CN106968315A - 涡扇形分级跌落式竖井 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡扇形分级跌落式竖井，包括同心套设的竖井和排气管，在该竖井的内壁和排气管的外壁之间形成一环形区域；该环形区域的上端连接有进水渠，环形区域内自上而下等间距均布有若干个旋流板，环形区域下端连接有调蓄隧道接入口；所述旋流板包括扇叶形板，该扇叶形板的末端出流边为圆弧形，圆弧为顺水流向前侧弯曲；其中，位于首层的旋流板与进水渠相连接，每一层旋流板的尾端与下一层旋流板的首端在水平投影面上相接，并在环形区域内形成分级旋式水流通道。该竖井中利用在竖井内布置多级旋流板，利用下跌水流的掺气作用和旋流板上水垫的紊动扩散作用，降低下泄水流的流速，在提高竖井消能效果的同时有效抑制竖井局部区域的空化空蚀。

Description

涡扇形分级跌落式竖井
技术领域
本发明涉及排水工程技术领域，尤其涉及一种涡扇形分级跌落式竖井。
背景技术
市政工程调蓄隧道系统中的入流竖井根据管道布置特点通常需适应不同的入流流量和跌水深度的要求，同时受市政工程布置通气孔的限制，入流竖井通常还需兼顾系统排气的需要。为充分利用原有调蓄隧道盾构工作井，减少占地面积和重新开挖，深层隧道系统常常采用一种从圆周环向进流，中间通气排风的竖井结构形式，这种类型的入流竖井通常结构紧凑，可以充分利用竖井垂向空间，且能同时满足竖井入流和排气的要求，在深层隧道系统中具有较大的应用潜力，目前这种类型的入流竖井有旋转滑道式、旋转阶梯式、旋转渠道式、旋转跌落式等。尽管如此，受离心力作用，该类型的入流竖井存在一个共同的问题，即下跌旋流沿竖井外壁螺旋下泄，外侧水面显著高于内侧水面，当竖井下泄流量较大时，外侧水面过高，流速过大，水流集中于竖井外侧，这一方面会显著降低下泄水流的有效过流面积，影响竖井的下泄流量，降低竖井过流能力，另一方面，竖井水流局部流速过大，降低了竖井的整体消能效果，且对底部调蓄隧道水流的平稳过渡不利，从而可能对深层隧道系统的安全稳定运行造成不利影响。
因此，亟待解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种可改善竖井的内外侧水面差、均化旋流板上的流速和压强分布，同时提高消能效率和泄流能力的涡扇形分级跌落式竖井。
技术方案：为实现以上目的，本发明所述的一种涡扇形分级跌落式竖井，包括同心套设的竖井和排气管，在该竖井的内壁和排气管的外壁之间形成一环形区域；该环形区域的上端连接有进水渠，环形区域内自上而下等间距均布有若干个旋流板，环形区域下端连接有调蓄隧道接入口；所述旋流板包括扇叶形板，该扇叶形板的末端出流边为圆弧形，圆弧为顺水流向前侧弯曲；其中，位于首层的旋流板与进水渠相连接，每一层旋流板的尾端与下一层旋流板的首端在水平投影面上相接，并在环形区域内形成分级旋式水流通道。该竖井通过在竖井内布置多级旋流板，利用下跌水流的掺气作用和旋流板上水垫的紊动扩散作用，降低下泄水流的流速，在提高竖井消能效果的同时有效抑制竖井局部区域的空化空蚀。
其中，所述旋流板的首端垂直设有挡水板，该挡水板的高度低于相邻上下层旋流板之间的距离，或所述挡水板的上端与上一层旋流板相抵接。该竖井中的水流从进水渠流入首层旋流板内，沿着旋流板从旋流板末端出流边流出以自由下跌的形式流至下一层旋流板上，形成掺气水流，多余能量得以被消除；同时该扇叶形板结构的旋流板有效利用了竖井的内部空间，结构布置紧凑且空间利用率高。
优选的，所述相邻上下层旋流板之间的距离h为2m～6m。
进一步，所述旋流板的数量为n＝(H-h1-h2)/h+1，其中H为竖井深度，h1为首层旋流板底部到竖井顶部的距离，h2为底层旋流板底部到竖井底部的距离。
