CN108252390B - 一种降低城市深层排水系统气爆强度的入流竖井 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低城市深层排水系统气爆强度的入流竖井，由环形喇叭口、圆筒、筒壁气孔、气孔圆环、隔板和通气孔等组成。当挟带大量截留气团的水流由排水管道流入入流竖井时，环形喇叭口导气至竖井和圆筒之间的夹层，交错布置的气孔圆环充分分割大气团，可以有效地缓解入流竖井间歇性剧烈浪涌；分割后的气泡部分从夹层排出，另一部分通过筒壁气孔进入圆筒，可以大大缓解夹层排气压力；气泡沿圆筒内壁上升，筒壁布置隔板，各层隔板上的通气孔两两交错布置，可以有效地避免气泡重新聚合成大气团，同时降低气泡上升速度，大大缓解圆筒排气压力，改善排水管道入流竖井的气爆现象。

Description

一种降低城市深层排水系统气爆强度的入流竖井

技术领域

本发明涉及城市防汛技术领域，具体涉及一种用于改善气爆现象的排水管道入流竖井装置，适用于带有入流竖井的城市排水管道。

背景技术

随着我国城市化进程的加快，传统城市建设模式带来的内涝频发、径流污染加剧、水资源流失、水生态环境恶化等突出雨水问题，已成为制约社会发展的限制性因素之一。在环境承载能力日益饱和的今天，建设 “海绵城市”成为当今我国社会发展的必然需求。针对城市中心城区水面率低、建筑密度高、地下管线错综复杂、人口密集和防汛安全压力大等特点，采用大型排水隧道，作为托底工程，辅以源头径流控制，成为解决城市内涝以及初雨污染的有效手段。

深层排水系统是一种解决城市内涝的大型地下调蓄工程，通常由入流竖井、深层隧道、通风排气设施、除渣排泥设施、排水泵组等部分组成。发生暴雨情况下，大量雨污水通过多个入流竖井持续进入隧道，可能会挟带大量气体，隧道内水流逐渐由明流状态转变为有压状态，加之挟带进去的气体若无法及时排除，将会在隧道中出现明满流现象并产生截留气团，管道水流从单一液相转变为水气两相流，使得管道内的流态变得极为复杂，而管道内的气腔迁移、明满流交替又会导致管道内压力波动。大量截留气团随水流移动，当到达入流竖井出口时，气腔在浮力作用下向上漂浮，有压气腔突然释放，形成剧烈间歇性的气爆浪涌现象，并带动入流竖井内水体上升，造成入流竖井内部水位大幅度的波动，水体和气腔在竖井口处集中释放并形成了气爆，对隧道及入流竖井结构产生破坏。

竖井是排水系统重要的入流设施，将水流从地表输送至底部隧道内，排出空气的同时消耗水流能量，竖井最理想的运行状态，应是保证进气量最小化的同时，最大化竖井的输水能力。普通的竖井结构中竖井为水流和空气共用流通通道，这样的设计结构虽然雨污水入流面积大，但没有对截留气团设任何防护措施，易导致气爆浪涌现象的发生，同时经国外学者研究发现，隧道内气泡不仅来源于雨污水入流挟带，还能够通过其他方式产生，如空气流通通道直径较小、空气流通通道位置不正确、水气界面崩溃等，因此普通的竖井易发生气爆现象。

针对现有技术中入流竖井结构形式所存在的难以同时满足暴雨期雨污入流能力和改善气爆现象的不足。如何在满足暴雨期竖井雨污入流能力的同时，改善大量截留气团在入流竖井处产生剧烈间歇性的气爆浪涌现象，确保排水系统安全、可靠运行，设计一种新的竖井形式，在满足竖井入流能力的情况下，通过对截留气团的处理有效地改善气爆现象，就成为亟待解决的技术问题。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种改善气爆现象的深层隧道入流竖井装置：圆筒和气孔圆环联合布置的形式，通过充分分割大气团和降低挟气水流上升速度，来改善入流竖井气爆现象。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种改善气爆现象的排水管道入流竖井装置，包括安装在竖井内的圆筒以及竖井和圆筒之间夹层，所述圆筒具有导气的喇叭口以及缓解气爆浪涌的隔板，所述夹层安装用于改善气爆现象的气孔圆环。

