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高铁站房虹吸雨水系统消能井井盖压力数值模拟研究

2024-07-19 27 上传者：管理员

摘要：我国部分高铁站房虹吸雨水检查井出现了在暴雨情况下井盖“起舞”现象，存在严重安全隐患。为了解决此问题，通过对我国数个高铁站房消能井存在问题的调研，以及现行规程对消能井做法要求的研究，以计算机模拟计算（CFD）技术为载体，数值模拟了某站房虹吸雨水消能井井盖的压力变化情况，分析了消能井排气措施对消能井井盖压力的影响。模拟结果表明：当暴雨强度较大时，虹吸雨水出户管内夹杂大量的空气，如果消能井未采取排气措施，空气会滞留在消能井内部，造成井盖承受压力增大，存在井盖掀翻风险；在消能井采取排气措施后，井盖所受气压减小，井盖掀翻风险可以消除。

关键词：
CFD
数值模拟
消能井
虹吸雨水系统
高铁站房
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随着我国经济的快速发展，各地交通需求越来越大。高铁作为一种速度快、载客多、花费较少的交通工具，受到广大群众的青睐。在高铁建设过程中，高铁站房需要进行合理设计，而其中高铁站房屋面排水系统的设计至关重要。

目前，虹吸雨水排水系统已成为解决大面积、大跨度公共建筑屋面雨水排水问题的有效途径之一[1]，这是因为与重力流排水系统相比，虹吸雨水排水系统利用气压差和重力，无需依赖管道倾斜度[2]，因而具有更高的排水能力，能够快速有效排除大量雨水。同时，虹吸雨水排水系统还有以下优点：屋面排水沟无需坡度、排水悬吊管可以水平敷设不占用建筑净高、排水立管数量相对重力流系统较少等。韩峰等[3]针对某高铁站屋面结构特点及雨水安全排放等特征，采用了虹吸雨水排水系统加独立重力溢流系统结合的模式共同承担屋面排水的任务，结果表明实际应用效果良好，同时为建筑大型屋面排水系统设计提供一种参考。

由于近年来极端暴雨天气频发，一些高铁站房的虹吸雨水排水系统出现了一些问题，如虹吸雨水检查井井盖频繁被顶起，呈“跳舞状”现象。在高铁站房人流量较大的情况下，井盖被顶起存在严重安全隐患。雨水消能井在虹吸雨水系统的最末端，检查井的消能措施往往被人忽视，但其对虹吸雨水排水系统也起着重要作用，一旦消能井设置不当，会导致虹吸雨水系统排水量大打折扣，甚至引起各种故障。因此，在进行设计时，应合理设计虹吸雨水消能井。

现阶段针对虹吸雨水排水系统管道中存在的气体对雨水排水系统消能井影响的研究较少。CFD技术可以用于模拟各种复杂流体行为，如气体和液体的流动、压力等，其能够提供高效、精确的流体动力学模拟，在工程设计、性能测试等方面发挥重要作用。基于此，采用CFD技术分析某高铁站房在大暴雨雨量条件下的消能井设计方案，防止虹吸管道掺杂气体对井盖冲击造成井盖掀翻的风险，使其排水管道建设在更科学合理的范围内，对排水系统正常运行具有重要意义。

1、虹吸雨水排水系统消能检查井的设置要求

现行CECS 183—2015《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》[4]对虹吸雨水消能措施的要求包括5个方面。

(1）接纳虹吸雨水出户管排水的检查井应为钢筋混凝土检查井或消能井，并能承受水流冲力。

(2）虹吸雨水立管至检查井之间应设置过渡管段；排出管过渡段的长度应≥3 m，否则需设置带排气功能的消能井。

(3）每个雨水检查井宜接1根排出管，接排出管的检查井井盖宜开通气小孔或采用格栅井盖，通气孔的面积不宜小于检查井井筒截面积的30%。

(4）当同一检查井接多根排出管时，宜设带排气功能的消能井。

(5）当同一消能井接3根以上排出管，或排出管流速大于3.0 m/s，或雨水立管高度>150 m时，消能井排气装置的大小及消能井的强度，宜采用CFD技术确定。

国标图集中，仅15S412《屋面雨水排水管道安装》[5]提供了雨水消能检查井的做法图。

2虹吸雨水排水系统消能井在工程中的应用现状

虹吸雨水排水系统消能井作为雨水检查井的一种，需达到消能、排气的作用。通过对数个铁路站房的虹吸雨水排水系统运行状况调研，发现工程中虹吸雨水消能井存在以下情况：

(1）市面上购买的普通排水检查井井盖没有通气功能（见图1）。如果在消能检查井的设计图纸中，未交待专门的通气措施，施工单位采购的检查井井盖一般为普通井盖，不设专用通气孔。