再者，所述旋流板的扇形包角α为60°≤α≤120°，该旋流板的圆弧出流边的圆弧半径R1为b≤R1≤2.5b，圆弧出流边外侧切向方向与竖井外侧圆周切线方向夹角β≥90°，圆弧出流边内侧和外侧径向角度差γ为30°≤γ≤90°。本发明采用圆弧形出流边，使得旋流板出流宽度加长，单位宽度过流量减小，从而有利于减小过流通道内的水深和流速，同时旋流板出流边向前侧弯曲，外侧的水流在向下层旋流板跌落过程中会向内侧倾斜，综合作用下，旋流板上的内外水面差有效减小，速度和压力分布得到有效均化。
进一步，所述旋流板底板可设计为外高内低的不等厚扇叶形板，并在旋流板上表面形成圆弧形面，该圆弧与旋流板内侧径向水平线相切，圆弧面半径R2为2b≤R2≤6b。当竖井入流流量较大时，旋流板上表面的圆弧形面使弯道内的水流获得一个指向圆心方向的重力分量，周向运动的水流获得一个指向圆心方向的加速度，使得旋流板上外侧的水流可以向内侧运动，从而抑制离心力作用的影响，均化旋流板上内外侧水流的水深，均化旋流板上的速度和压力分布。
再者，所述排气管上均布有若干个用于排除内部空气的通风孔，该通风孔位于上层旋流板和下层旋流板的挡水板之间。该分级跌落式旋流竖井内中间布置垂向排气管，周向布置多级环形旋流板，利用竖井垂直方向上的空间，达到了水流下泄和消能的目的，还兼顾了竖井排气的功能，且充分利用了竖井和排气管之间的有限空间。
优选的，所述竖井底部形成有缓冲水流冲刷的水垫层。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：首先该竖井中利用在竖井内布置多级旋流板，利用下跌水流的掺气作用和旋流板上水垫的紊动扩散作用，降低下泄水流的流速，在提高竖井消能效果的同时有效抑制竖井局部区域的空化空蚀；其次该竖井中的水流从进水渠流入首层旋流板内，沿着旋流板从旋流板末端出流边流出以自由下跌的形式流至下一层旋流板上，形成掺气水流，多余能量得以被消除；同时该扇叶形板结构的旋流板有效利用了竖井的内部空间，结构布置紧凑且空间利用率高；再者本发明采用圆弧形出流边，使得旋流板出流宽度加长，单位宽度过流量减小，从而有利于减小过流通道内的水深和流速，同时旋流板出流边向前侧弯曲，外侧的水流在向下层旋流板跌落过程中会向内侧倾斜，综合作用下，旋流板上的内外水面差有效减小，速度和压力分布得到有效均化；还有当竖井入流流量较大时，旋流板上表面的圆弧形面使弯道内的水流获得一个指向圆心方向的重力分量，周向运动的水流获得一个指向圆心方向的加速度，使得旋流板上外侧的水流可以向内侧运动，从而抑制离心力作用的影响，均化旋流板上内外侧水流的水深，均化旋流板上的速度和压力分布。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的纵截面示意图；
图3为图1的上层横截面示意图；
图4为图1的下层横截面示意图；
图5为本发明中旋流板出流边的几何参数示意图；
图6为本发明中旋流板上表面的几何参数示意图；
图7为本发明实施例1中旋流板上的速度和压力分布模拟结果；
图8为本发明实施例2中旋流板上的速度和压力分布模拟结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明的涡扇形分级跌落式竖井，包括竖井1和排气管2，该竖井1和排水管2相互同心套设，在该竖井1的内壁和排气管2的外壁之间形成一环形区域。该环形区域的上端连接有进水渠3，环形区域内自上而下等间距均布有若干个旋流板4，该扇形环板结构的旋流板有效利用了竖井的内部空间，结构布置紧凑且空间利用率高。上述环形区域下端连接有调蓄隧道接入口5。该分级跌落式竖井中利用在竖井内布置多级旋流板，利用下跌水流的掺气作用和旋流板上水垫的紊动扩散作用，降低下泄水流的流速，在提高竖井消能效果的同时有效抑制竖井局部区域的空化空蚀。