具体地，所述环形喇叭口为导气装置，由所述圆筒底端延伸至排水管道，弧长为1/4排水管道内径。挟气水流经喇叭口流入夹层。

具体地，所述竖井和圆筒之间套设支撑圆环，用于固定圆筒，所述支撑圆环、圆筒和竖井底部平齐。

具体地，所述支撑圆环布置一圈气孔，挟气水流由所述气孔流入夹层，一定程度上可以将大截留气团分割成较小的气团。

具体地，所述夹层共安装3层气孔圆环，可以使截留气团充分分割，避免气泡重新聚合成气腔。所述气孔圆环自下而上的编号，即：1^#～3^#，并给定所述气孔圆环和所述支撑圆环的内外径：

圆环外径=入流竖井直径

圆环内径=圆筒直径

圆筒直径=1/2*入流竖井直径

具体地，所述1^#和3^#气孔圆环固定在圆筒外壁，所述2^#气孔圆环固定在竖井内壁，1^#～3^#气孔圆环每一层呈45°夹角向上倾斜，可以降低挟气水流上升速度，有效地缓解夹层内涌浪波动。

具体地，所述1^#～3^#气孔圆环各层气孔之间两两交错布置，避免气泡上升速度过快产生剧烈波动。

具体地，所述1^#～3^#气孔圆环设置两圈错开的小圆孔，进一步分割气团，改善由气腔在竖井口处集中释放引起的气爆现象。

具体地，所述圆筒底部与入流竖井底部平齐，顶部略低于入流竖井顶部。

具体地，所述圆筒边壁在气孔圆环两两之间共布置2组筒壁气孔。所述筒壁气孔是在圆筒边壁环绕布置，每组布置两排。夹层中部分小气泡通过所述筒壁气孔进入圆筒，可以减轻夹层排气压力。

具体地，所述隔板环绕圆筒内壁布置，共布置3组每组两排隔板，每组位于圆筒内壁小气孔两两之间，所述隔板布置一个通气孔，每排通气孔孔口交错布置，可避免圆筒内的小气泡重新聚集，同时降低圆筒内气团上升速度，改善圆筒气爆浪涌。

本发明同时提供上述改善气爆现象的排水管道入流竖井装置的工作方法，其特征在于：在暴雨情况下，排水管道内截留气团随水流移动，管道及入流竖井压力及浪涌变化，在环形喇叭口的作用下，截留气团随雨污水流入夹层；在夹层处，气孔圆环将截留气团分割成气泡，并降低挟气水流上升速度，改善由水体和气腔在竖井口处集中释放形成的气爆浪涌；

当圆筒中水面上升时，夹层中的部分气泡通过筒壁气孔进入筒内，沿圆筒内壁上升运动，在隔板的作用下，降低气泡上升速度，同时气泡只能通过隔板上的通气孔排出，避免气泡重聚，缓解气泡排出筒口的瞬变压力。

本发明的理论依据为：由于入流竖井气爆浪涌现象是由水体和气腔在井口处集中释放形成的，从该角度出发，需要集中处理截留气团，将截留气团充分地分割成气泡并限制其上升速度。但是气泡量越大，排气压力越大，可能会加剧夹层水位波动。工程设计中综合考虑入流竖井水位波动、排气能力、气腔释放等多项因素确定入流竖井结构。排水入流竖井的工作原理及以上说明可以看出，较优的竖井结构形式是：竖井内套设圆筒，将竖井分为夹层、圆筒两个部分。在气团流入竖井阶段，夹层集气，并布置多层气孔圆环分割截留气团，气团越集中，分割气团越充分，气爆浪涌越难发生且满足撞击压力要求；在气泡排出竖井阶段，部分气泡通过筒壁气孔进入圆筒，排气面积较大，且沿筒内壁布置隔板，排气较为缓慢，满足撞击要求，从而从总体上改善竖井的气爆浪涌现象。

