CN107401147B - 一种环形多级自由跌落式消能竖井 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环形多级自由跌落式消能竖井，所述内井与外井之间沿垂向交错布置有多个水平跌落层，构成环形多级交错式下泄通道，除顶层而外的其他各水平跌落层均设置有两个弧形跌落板，且沿消能竖井轴线呈旋转中心对称分布，弧形跌落板两侧出水端设有尾坎，在弧形跌落板下部内井壁上开有通气孔；本发明所提出的消能竖井实现了对流入深层隧道排水系统的水流进行有效的分流和逐级消能，提高了消能竖井的过流能力和底部出流的稳定性，同时消能竖井具备良好的防空化和排气效果。本发明结构简单、施工方便，消能效果显著，流量工况适应范围广，可在深层隧道排水系统工程中推广应用。
Description
技术领域
本发明属于市政排水工程技术领域，具体涉及一种环形多级自由跌落式消能竖井。
背景技术
近年来，内涝及其引发的水体溢流污染等灾害问题愈发突出，成为制约城市化发展建设进程的重要阻碍。深层隧道排水系统能够充分利用城市地下空间进而显著提高城市的排洪能力，可有效解决上述难题；同时深层隧道排水系统还具有占地面积小、主体部分埋深大、几乎不会影响地面建设等优点，目前越来越受到重视，特别是在我国城市排水系统工程的建设中拥有十分巨大的推广应用潜力。竖井是深层隧道排水系统中的重要组成部分，地面浅层的涝水主要通过竖井流入到深层隧道管路中。但由于竖井较深(深则可超过40m)，若水流直接跌入竖井底部，会产生强烈的振动、噪声甚至空化空蚀，同时流入深隧管道系统的水流容易掺入大量气体，进而影响深层隧道系统的运行稳定性和安全性。因此，竖井在起到消能作用的同时，还需具备良好的防空化和排气效果；另外，随着城市防洪要求的逐步提高，竖井设计时对流量适应范围广的要求也相应提高。
为了对流入深层隧道排水系统的水流实现消能、防空化和排气作用效果，已有部分专利提出了相应的竖井结构形式。授权实用新型专利201620104789.X提出了一种台阶旋转泄水道竖井，通过在环形泄水道内设有环绕排气通道的泄水台阶，利用台阶之间的三角区漩涡旋滚、漩涡掺气和水流表面的自掺气，以进行消能和防止空化空蚀破坏。但是该专利所提的台阶旋转泄水道竖井对于流量适应能力较低，尤其是在流量较大时，容易造成下泄水流集中于竖井外侧，降低了有效过流断面面积而影响竖井的过流能力，并且水流流速分布不均将影响消能效果。授权实用新型专利201520263296.6提出了一种竖井消能结构，采用的是折板式结构体型，其对水流的下泄流量适应性较好且消能效果较优。但是折板式消能对于竖井直径和挡板间距有较高要求，结构参数偏差过大会导致折板式消能效率降低，能量累加，流速逐渐加大，跌落点外移进而形成贴壁流，消能效果无法满足设计要求。因此，目前急需一种具有良好的消能、排气、防空化特性，以及流量适应范围广、结构形式简单的竖井，以更好地满足深层隧道排水系统使用的要求。
发明内容
本发明的目的是针对现有竖井存在的不足，提出一种环形多级自由跌落式消能竖井，不仅起到良好的消能、排气效果，同时可以更好的分流，降低下泄水流流速以预防空化的发生以及满足流量适应范围广的使用要求。
为实现本发明的目的，采用如下技术方案：
一种环形多级自由跌落式消能竖井，包括同轴设置的内井和外井，外井、内井均为圆筒形结构，外井设置于内井外部，内井的上端与外井的上端齐平，内井的下端与外井的下端齐平；外井的顶部连接有进水管涵，贯穿底部的外井和内井设置有两个深层隧道排水管道；其特征是：内井底部井壁上对称开设有两个进水孔，两个进水孔垂直于深层隧道排水管道，进水孔高度h6为(0.2～1)h，在内井壁圆周方向的开度为45°～90°；所述外井的口径为D，所述内井的口径d为(0.3～0.8)D；