如图3、图4和图5所示，旋流板4包括扇叶形板，该扇叶形板的末端出流边为圆弧形，圆弧为顺水流向前侧弯曲；其中，位于首层的旋流板4与进水渠3相连接，每一层旋流板4的尾端与下一层旋流板4的首端在水平投影面上相接，并在环形区域内形成分级旋式水流通道。该分级跌落式竖井中的水流从进水渠流入首层旋流板内，沿着旋流板从旋流板尾端流出以自由下跌的形式流至下一层旋流板上，形成大量掺气，多余能量得以被消除。
如图2所示，相邻上下层旋流板4之间的距离为h，h取值为2m～6m，旋流板4的数量为n＝(H-h1-h2)/h+1，其中H为竖井深度，h1为首层旋流板底部到竖井顶部的距离，h2为底层旋流板底部到竖井底部的距离。
该扇叶形板的扇形包角α为60°≤α≤120°，该旋流板4的圆弧出流边的圆弧半径R1为b≤R1≤2.5b，圆弧出流边外侧切向方向与竖井外侧圆周切线方向夹角β≥90°，圆弧出流边内侧和外侧径向角度差γ为30°≤γ≤90°。本发明采用圆弧形出流边，使得旋流板出流宽度加长，单位宽度过流量减小，从而有利于减小过流通道内的水深和流速，同时旋流板出流边向前侧弯曲，外侧的水流在向下层旋流板跌落过程中会向内侧倾斜，综合作用下，旋流板上的内外水面差有效减小，速度和压力分布得到有效均化。
当竖井入流流量较大时，旋流板4可设置为外高内低的不等厚扇叶形板，并在旋流板4上表面形成圆弧形面，该圆弧与旋流板内侧径向水平线相切，圆弧面半径R2为2b≤R2≤6b。旋流板上表面的圆弧形面使弯道内的水流获得一个指向圆心方向的重力分量，周向运动的水流获得一个指向圆心方向的加速度，使得旋流板上外侧的水流可以向内侧运动，从而抑制离心力作用的影响，均化旋流板上内外侧水流的水深，均化旋流板上的速度和压力分布。
如图2所示，该扇叶形旋流板的首端垂直设有挡水板6，该挡水板6的高度低于相邻上下层旋流板4之间的距离，或所述挡水板6的上端与上一层旋流板4相抵接。
本发明的排气管2上均布有若干个用于排除内部空气的通风孔7，该通风孔7位于上层旋流板4和下层旋流板4的挡水板6之间。竖井1底部形成有缓冲水流冲刷的水垫层8。该分级跌落式竖井内中间布置垂向排气管，周向布置多级旋流板，利用竖井垂直方向上的空间，达到了水流下泄和消能的目的，还兼顾了竖井排气的功能，且充分利用了竖井和排气管之间的有限空间；特别适用于市政工程中大深度、自排气且入流竖井与调蓄隧道直接连通的深层隧道系统。
本发明的分级跌落式旋流竖井是根据某大型深层隧道系统工程设计。实施例中适用的深层隧道系统，其中竖井深度为55m，竖井入流流量按最大入流流量80m3/s设计，竖井直径为15m，调蓄隧道直径为9m。水流从竖井上层直接跌落时，竖井底部最大流速达25m/s左右，消能效果及抗空化能力较差。
实施例1
实施例1中涡扇形分级跌落式竖井的结构布置如图1、图2、图3、图4和图5所示，该分级跌落式旋流竖井包括竖井1、排气管2、进水渠3、旋流板4、调蓄隧道接入口5、挡水板6、通风孔7和水垫层8。其中旋流板4数量为9个。进水渠3与位于首层的旋流板4相连接，每一层旋流板4的尾端与下一层旋流板4的首端在水平投影面上相接，并在环形区域内形成分级旋式水流通道。旋流板4为等厚板片，内外侧底高程相等，旋流板4出流边为前侧弯曲的圆弧形。旋流板4首端垂直设有挡水板6，挡水板6高度低于相邻上下层旋流板4之间距离。排气管2上均布有若干个用于排除内部空气的通风孔7，该通风孔7位于上层旋流板4和下层旋流板4的挡水板6之间，竖井1底部形成水垫层8，竖井下端垂直连接有调蓄隧道接入口5。
实施例1中有关结构参数为：
进水渠3宽度B为6.0m，排气管2直径d1为5.0m，旋流板4的扇形包角α为120°，相邻上下层旋流板4距离h为5.0m，首层旋流板4底部距竖井1顶部距离h1为5.0m，底层旋流板4底部距竖井1底部距离h2为10.0m，水垫层8深度h3为0.5m，挡水板6高度h4为3.5m，出流边圆弧半径R1为8.0m，出流边内侧和外侧径向角度差γ为60°。
实施例2
