CN107059810B - 双向对流分级跌落式消能竖井 - Google Patents
双向对流分级跌落式消能竖井 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种双向对流分级跌落式消能竖井，包括同心套设的竖井和排气管，在所述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，下端连接有调蓄隧道接入口；其中所述环形区域内自上而下等间距交错设有若干个跌落板，每一跌落板上竖直设有用于对称分隔该跌落板形成双流向的分流板。该双向对流分级跌落式消能竖井通过在竖井内布置多级跌落板，利用下跌双向水流的对冲作用、掺气作用和跌落板上水垫层的紊动扩散作用，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；同时分流板将水流一分为二，单位过流通道内的流量大幅减少，跌落板上的水位和流速降低，提高了竖井的消能效果。
Description
技术领域
本发明涉及排水工程技术领域，尤其涉及一种双向对流分级跌落式消能竖井。
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。现有的深层隧道系统入流竖井有直接跌落式、旋转滑道式、旋转阶梯式和折板跌落式等，直接跌落式竖井在跌落深度较大时，水流流速过大，通常不适宜采用；旋转滑道式竖井和旋转阶梯式竖井旋转流道内的水流内外水面差较大，显著影响竖井的泄流流量，且旋转滑道式竖井的消能效果通常不佳；折板跌落式竖井在小流量条件下水流的消能效果及防空化空蚀效果相对较好，且对大深度的竖井跌落有较好的适应性，但竖井过流通道占比通常较小，在下泄相同的流量条件下，需采用更大尺寸的竖井直径，空间利用率较低。目前，还尚未有针对调蓄隧道系统入流竖井结构布置的国家标准，设计一种结构简单，入流流量和跌水深度适应能力强，且能同时满足入流、消能和排气要求的竖井形式对调蓄隧道系统工程的安全、稳定运行具有重要的意义。
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入流量适应范围、提高消能效率和竖井空间利用率的双向对流分级跌落式消能竖井。
技术方案：为实现以上目的，本发明所述的一种双向对流分级跌落式消能竖井，包括同心套设的竖井和排气管，在所述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，下端连接有调蓄隧道接入口；其中所述环形区域内自上而下等间距交错设有若干个跌落板，每一跌落板上竖直设有用于对称分隔该跌落板形成双流向的分流板。该双向对流分级跌落式消能竖井中利用在竖井内布置多级跌落板，利用下跌双向水流的对冲作用、掺气作用和跌落板上水垫层的紊动扩散作用，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；同时分流板将水流一分为二，单位过流通道内的流量大幅减少，跌落板上的水位和流速降低，水流动能减小，进一步提高了竖井的消能效果。
其中，所述跌落板为一扇环形板，该扇环形板的两端形成两跌落口，相邻两层的扇环形板跌落口在水平投影面上相互交错设置；其中，位于首层的跌落板和分流板分别与进水渠相连接，水流从进水渠流入环形区域内，由首层跌落板和分流板分隔形成双向水流依次流向下一层跌落板，并在环形区域内形成双向对流分级跌落式水流。该双向对流分级跌落式消能竖井中的水流从进水渠流入首层跌落板内，沿着跌落板从两跌落口分别流出以自由下跌的形式流至下一层跌落板上，形成掺气水流，大量能量得以消除；同时该结构形式的跌落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，所述相邻上下层跌落板之间的距离h为3m～6m。
进一步，所述跌落板的数量为n＝(H-h1-h2)/h+1，其中H为竖井深度，h1为首层跌落板底部到竖井顶部的距离，h2为底层跌落板底部到竖井底部的距离。
再者，所述跌落板的扇形包角2α为240°≤2α≤300°，该跌落板上两跌落口之间的角度β为60°≤β≤120°，且2α+β＝360°。
进一步，所述首层分流板的顶高程与竖井顶高程平齐，其余分流板的高度低于相邻上下层跌落板之间的距离。该分流板的高度在保障稳定分隔跌落板两侧水流的同时还需避免因过高而影响下跌水流的对冲作用。
