现不均匀分布，出口处主流居中且出口两侧出流较小，各孔流量分配系数最大差值达到17.03%。当外河水位为设计平均水位2.80 m时，出水箱涵扩散段水流扩散不良，出口断面存在主流居中的问题，两侧边孔出流较少、流速极低，各孔流量分配系数最大差值达到17.33%。

3 出水箱涵整流措施

3.1 出水箱涵整流措施设计

针对泵站出水箱涵扩散角偏大、出口流速分布不均等一系列问题，在不改变泵站主体结构的情况下，采用合理的工程整流措施来改善泵站内不良的水力流态，对于泵站的安全高效运行至关重要。泵站出水系统优化方案出水箱涵整流措施如图4所示，模型实物如图5所示。

图4 组合式整流措施布置(单位：mm)

图5 组合式整流措施模型布置

在出水箱涵左右侧第二道隔墙G2、G6头部增设导流短墩。导流墩的工作原理是通过不同角度导流墩的导流作用，对来流进行分割并强迫其转向[18]，从而减小出水箱涵平面扩散角，在平面上均化水流。因此增设导流短墩可以对出水箱涵进口处的后两孔水流分别进行调整，使进入两侧扩散段的水流再分为左右流量大致相近的两股，为出水箱涵8个孔口均匀出流提供基础。导流短墩顶部和底部分别与出水箱涵的顶面和底面相接，导流短墩的宽度为0.30 m、长度为2.25 m。经多方案比较，得到相对较优的布置方案，即隔墙G2上游端的导流短墩头部与隔墙G4的间距为1.41 m，隔墙G6上游端的导流短墩头部与隔墙G4的间距为1.71 m。间距太小或太大都会导致两孔水流产生分布不均的问题。

在导流短墩已经确定的基础上，在出水箱涵扩散段和出流段分别加设整流措施。如图4所示，在出水箱涵扩散段的4个流道各布置1道底坎，对初步分流的水流进行整流，使其得到初步的扩散，从而使得4个流道中的水流流量分配得到一定的优化。4个底坎的宽度均为0.30 m，3个底坎长度为1.20 m，另一个为1.35 m，底坎的长度过小将无法起到有效的向外挑流和均衡水流横向分布作用，太大则会导致局部水力损失过大。在底坎之后布置一道靠近顶板的组合梁，以此对扩散段水流进行垂向和水平方向上的进一步整流，保障出水箱涵各流道中水流的均匀性。在出水箱涵出流段布置一道靠近顶板的组合梁，对靠近出口处的水流进行垂向和水平方向上的整流，降低表层的流速，使其主流下压，从而改善出水箱涵8个孔口水流流速分布的均匀性。

3.2 优化方案改善效果

出水箱涵进口处的两孔水流在流经增设的两道导流短墩之后，导流短墩对来流进行分割，减小了出水箱涵平面扩散角，在平面上均化了水流。根据来流方向，将4个流道从右到左分别记为流道1～4，在不同外河水位下，来流在出水箱涵左右侧第二道隔墙处(图4中G2、G6处)的流量分配系数对比见表3，可见增设导流短墩后，4个流道水流的流量分配系数得到了显著的改善。

图6 优化方案出水箱涵出口断面垂线平均流速分布(单位：m/s)

表3 整流前后出水箱涵内部流量分配系数对比

不同外河水位下的出水箱涵出口断面垂线平均流速如图6所示，不同外河水位下出水箱涵各孔流量分配系数见表4，两种典型工况出水箱涵出流的规律大致相似，出水箱涵出口中部6孔流量稍大，两侧边孔流量略小，总体上较为均匀。各孔流速分布虽稍有不均，但较初始方案已显著优化。

表4 优化方案出水箱涵各孔流量分配系数

在增设整流措施之后，当外河水位3.90 m时，出水箱涵出口平均流速为0.23 m/s，最大垂线平均流速为0.28 m3/s，出水箱涵各孔的流量分配系数最大差值为5.10%；当外河水位2.80 m时，出水箱涵出口平均流速为0.24 m/s，最大垂线平均流速为0.29 m/s，出水箱涵各孔的流量分配系数最大差值为3.10%，此时出水箱涵各孔的流量分配系数与初始方案相比，流量分配系数最大差值在两种外河水位下分别降低了11.94%和14.23%。

优化方案增设的组合式整流工程措施均有一定的阻水作用，会造成出水箱涵内水力损失增大，导致整个出水系统的运行效率下降，但整流措施的增设又改善了水流均匀性从而减小了出水箱涵内的水力损失。当外河水位在3.90 m和2.80 m时，初始方案水力损失分别为0.10 m和0.12 m，而优化方案水力损失分别为0.12 m和0.15 m，由试验可以得出增设整流工程措施引起的附加水力损失总体较小，且出水系统水力损失随外河水位降低而增大。

采用轴向流速均匀度Vu来定量检验整流措施的整流效果，以此来判断出水箱涵出口断面的轴向(顺水流方向)流速分布的均匀程度[19-21]，Vu越接近100%，表明出水箱涵出口处水流轴向速度分布越平均。Vu计算公式为

(1)

式中：va为断面平均轴向流速；vai为断面各测点的轴向流速；n为断面上的测点数。

由式(1)可计算得到外河水位在3.90 m和2.80 m时，初始方案出水箱涵出口断面的流速均匀度分别为71.64%和70.36%，而优化方案出水箱涵出口断面的流速均匀度分别为98.05%和98.84%，整流前后流速的均匀度在两种外河水位下分别提升了26.41%和28.48%，可见采用整流措施后，出水箱涵出口断面的流速均匀度得到了显著改善。

4 结 论

a.对于泵站初步设计方案而言，出水箱涵内部存在水流扩散不良、流态较为紊乱、出口流量分布不均的问题，流量分配系数最大差值较大，在两种外河水位下分别达到了17.04%和17.33%。

b.通过在出水箱涵首段增设短导流墩、扩散段加设不同长度底坎和近顶板组合横梁，较好地加强了出水箱涵内水流的扩散能力，出水箱涵各孔流量平均分配，出水箱涵出口水流较为均衡，流速横向分布较原方案显著优化，有效减弱了初始方案中出水箱涵出口主流居中的问题，出水箱涵各出口的流量分配较为均匀，整流前后流速均匀度在两种外河水位下分别提升了26.41%和28.48%；流量分配系数最大差值在两种外河水位下分别降低了11.94%和14.23%。