实施例2中涡扇形分级跌落式竖井的结构布置如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，该分级跌落式旋流竖井包括竖井1、排气管2、进水渠3、旋流板4、调蓄隧道接入口5、挡水板6、通风孔7和水垫层8。其中旋流板4数量为9个。进水渠3与位于首层的旋流板4相连接，每一层旋流板4的尾端与下一层旋流板4的首端在水平投影面上相接，并在环形区域内形成分级旋式水流通道。旋流板4为具有圆弧形上表面的不等厚板片，外侧底高程高于内侧底高程，旋流板4出流边为前侧弯曲的圆弧形。旋流板4首端垂直设有挡水板6，挡水板6高度低于相邻上下层旋流板4之间距离。排气管2上均布有若干个用于排除内部空气的通风孔7，该通风孔7位于上层旋流板4和下层旋流板4的挡水板6之间，竖井1底部形成水垫层8，竖井下端垂直连接有调蓄隧道接入口5。
实施例2中有关结构参数为：
进水渠3宽度B为6.0m，排气管2直径d1为5.0m，旋流板4的扇形包角α为120°，相邻上下层旋流板4距离h为5.0m，首层旋流板4底部距竖井1顶部距离h1为5.0m，底层旋流板4底部距竖井1底部距离h2为10.0m，水垫层8深度h3为0.5m，挡水板6高度h4为3.5m，出流边圆弧半径R1为8.0m，出流边内侧和外侧径向角度差γ为45°，底板圆弧半径R2为25m。
数值模拟结果表明，如图7、图8所示，实施例竖井中的最大流速得到明显降低，竖井底部水垫层中的最大流速在12m/s左右，平均流速在6m/s左右，竖井总消能率在80％以上，消能效果显著。同时，各分级旋流板上的最大流速总体控制在15m/s以下，旋流板上速度分布、压强分布明显均化，水流集中于竖井外侧的现象显著改善。

Claims (8)

1.一种涡扇形分级跌落式竖井，其特征在于：包括同心套设的竖井(1)和排气管(2)，在该竖井(1)的内壁和排气管(2)的外壁之间形成一环形区域；该环形区域的上端连接有进水渠(3)，环形区域内自上而下等间距均布有若干个旋流板(4)，环形区域下端连接有调蓄隧道接入口(5)；所述旋流板(4)包括扇叶形板，该扇叶形板的末端出流边为圆弧形，圆弧为顺水流向前侧弯曲；其中，位于首层的旋流板(4)与进水渠(3)相连接，每一层旋流板(4)的尾端与下一层旋流板(4)的首端在水平投影面上相接，并在环形区域内形成分级旋式水流通道。
2.根据权利要求1所述的涡扇形分级跌落式竖井，其特征在于：所述旋流板(4)的首端垂直设有挡水板(6)，该挡水板(6)的高度低于相邻上下层旋流板(4)之间的距离，或所述挡水板(6)的上端与上一层旋流板(4)相抵接。
3.根据权利要求1所述的涡扇形分级跌落式竖井，其特征在于：所述相邻上下层旋流板(4)之间的距离h为2m～6m。
4.根据权利要求3所述的涡扇形分级跌落式竖井，其特征在于：所述旋流板(4)的数量为n＝(H-h1-h2)/h+1，其中H为竖井深度，h1为首层旋流板底部到竖井顶部的距离，h2为底层旋流板底部到竖井底部的距离。
5.根据权利要求1所述的涡扇形分级跌落式竖井，其特征在于：所述旋流板(4)的扇形包角α为60°≤α≤120°，该旋流板(4)的圆弧出流边的圆弧半径R1为b≤R1≤2.5b，圆弧出流边外侧切向方向与竖井外侧圆周切线方向夹角β≥90°，圆弧出流边内侧和外侧径向角度差γ为30°≤γ≤90°。
6.根据权利要求1所述的涡扇形分级跌落式竖井，其特征在于：所述旋流板(4)为外高内低的不等厚扇叶形板，并在旋流板(4)上表面形成圆弧形面，该圆弧与旋流板内侧径向水平线相切，圆弧面半径R2为2b≤R2≤6b。
7.根据权利要求1所述的涡扇形分级跌落式竖井，其特征在于：所述排气管(2)上均布有若干个用于排除内部空气的通风孔(7)，该通风孔(7)位于上层旋流板(4)和下层旋流板(4)的挡水板(6)之间。
8.根据权利要求1所述的涡扇形分级跌落式竖井，其特征在于：所述竖井(1)底部形成有缓冲水流冲刷的水垫层(8)。
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