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，该通风孔位于相邻上下层跌落板之间，且偏向上层跌落板。该双向对流分级跌落式消能竖井内中间布置垂向排气管，周向布置多级扇环形跌落板，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，增设的通风孔兼顾了竖井排气的功能，且充分有效利用了竖井和排气管之间的有限空间，同时该通风孔距下层跌落板的距离应保障跌落板上的水流不从通风孔溢出。
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：首先该双向对流分级跌落式消能竖井中利用在竖井内布置多级跌落板，利用下跌双向水流的对冲作用、掺气作用和跌落板上水垫层的紊动扩散作用，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；同时分流板将水流一分为二，单位过流通道内的流量大幅减少，跌落板上的水位和流速降低，水流动能减小，进一步提高了竖井的消能效果；其次该双向对流分级跌落式消能竖井中的水流从进水渠流入首层跌落板内，沿着跌落板从跌落板两跌落口分别流出以自由下跌的形式流至下一层跌落板上，形成掺气水流，大量能量得以消除；同时该双向对流分级跌落式消能竖井内中间布置垂向排气管，周向布置多级扇环形跌落板，充分利用了竖井垂直方向上的空间，达到了水流下泄和消能的目的，且兼顾了竖井排气的功能，扇环形跌落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。
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为本发明中首层跌落板处的横截面示意图；
图4为本发明中第二层跌落板处的横截面示意图；
图5(a)为本发明中水流从跌落板下泄过程的侧向水流流态数值模拟结果；
图5(b)为本发明中水流从跌落板下泄过程的正向水流流态数值模拟结果；
图6为本发明中跌落板和分流板上的流速矢量数值模拟结果。
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，本发明的双向对流分级跌落式消能竖井，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，下端连接有调蓄隧道接入口4。上述环形区域内自上而下等间距交错设有若干个跌落板5，，每一跌落板5上竖直设有用于对称分隔该跌落板5形成双流向的分流板6。该双向对流分级跌落式消能竖井中利用在竖井内布置多级跌落板，利用下跌双向水流的对冲作用、掺气作用和跌落板上水垫层的紊动扩散作用，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；同时分流板将水流一分为二，单位过流通道内的流量大幅减少，跌落板上的水位和流速降低，水流动能减小，进一步提高了竖井的消能效果。
如图3和图4所示，上述跌落板5为一扇环形板，该扇形环板的两端形成两跌落口，相邻两层的扇环形板跌落口在水平投影面上相互交错设置；其中，位于首层的跌落板5和分流板6分别与进水渠3相连接，底层跌落板5高程高于调蓄隧道入口4顶高程。水流从进水渠3流入环形区域内，由首层跌落板5和分流板6分隔形成双向水流依次流向下一层跌落板5，并在环形区域内形成双向对流分级跌落式水流。该双向对流分级跌落式消能竖井中的水流从进水渠流入首层跌落板内，沿着跌落板从两跌落口分别流出以自由下跌的形式流至下一层跌落板上，形成掺气水流，大量能量得以消除；同时该扇环形跌落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。其中，跌落板5的扇形包角2α为240°≤2α≤300°，该跌落板5上两跌落口之间的角度β为60°≤β≤120°，且2α+β＝360°。
相邻上下层跌落板5之间的距离为h，h取值为3m～6m。跌落板5的数量为n＝(H-h1-h2)/h+1，其中H为竖井深度，h1为首层跌落板底部到竖井顶部的距离，h2为底层跌落板底部到竖井底部的距离。
如图3所示，首层分流板6的顶高程与竖井1顶高程平齐，其余分流板6的高度低于相邻上下层跌落板5之间的距离。该分流板的高度在保障稳定分隔跌落板两侧水流的同时还需避免因过高而影响下跌水流的对冲作用。
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位于相邻上下层跌落板5之间，且偏向上层跌落板5。竖井1底部形成有缓冲水流冲刷的水垫层8，每一层跌落板5上均形成有缓冲水流冲刷的水垫层8。该双向对流分级跌落式消能竖井内中间布置垂向排气管，周向布置多级扇环形跌落板，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，增设的通风孔兼顾了竖井排气的功能，且充分有效利用了竖井和排气管之间的有限空间，同时该通风孔距下层跌落板的距离应保障跌落板上的水流不从通风孔溢出；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。