发明原理：以暴雨情况下，明满流的排水管道为例，说明设置有环形喇叭口、圆筒、筒壁气孔、气孔圆环、隔板和通气孔的入流竖井的工作原理和效果。

在暴雨情况下，排水管道出现明满流现象，产生大量截留气团并随水流移动到竖井与管道交汇处，在环形喇叭口导气作用下，截留气团通过支撑圆环上的气孔进入夹层，分割成较小的气团。在气孔圆环的作用下，充分地分割气团且有效地限制了挟气水流上升速度，可以很好的缓解夹层中的气爆浪涌现象。

为避免夹层排气压力过大，圆筒壁面设置气孔，部分夹层气泡通过筒壁气孔沿圆筒内壁上升。在隔板的作用下，限制气泡垂直上升，此时气泡只能通过隔板上的通气孔上升，避免筒内气泡重聚，降低气泡速度，可以很好地缓解圆筒内的气爆浪涌现象。

有益效果：当挟带大量截留气团的水流由排水管道流入入流竖井时，环形喇叭口导气至竖井和圆筒之间的夹层，交错布置的气孔圆环充分分割大气团，可以有效地缓解入流竖井间歇性剧烈浪涌；分割后的气泡部分从夹层排出，另一部分通过筒壁气孔进入圆筒，可以大大缓解夹层排气压力；气泡沿圆筒内壁上升，筒壁布置隔板，各层隔板上的通气孔两两交错布置，可以有效地避免气泡重新聚合成大气团，同时降低气泡上升速度，大大缓解圆筒排气压力，改善排水管道入流竖井的气爆现象。

与现有技术相比，本发明有效解决了在排水管道明满流时，由于大量截留气团到达入流竖井时有压气腔突然释放形成剧烈间歇性的气爆浪涌的问题，这对入流竖井的结构形式进一步优化，排水管道安全性提高以及稳定运行，具有十分显著的效果。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的一种改善气爆现象的深层隧道入流竖井装置所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1为现有的普通深层隧道入流竖井结构示意图；

图2为本发明的深层隧道入流竖井结构示意图；

图3为本发明的环形喇叭口的俯视图；

图4为本发明的环形喇叭口的主视图；

图5为本发明的支撑圆环的俯视图；

图6为本发明的气孔圆环的侧视图；

图7为本发明的筒壁气孔的俯视图；

图8为为本发明的隔板的俯视图；

图中：深层隧道1，入流竖井2，圆筒3，环形喇叭口4，支撑圆环5，支撑圆环气孔5-1，气孔圆环6-1～6-3，筒壁气孔7，隔板8-1～8-2，环形喇叭口下底面9，环形喇叭口上底面10，环形喇叭口侧面11。

具体实施方式

实施例：

本实施例的用于改善气爆现象的排水管道入流竖井装置如图2所示，在深层隧道1的入流竖井2上部设置圆筒3。竖井2和圆筒3之间套设支撑圆环5，用于固定圆筒3。圆筒3底端设有环形喇叭口4，引导截留气团进入入流竖井2和圆筒3之间的夹层，起到集气的作用。夹层中设有气孔圆环6-1 ~6-3，充分分割气腔成气泡。部分气泡由夹层排到井外，另外的经筒壁气孔7沿圆筒3内壁上升，在隔板8-1～8-2的作用下，避免重新聚合，排到圆筒外。通过环形喇叭口，夹层和圆筒的共同作用，可实现集中处理截留大气团，稳定竖井水位波动，改善入流竖井气爆浪涌现象。

环形喇叭口4的结构形式如图3和4所示，由圆筒3延伸至深层隧道1，环形喇叭口侧面11弧长为1/4深层隧道1管道内径，上底面10为圆筒3底端，下底面9直径等于竖井直径，上底面10和下底面9之间挖空，使得深层隧道1内水流可通过环形喇叭口4流入圆筒3。

