国外雨洪深隧快速充水过程中的水动力学问题[1]9

侯庆志1，刘婉莹1，李顺达1，邢亚璇2

（1.天津大学计算机科学与技术学院，天津　300350；2.天津大学数学学院，天津　300350）

摘　要：深隧蓄排水系统是国外解决城市雨洪和初雨与溢流污染的重要手段，对于我国贯彻实施“海绵城市”国家战略具有重大借鉴意义。然而，暴雨过程中深隧蓄排水系统的结构设施破坏、隧道破裂和城市间歇泉等典型事故在国外时有发生，给当地经济带来了巨大损失。本文通过分析总结深隧快速充水过程中的典型事故，揭示其发生机理，指明深隧快速充水过程中的水动力学问题是根本原因。

关键词：城市雨洪；深隧蓄排水；水动力学问题

第一作者简介：侯庆志（1978—），男，博士生导师，副教授，研究领域为基于物理模型的流场仿真可视化及其工程应用。E-mail：qhou@tju.edu.cn9

1　引言

城市内涝问题因其对城市正常运行以及市民生命财产与出行安全造成的剧烈破坏而受到了政府与社会的广泛关注，初雨污染与污水溢流对地表和受纳水体造成的严重危害则是制约城市水环境质量改善的关键因素之一。在此大背景下，新一代城市雨洪管理概念“海绵城市”得到了快速发展［1，2］。中国工程院王浩院士指出，城市海绵体建设必须与大尺度调蓄系统相结合，而深隧则是大型调蓄系统的典型代表。深隧是指埋设在地下20～100m、最大直径10m以上的大型蓄排水隧道，其长度可达几十公里。目前，深隧调蓄技术已广泛应用于法国巴黎、日本东京、美国芝加哥等几十个大城市［3-8］，并且非常好地解决了城市内涝与溢流污染问题［5-6，8］。

由于起步较晚，国内关于深隧调蓄系统的研究，主要集中在规划设计、方案比选、运营管理等方面［3-5，9］，还处于全面学习国外先进经验的阶段，我国海绵城市专家及其团队［3］在此方面做了很多相关工作，为我国城市雨洪控制隧道的决策和规划提供了宝贵的资料。然而，城市暴雨过程中深隧调蓄系统的结构设施破坏、隧道破裂、城市间歇泉等典型事故时有发生，鉴于其巨大的危害作用，该类问题的发生原因已经引起了国外学者的广泛关注。

2　国外雨洪深隧中的典型事故

2.1　结构设施破坏

1995年7月4日，在加拿大埃德蒙顿雨洪中，位于加拉格尔山公园处的人孔及其辅助设施（包括直径300mm的压力干管，1200mm的污水干管，600mm的给水总管和400mm的输气管道）遭到了严重破坏［10-11］，见图1。事故的发生机理可通过图1中右图予以说明。正常情况下，隧道内的雨水将由左向右流动；然而由于地势和局部降水原因，下游竖井内的水位上升过快，倒灌到排水干管（支隧）内，形成逆向运动管流；在下游竖井内高水头和上游竖井内空气迅速排出的双重作用下，形成了高速运动的水柱；当水柱到达上游竖井时，对竖井和辅助设施产生瞬态冲击，产生了15m高水头的压力荷载［12-13］，使之发生破坏。Ferreri等［12］指出，受竖井结构形式的影响，1.5m/s的流速可产生6～40m高水头压力荷载。2010年6月23号，类似情形发生在了芝加哥市北布兰奇雨洪隧道中［13］。该隧道的主体与竖井分布情况见图2，发生破坏的是支隧竖井DS-N20处的辅助人孔设施（见图3）。事故发生的主要原因是9.1m直径施工竖井CS-N2中的雨水倒灌到了直径2.5m的支隧中，形成的气团使系统产生了剧烈的压力波动。

2.2　隧道破裂

2009年9月，墨西哥城发生暴雨，5.2m直径排水隧道破裂，见图4（左图），引发的地面积水导致4000余人紧急转移，2500所房屋受损，55辆汽车被毁以及3人死亡［14］。一般而言，排水管道的设计流量不允许管道内出现满流，自由液面最大高度一般为（0.7～0.8）D（D为管径）［12］。然而，当发生极端暴雨、泵站无法正常工作、压力扰动导致液面大幅晃动等情况时，部分管道会变成满流，并形成封闭气团，见图4（右图）。当气团运动到人孔时，会由井盖上的气孔快速排出，由于气孔尺寸较大，形成了类似于输水管道空气阀中的弥合水锤现象，并使系统内产生了一定的压力波动。根据Estrada等［14］的分析计算，该压力波动的幅值为600kPa。一般情况下，虽然该压力不足以使隧道壁发生破裂，但是由于该隧道投入较早（1975年），建造时没有使用加筋混凝土，加之地下水的常年过度开采，地面发生了较大沉降，从而使隧道壁的破坏应力减小到了112kPa。所以当发生上述压力波动时，隧道壁很快发生了破裂［14］。

2.3　城市间歇泉

所谓的城市间歇泉，就是暴雨过程中由竖井或者辅助人孔突然喷出的以水为主的水汽混合物，冲出高度20余m。例如，在新西伯利亚市［图5（a）］和明尼阿波里斯市［图5（b）］［15-16］，暴雨造成的间歇泉被摄像设备清晰地拍摄了下来，而发生在加拿大蒙特利尔的一次间歇泉则几乎掀翻了停靠在人孔上的汽车［图5（c）］。最近报道的类似现象还有很多，以芝加哥雨洪隧道为例，在2008—2010年期间，共发生了5次间歇泉现象，给周围居民的生活带来了很大影响［13］，而城市主干道上的间歇泉则可诱发严重的交通事故。间歇泉的发生机理可由图6所示的物理模型予以解释［17］，即暴雨条件下，隧道内因流态转变形成了密闭气团，当受压气团运动到竖井位置时，会携带着井内雨水快速喷出地面。为了避免城市间歇泉的发生，有人主张将竖井和人孔井盖通过螺栓等方式固定下来，或者减小井盖上的开孔尺寸，然而正如人孔设计专家Hager［18］所言，这样做是非常危险的，会诱发人孔甚至整个排水系统内的压力波动问题。如果气团顺利排出还只是引发间歇泉问题，然而当气团排出受限时，强大的液体冲击可使人孔及其辅助设施发生破坏［图1（a）］，造成的系统内大幅值压力波动则可能导致整个排水系统失效。

综上所述，深隧调蓄系统的结构设施破坏、隧道破裂、城市间歇泉等典型事故主要是因为深隧快速充水时气液相互作用带来的水动力学问题引起的。

3　结语

为了解决城市内涝，提高我国城市雨洪的管理水平，更好地实现海绵城市“将70％降雨就地消纳和利用”的国家战略目标，深隧调蓄系统已在国内一些城市论证并开工建设。为了避免国外深隧中出现的各类问题，并为国内深隧建设提供水动力学方面的理论依据，迫切需要在深隧快速充水过程中的水动力学问题研究上投入更多的科研力量。

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[1]基金项目：国家自然科学基金（No.51478305）。