本发明的双向对流分级跌落式消能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H为55m，竖井入流流量Q按最大入流流量80m3/s设计，竖井直径D为15m，调蓄隧道直径d2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
实施例中双向对流分级跌落式消能竖井的结构布置如图1、图2、图3所示，该双向对流分级跌落式消能竖井包括竖井1、排气管2、进水渠3、调蓄隧道接入口4、跌落板5、分流板6、通风孔7和水垫层8。其中跌落板4数量为6个。位于首层的跌落板5和分流板6分别与进水渠3相连接，底层跌落板5高程高于调蓄隧道入口4顶高程。首层分流板6的顶高程与竖井1顶高程平齐，其余分流板6的高度低于相邻上下层跌落板5之间的距离。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位于相邻上下层跌落板5之间，通风孔7距下层跌落板5的距离为5.5m。竖井1底部形成有缓冲水流冲刷的水垫层8，每一层跌落板5上均形成有缓冲水流冲刷的水垫层8。竖井下端垂直连接有调蓄隧道接入口4。
实施例中有关结构参数为：
进水渠3宽度B为6.0m，排气管2直径d1为5.0m，跌落板5的扇形包角2α为300°，跌落板5上两跌落口之间的角度β为60°；相邻上下层跌落板5距离h为8.0m，首层跌落板5底部距竖井1顶部距离h1为5.0m，底层跌落板5底部距竖井1底部距离h2为10.0m，跌落板厚度为0.5m，水垫层8深度h3为0.5m，分流板6高度h4为2.5m。
数值模拟结果表明，如图5(a)、图5(b)和图6所示，竖井中的最大流速均得到了明显降低，竖井底部水垫层中的最大流速在10m/s左右，平均流速在4m/s左右，竖井总消能率在85％以上，消能效果显著。同时，各分级跌落板及分流板上的最大流速总体控制在12m/s以下，跌落板上几乎无负压区域，仅在分流板上留存小范围低压区，这对提高竖井的抗空化空蚀能力、增强跌落板的结构稳定性等均较为有利。
实施例的竖井中的水流下泄及空气排放顺畅，较好的满足了深层隧道系统入流和排气的要求。
Claims (6)
1.一种双向对流分级跌落式消能竖井，其特征在于：包括同心套设的竖井(1)和排气管(2)，在所述竖井(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)，下端连接有调蓄隧道接入口(4)；其中所述环形区域内自上而下等间距交错设有若干个跌落板(5)，每一跌落板(5)上竖直设有用于对称分隔该跌落板(5)形成双流向的分流板(6)，首层分流板(6)的顶高程与竖井(1)顶高程平齐，其余分流板(6)的高度低于相邻上下层跌落板(5)之间的距离；所述跌落板(5)为一扇环形板，该扇环形板的两端形成两跌落口，相邻两层的扇环形板跌落口在水平投影面上相互交错设置；其中，位于首层的跌落板(5)和分流板(6)分别与进水渠(3)相连接，水流从进水渠(3)流入环形区域内，由首层跌落板(5)和分流板(6)分隔形成双向水流依次流向下一层跌落板(5)，并在环形区域内形成双向对流分级跌落式水流。
2.根据权利要求1所述的双向对流分级跌落式消能竖井，其特征在于：所述相邻上下层跌落板(5)之间的距离h为3m～6m。
3.根据权利要求2所述的双向对流分级跌落式消能竖井，其特征在于：所述跌落板(5)的数量为n＝(H-h1-h2)/h+1，其中H为竖井深度，h1为首层跌落板底部到竖井顶部的距离，h2为底层跌落板底部到竖井底部的距离。
4.根据权利要求1所述的双向对流分级跌落式消能竖井，其特征在于：所述跌落板(5)的扇形包角2α为240°≤2α≤300°，该跌落板(5)上两跌落口之间的角度β为60°≤β≤120°，且2α+β＝360°。
5.根据权利要求1所述的双向对流分级跌落式消能竖井，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)位于相邻上下层跌落板(5)之间，且偏向上层跌落板(5)。
6.根据权利要求1所述的双向对流分级跌落式消能竖井，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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