图1市面上购买的排水检查井井盖

(2）消能井难以按15S412图集做法设置井箅子。铁路站房、航站楼等重要公共建筑的消能检查井常设置于地面铺装中，若井盖上开箅子，易造成女士行走崴脚，且不利于地面美观，已有个别站房的消能井箅子井盖发生了这样的投诉，最后被迫更换为普通井盖。多数站房的地面石材铺装将排水检查井井盖完全盖住，使井盖完全没有通气功能。

(3）检查井井盖在暴雨时频繁被顶起。某高铁站房，在暴雨天气下，出现检查井井盖频繁被顶起的问题。该车站接纳虹吸雨水出户管的检查井没有采用专用虹吸雨水系统消能井做法，而是采用圆形混凝土检查井，一个检查井接纳数根出户管，井盖为普通井盖，未设专用通气管。在暴雨状态下，室外雨水管网为满管流，井盖会通过检修拉钩用的小孔冒出大量的汽水，井盖也会间歇性被顶起，呈“跳舞状”。打开井盖发现，检查井内的雨水有大量的气泡，呈乳白色状态，说明此时，大量的气体在检查井内聚集，无法自然排出，进而影响虹吸雨水排水系统的排水效果。对另一地某高铁站房实地考察也发现了同样的问题，该站雨水检查井的井盖也未开箅子，未设专用通气管，在暴雨天气下，也出现了检查井井盖被汽水冲起、井盖“跳舞”等问题。

(4）检查井设有通气措施，没有出现井盖顶起现象。某高铁站房设置了消能井，每个消能井接纳约10根虹吸雨水出户管，每座消能井设置2根DN150通气总管于地面以上通气。根据车站管理方的介绍，该消能井未出现过井盖被顶起的现象，说明对于消能检查井的设计，井容积不能太小，且应有通气措施。

针对以上现象，选取某高铁站房的虹吸排水系统的消能检查井设计方案进行CFD模拟分析，研究消能井井盖压力变化情况，以期判断其消能检查井设计方案是否合理。

3、消能井井盖压力变化物理模型与计算设置

3.1物理模型

某高铁站房虹吸雨水排水系统设计雨水量为10年重现期暴雨量乘以1.5倍系数。其虹吸雨水排水系统某消能井CAD平面图及剖面图见图2，该消能井连接3根DN219虹吸雨水管道（总设计雨水量为188 L/s）和1根重力流排水管。消能井内部在靠近4根进水管前方设置钢筋混凝土挡水板，用于管道雨水流入消能井时水汽分离，防止水流对消能井的冲击。同时消能井左右两侧各设置1根DN150排气管，用于雨水中掺杂气体的排放。消能井底部设置1根DN600排水管排水，该排水管连接主排水管，负责将消能井内部雨水排放至外界。消能井顶部共2块直径为700 mm的井盖。

3.2网格模型

建立第3.1节消能井模型时作出如下假设：

(1）忽略整个管道系统，用进水口与出水口替代；

(2）将进水口、排水口简化为圆形出口；

(3）只对消能井内部流体域进行模型建立，忽略消能井铺设材料厚度；

(4）考虑到井盖一般存在小孔用于方便维修打开井盖，用井盖上直径10 mm小孔替代；

(5）由于重力排水管排水量较小，故忽略重力排水管流量对消能井的影响。

使用ICEM CFD软件对该消能井进行建模并划分非结构性网格，模型建立见图3，面1、2、5、6为消能井四周墙壁，面3为消能井顶部面，面4为消能井底部。在3个虹吸管进水口（1根重力管忽略）、2根排气口和排水口等区域物理量变化明显进行网格加密处理，用以保证计算结果的准确性和合理性，并对网格数量进行独立性检验，最终确定网格数量为377 039块。

3.3边界条件设置

依据该消能井所连接的3根DN219虹吸管道对应水力计算，最终流向消能井管道的流速分别为0.956 4 m/s、1.160 4 m/s、1.160 4 m/s。考虑到实际虹吸过程中会掺杂一定空气，按照射流曝气最大空气掺杂比例为50%计（最不利情况），故在保证流速不变的情况下，3根管道进口均设置水气两相体积均占50%。在特大暴雨情况下，消能井排水管只流出液体水，空气无法从排水管排出，故将排水口设置为速度出口，排水口流速为0.3 m/s，水相占比为100%，以保证排水口模拟过程中只流液体水。排气口与排气孔均设置为压力出口。周围墙体及挡水板默认设置成“wall”。