所述内井与外井之间沿垂向交错布置有N个水平跌落层，N≥2，构成环形多级交错式下泄通道，除顶层而外的其他各水平跌落层均设置有两个弧形跌落板，且沿消能竖井轴线呈旋转中心对称分布，相邻两层弧形跌落板之间的间距为h，且满足h＜10米，相邻两层弧形跌落板呈垂直交错布置，所述弧形跌落板厚度h3为(0.03～0.15)h；
第一水平跌落层设置有一个弧形跌落板，该弧形跌落板设置在距外井顶部向下距离为h1处，与进水管涵的高程相同，第一层的弧形跌落板的包角为θ1，底层弧形跌落板的包角为θ3，中间层弧形跌落板的包角均为θ2；进水管涵于外井的进水口处、在第一层弧形跌落板上垂直设置有分流墩，分流墩正对进水管涵的中心；
底层弧形跌落板与消能竖井底部之间高程为h2且满足h2＜10m，所述消能竖井的高程H满足H＝h1+(N-1)×h+N×h3+h2。
本发明所述垂向布置的弧形跌落板相邻两层间距h满足h＜10m，以避免下泄水流产生空化问题，同时相邻两层弧形跌落板呈垂直交错布置，使得下泄水流形成往返的水流流态，增加了沿程损失，从而更好地对其进行消能；所述消能竖井内最底层弧形跌落板与竖井底部之间高程h2满足h2＜10m，以避免下泄水流发生空化和降低其对竖井底部的冲击；所述弧形跌落板厚度h3为(0.03～0.15)h，h3过小则其结构强度偏低、过大则占用入流水流的容积。
具体地，所述第一层弧形跌落板包角θ1的计算公式为：
θ1＝180°-(κh1/πD)×360°，其中κ取值范围为(0,1)，可以保证水流落到下一层U型跌落板的中间处；中间各层弧形跌落板数量为2且沿消能竖井轴线呈旋转中心对称分布，从而进一步对水流进行分流，其中单个弧形跌落板的包角θ2的计算公式为θ2＝180°-(γh/πD)×360°，其中γ取值范围为(0.2,1)，以保障同一层两侧弧形跌落板水流对冲并跌落在下层弧形跌落板的中心附近；消能竖井最底层弧形跌落板数量为2且单个弧形跌落板的包角θ3的计算公式为θ3＝120°-(μh2/πD)×360°，其中μ取值范围为(0,1)，以方便布置在深层隧道底部管路系统两侧的水垫层上部。
优选地，除第一层的弧形跌落板外，其他层的弧形跌落板两侧出水端设有尾坎，尾坎断面为矩形，高度h4为(0.05～0.2)h、宽度b为(0.05～0.1)h，可以在每层弧形跌落板上形成一定厚度的水垫层，对下跌水流起到较为充分的消能效果；所述弧形跌落板下部的内井壁上开有通气孔，以利于每一层弧形跌落板上的多余气体的排出，所述通气孔垂直高度h5为(0.04～0.2)h，在内壁圆周方向的开度为10°～30°，通气孔尺寸过小会影响通气效果、尺寸过大容易造成水流的溢出。
水经水管涵进入外、内井之间，经N个螺旋交错式水平跌落层，逐层跌落至外井底部，通过内井的两个进水孔进入内井中，再通过与内井连通的两个深层隧道排水管道排出竖井外，水流经内井的两个进水孔间接进入深层隧道管道中，可避免大量气体被携带入深层隧道的管道系统中。深层隧道排水管道的进水口位于内井中，深层隧道排水管道位于内、与外井之间的两侧与内、外井之间形成水垫层，水流从最底层的两个弧形跌落板跌入水垫层能起到良好的消能效果；且最底层的两个弧形跌落板位于内井两个进水孔的上方，水从最底层的两个弧形跌落板掉入水垫层后顺利通过进水孔进入内井中。
具体地，所述进水管涵、外井、内井、分流墩、弧形跌落板、尾坎均为钢筋混凝土结构。
本发明的有益效果是：
本发明所述的一种环形多级自由跌落式消能竖井，能够对流入深层隧道排水系统的水流进行有效的分流、消能以及排气，可以避免空化的产生、降低水流对结构的冲击、显著提高竖井的过流能力、满足流量适应范围广的使用要求，以及避免竖井底部入流携带大量的气体，进而有利于保障深层隧道排水系统运行的稳定性。
本发明结构简单、施工方便，消能、防空化及排气，效果显著，流量工况适应范围广，可在深层隧道排水系统工程中推广应用。
附图说明
图1是本发明提出的竖井立体结构示意图；
图2是本发明提出的竖井剖面结构尺寸示意图；
图3是本发明实施例1的结构剖面图；
图4是本发明实施例1的各水平跌落层结构尺寸图，其中4a-4f分别显示了第一层到第六层各水平跌落层的结构，4g显示了过流通道的结构；
图5是本发明实施例2的结构剖面图；
图6是本发明实施例2的各水平跌落层结构尺寸图，其中6a-6f分别显示了第一层到第六层各水平跌落层的结构，6g显示了过流通道的结构；
图7是本发明实施例3的结构剖面图；
图8是本发明实施例3的各水平跌落层结构尺寸图，其中8a-8g分别显示了第一层到第七层各水平跌落层的结构，8h显示了过流通道的结构；
图9是本发明实施例1的水流下落效果图；
图10是本发明实施例2的水流下落效果图；
图11是本发明实施例3的水流下落效果图。
图中：进水管涵1、外井2、内井3、分流墩4、弧形跌落板5、尾坎6、深层隧道排水管道7、水垫层8、进水孔9、通气孔10。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明加以详细描述。
如图1和图2所示，一种环形多级自由跌落式消能竖井，包括同轴设置的内井3和外井2，外井2、内井3均为圆筒形结构，外井2设置于内井3外部，所述外井2的口径为D，所述内井3的口径d为(0.3～0.8)D，内井的上端与外井2的上端齐平，内井的下端与外井2的下端齐平；外井的顶部连接有进水管涵1，贯穿底部的外井和内井设置有两个深层隧道排水管道7；
所述内井3与外井2之间沿垂向交错布置有多个水平跌落层，构成环形多级交错式下泄通道，除顶层而外的其他各水平跌落层均设置有两个弧形跌落板5，且沿消能竖井轴线呈旋转中心对称分布，相邻两层弧形跌落板之间的间距为h，且满足h＜10米，相邻两层弧形跌落板呈垂直交错布置，所述弧形跌落板厚度h3为(0.03～0.15)h；
第一水平跌落层设置有一个弧形跌落板，该弧形跌落板设置在距外井2顶部向下距离为h1处，与进水管涵1的高程相同，第一层的弧形跌落板的包角为θ1，底层弧形跌落板的包角为θ3，中间层弧形跌落板的包角均为θ2；进水管涵于外井的进水口处、在第一层弧形跌落板上垂直设置有分流墩4，分流墩4正对进水管涵1的中心；
第一层的弧形跌落板5的包角θ1的计算公式为：
θ1＝180°-(κh1/πD)×360°，其中κ取值范围为(0,1)；
中间各层的弧形跌落板的包角θ2的计算公式为：θ2＝180°-(γh/πD)×360°，其中γ取值范围为(0.2,1)；
底层的弧形跌落板的包角θ3的计算公式为：
θ3＝120°-(μh2/πD)×360°，其中μ取值范围为(0,1)；
底层弧形跌落板与消能竖井底部之间高程为h2且满足h2＜10m，所述消能竖井的高程H满足H＝h1+(N-1)×h+N×h3+h2。
如图2，在弧形跌落板5两侧出水端设有尾坎6，尾坎6垂直断面为矩形，高度h4为(0.05～0.2)h、宽度b为(0.05～0.1)h；所述弧形跌落板5下部在内井3壁面上开有通气孔10，通气孔10垂直高度h5为(0.04～0.2)h，在内壁圆周方向的开度为10°～30°。