3.4模拟计算设置

利用ICEM CFD19.0软件建立网格模型，导入Fluent 19.0软件进行数值模拟计算。多相流采用VOF模型[6,7]，同时设置水气2项表面张力常数为0.075。湍流模型使用RNG k-ε进行模拟计算，求解器基于压力进行求解，采用SIMPLE算法对压力—速度进行耦合，动能项均采用一阶迎风格式。各计算项收敛精度为10-6，并对2个消能井井盖压力变化及排气管气体流速变化进行监测，分析井盖压力变化。

4、模拟结果分析

为了分析排气管道对井盖的影响，共设置3组对比工况进行模拟，不同工况设置条件见表1。

图2消能井平面图及剖面图

图3物理模型示意图

考虑在实际暴雨强度下，排水管所流流体只有水，无法在排水管中流动。故在进行初始化时，对消能井水平中立位往上设置为气体，中立位往下设置为液体，且水位高于排水口顶端，具体见图4（红色表示为水，蓝色为空气），确保排水口流出的为水，并无掺杂空气，空气只能从井盖圆孔或排气管流向外界。

(1）工况1模拟结果。

计算结果显示（见图5），井盖上直径10 mm的2个出气孔的气体流速上升至311.28 m/s和311.43 m/s，流速较大。

(2）工况2模拟结果。

计算结果显示（见图6），井盖上直径10 mm出气孔的气体流速上升至1.27 m/s和1.29 m/s。2个150 mm排气口的气体流速为1.34 m/s和1.26 m/s。

表1不同工况设置条件

图4初始水相示意图

图5工况1井盖总压云图

图6工况2井盖总压云图

(3）工况3模拟结果。

计算结果显示（见图7），井盖上直径10 mm出气孔的气体流速上升至0.766 m/s和0.768 m/s。2个200 mm排气口的气体流速为0.91 m/s和0.743 m/s。

不同工况下，模拟井盖的静压、动压和总压结果见表2，静压力、动压力和总压力结果见表3。

由表2和表3不同工况模拟结果可知，工况1结果显示井盖总压及总压力最大，工况2和工况3井盖总压及压力基本相差不大，对井盖的影响可忽略不计。实际井盖一般为铁铸井盖，质量约75 kg，当消能井不安装排气管时，极端暴雨条件下，气体滞留在消能井内部，井盖承受压力超出其自身重量，存在井盖掀翻的风险。对消能井安装排气管道后，气体通过排气管流向外界，故不能将井盖掀翻。

图7工况3井盖总压云图

表2不同工况模拟受压结果

表3不同工况模拟受力结果

5、结束语

通过CFD技术模拟表明，对于虹吸雨水排水系统，消能井安装排气管具有重要作用。当雨水强度较大时，排气管能够有效解决排水系统的气体无法逸出问题，避免消能井井盖被顶翻的现象，对于排水系统管网正常运行具有重要意义。针对目前国内部分高铁站房的虹吸雨水消能检查井未设置通气措施，导致在极端天气情况下，井盖“起舞”现象频发的情况，需要对其进行改造，建议采取安装排气管的改造措施。安装排气管改造仅需增加排气管道、以及开挖复原地面铺装的工程量，实现以较小的成本投入即可消除安全隐患。另外，对于新建高铁站房，在设计消能检查井时，对其进行CFD模拟分析，能够有效保障设计的合理性。

参考文献:

[1]潘俊杰,何蓉.压力流虹吸式屋面雨水排水系统的设计与应用探讨[J].中国给水排水,2011,27(14):27-30.

[3]韩锋,李晓阁,陈剑溪,等.南方某高铁主站房屋面虹吸雨水排水系统研究[J].科技通报,2024,40(2):45-48.

[4]中国工程建设标准化协会.虹吸式屋面雨水排水系统技术规程:CECS 183—2015[S].北京:中国计划出版社,2015.

[5]中国建筑标准设计研究院.屋面雨水排水管道安装:15S412[S].北京:中国计划出版社,2016.

文章来源:吴江涛,秦晓梅,王子杰,等.高铁站房虹吸雨水系统消能井井盖压力数值模拟研究[J].铁路技术创新,2024,(04):191-196.