如图2，所述内井3底部部分与深层隧道排水管道7相通，同时在另外两侧与外井之间的内井底部区域为水垫层8；所述内井3底部对称开有垂直于深层隧道排水管道7的进水孔9，进水孔9的高度h6为(0.2～1)h，圆周方向的开度为45°～90°。
水经水管涵进入外、内井之间，经N个螺旋交错式水平跌落层，逐层跌落至外井底部，通过内井的两个进水孔进入内井中，再通过与内井连通的两个深层隧道排水管道排出竖井外。
实施例1
本实施所述的一种环形多级自由跌落式消能竖井，其布置参照如图1、图3、图4及图4a-4g所示，竖井深度H＝42.5m；外井2的口径D为30m，其下部与管径为10m的深层隧道管道系统相连，内井3的口径为16m；外井2与内井3之间沿垂向交错布置6层弧形跌落板，构成环形多级交错式下泄通道；
第一层设置有一个弧形跌落板，且在其上中间位置设有分流墩4，分流墩4正对进水管涵1的中心；第一层弧形跌落板与外井2顶部的距离为h1＝5.4m，与进水管涵1的高程相同；内、外井之间垂向均匀设置的相邻两层弧形跌落板的间距为h＝5.4m，且相邻两层弧形跌落板呈垂直交错布置；最底层弧形跌落板与消能竖井底部之间高程为h2＝6.5m；弧形跌落板5的厚度h3＝0.6m；所述第一层的弧形跌落板的包角为160°；中间各层的弧形跌落板数量为2且沿消能竖井轴线呈旋转中心对称分布，单个弧形跌落板的包角为160°；消能竖井最底层弧形跌落板数量为2且单个弧形跌落板的包角为90°；在弧形跌落板5两侧出水端设有尾坎6，尾坎6垂直断面为矩形，高度h4＝0.5m，宽度b＝0.5m；在第一层弧形跌落板下部在内井壁上开有4个通气孔，第二层至第四层弧形跌落板下部在内井壁上开有6个通气孔，在第五层弧形跌落板下部在内井壁上开有4个通气孔，所有通气孔均为对称式布置，并且前四层弧形跌落板下部的通气孔高度均为0.5m、在内壁圆周方向的开度为20°；第五层弧形跌落板下部的通气孔高度是1.0m、在内壁圆周方向的开度为20°；进水孔9的高度为4m，圆周方向的开度为60°。所述进水管涵1、外井2、内井3、分流墩4、弧形跌落板5、尾坎6均为钢筋混凝土结构。
实施例2
本实施所述的一种环形多级自由跌落式消能竖井，在外井2与内井3之间沿垂向交错布置6层弧形跌落板，构成环形多级交错式下泄通道；其布置参照如图1、图5、图6及图6a-6g所示，实施例2与实施例1不同之处在于：第一层的弧形跌落板沿逆时针旋转了45°(自顶向往下看)，最底层的2个弧形跌落板均封住了一侧且两者是关于竖井中轴线的旋转中心对称，下泄水流仅从各自分另一侧下落至水垫层，且单个弧形跌落板的包角为135°；在第一层弧形跌落板下部在内井壁上开有2个通气孔，第二层至第四层弧形跌落板下部在内井壁上开有4个通气孔，在第五层弧形跌落板下部在内井壁上开有2个通气孔。
实施例3
本实施所述的一种环形多级自由跌落式消能竖井，外井2与内井3之间沿垂向交错布置7层弧形跌落板，构成环形多级交错式下泄通道；其布置参照如图1、图7、图8及图8a-8h所示，实施例3与实施例2不同之处在于：外井2与内井3之间沿垂向交错布置7层弧形跌落板，第一层弧形跌落板与外井2顶部的距离为h1＝4.4m，相邻两层弧形跌落板之间的距离为h＝5m；在第一层弧形跌落板下部在内井壁上开有2个通气孔，第二层至第五层弧形跌落板下部在内井壁上开有4个通气孔，在第六层弧形跌落板下部在内井壁上开有2个通气孔；在前五层弧形跌落板下部的通气孔高度是0.5m、第六层弧形跌落板下部的通气孔高度是1.0m。
图9、图10和图11所示的是利用CFD模拟方法对环形多级自由跌落式消能竖井的三个实施例进行数值模拟，计算的流量工况均为80m3/s，结果表明：实施例1、2、3竖井中的下泄水流的流速较低，消能效果明显，竖井中的排气效果显著，竖井底部入流较稳定，不会携带多余的气体进入深层隧道管道系统中，能够较好的满足深层隧道排水系统的各项使用要求。
上述三种实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种环形多级自由跌落式消能竖井，包括同轴设置的内井和外井，外井、内井均为圆筒形结构，外井设置于内井外部，内井的上端与外井的上端齐平，内井的下端与外井的下端齐平；外井的顶部连接有进水管涵，贯穿底部的外井和内井设置有两个深层隧道排水管道；其特征是：内井底部井壁上对称开设有两个进水孔，两个进水孔垂直于深层隧道排水管道；所述外井的口径为D，所述内井的口径d为(0.3～0.8)D；
所述内井与外井之间沿井深方向设置有N个水平跌落层，N≥2，沿井深方向自上而下依次为第一层、第二层…第N层，除第一层而外的其他各水平跌落层均设置有两个弧形跌落板，且沿消能竖井轴线呈旋转中心对称分布，相邻两层弧形跌落板之间的间距为h，且满足h＜10米，相邻两层弧形跌落板呈垂直交错布置，构成环形多级交错式下泄通道，所述弧形跌落板厚度h3为(0.03～0.15)h；
第一水平跌落层设置有一个弧形跌落板，该弧形跌落板设置在距外井顶部向下距离为h1处，与进水管涵的高程相同，第一层的弧形跌落板的包角为θ1，底层弧形跌落板的包角为θ3，中间层弧形跌落板的包角均为θ2；在第一层弧形跌落板上垂直设置有分流墩，分流墩位于进水管涵的出水口处、且正对进水管涵的中心设置；
底层弧形跌落板与消能竖井底部之间高程为h2且满足h2＜10m，消能竖井的高程H满足H＝h1+(N-1)×h+N×h3+h2；
水经水管涵进入外、内井之间，经N个螺旋交错式水平跌落层，逐层跌落至外井底部，通过内井的两个进水孔进入内井中，再通过与内井连通的两个深层隧道排水管道排出竖井外。
2.根据权利要求1所述的一种环形多级自由跌落式消能竖井，其特征是：
所述第一层弧形跌落板的包角θ1的计算公式为：
θ1＝180°-(κh1/πD)×360°，其中κ取值范围为(0,1)；
中间各层弧形跌落板的包角θ2的计算公式为：θ2＝180°-(γh/πD)×360°，其中γ取值范围为(0.2,1)；
底层弧形跌落板的包角θ3的计算公式为：
θ3＝120°-(μh2/πD)×360°，其中μ取值范围为(0,1)。
3.根据权利要求1所述的一种环形多级自由跌落式消能竖井，其特征是：除第一层外的各层弧形跌落板两侧出水端均设有尾坎，尾坎断面形状为矩形，该矩形高度h4为(0.05～0.2)h、宽度b为(0.05～0.1)h。
4.根据权利要求1所述的一种环形多级自由跌落式消能竖井，其特征是：位于每层弧形跌落板之间的内井壁上开有通气孔，通气孔距离下层弧形跌落板的垂直高度h5为(0.04～0.2)h，在内井壁圆周方向的开度为10°～30°。
5.根据权利要求3所述的一种环形多级自由跌落式消能竖井，其特征是：所述进水管涵、外井、内井、分流墩、弧形跌落板、尾坎均为钢筋混凝土结构。
6.根据权利要求1所述的一种环形多级自由跌落式消能竖井，其特征是：所述内井上的进水孔高度h6为(0.2～1)h，在内井壁圆周方向的开度为45°～90°。
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