支撑圆环5的结构形式如图5所示，支撑圆环5套设在入流竖井2和圆筒3之间并且三者底部平齐。由环形喇叭口4流入的挟气水流通过支撑圆环5上的气孔5-1初步分割成较小的气团，减小夹层分割气团的压力。

气孔圆环6-1～6-3的结构形式如图6所示。气孔圆环6-1和6-3固定在圆筒外壁，气孔圆环6-2固定在竖井内壁，圆环外径=入流竖井直径，圆环内径=圆筒直径；气孔圆环6-1和6-3小圆孔如图6-1-1所示，气孔圆环6-2小圆孔如图6-1-2所示，各层气孔之间两两交错布置，充分分割气团的同时，避免气泡上升速度过快产生剧烈波动；气孔圆环每一层均呈45°夹角向上倾斜，避免挟气水流上升过快。通过气孔和圆环布置形式，从而改善由气腔在竖井口处集中释放引起的气爆现象。

圆筒3的结构形式如图6～7所示。在气孔圆环两两之间布置筒壁气孔7，夹层中部分小气泡通过所述筒壁气孔进入圆筒，可以减轻夹层排气压力。在筒壁气孔7两两之间设有3组每组两排隔板8-1～8-2。隔板8上每排分别布置通气孔8-1-1和8-2-1，通气孔孔口交错布置，可避免圆筒内的小气泡重新聚集，同时降低圆筒内气团上升速度，改善圆筒气爆浪涌。

当大量截留气团随水流移动到入流竖井出口时，在环形喇叭口导流集气作用下，气团流入夹层。在气团流入夹层阶段，布置多层气孔圆环分割截留气团，气团越集中，分割气团越充分，气爆浪涌越难发生且满足撞击压力要求；在气泡排出竖井阶段，部分气泡通过筒壁气孔进入圆筒，圆筒排气面积大，并在沿筒内壁布置隔板，排气较为缓慢，满足撞击要求，且小气泡难以重新聚合，从总体上大大地改善竖井的气爆浪涌现象。

通过对入流竖井结构以及采用本发明中的入流竖井结构比较，可以发现：本发明的入流竖井结构，竖井内的水位浪涌得到很好的控制，有效地缓解了气爆浪涌现象。当截留气团进入入流竖井时，竖井内水位开始波动。当采用普通的入流竖井结构时，竖井为水流和空气共用流通通道，气腔在浮力作用下向上漂浮，有压气腔突然释放，并带动入流竖井内水体上升，造成入流竖井内部水位大幅度的波动，水体和气腔在竖井口处集中释放并形成了气爆现象，不利于入流竖井的安全运行。而当选用新型的入流竖井结构时，竖井内气爆浪涌能够得到很好地控制。在气团流入竖井阶段，夹层导流集气，多层气孔圆环分割截留气团，气团越集中，分割气团越充分，气爆浪涌越难发生，控制夹层内水位波动；在气泡排出竖井阶段，部分气泡通过筒壁气孔沿筒内壁布置隔板，排气面积较大，排气较为缓慢，控制圆筒内水位波动，从总体上改善竖井的气爆浪涌现象。

本发明采用了在入流竖井设置集气装置，分割气团装置和降压装置的结构。集气装置包括由圆筒延伸至排水管道的环形喇叭口；分割气团装置包括布置在圆筒底部的支撑圆环、设在夹层中的气孔圆环以及圆筒内壁隔板上的通气孔；降压装置包括夹层内呈45°夹角布置的孔口加错布置的气孔圆环和圆筒内通气孔交错布置的隔板。当排水管道截留气团流入竖井时，经过环形喇叭口导流集气，通过分割气团装置和降压装置的作用，避免气泡重新聚合，降低井内水位波动幅度，改善气爆浪涌现象。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种降低城市深层排水系统气爆强度的入流竖井，其特征在于：包括安装在入流竖井内的圆筒，所述入流竖井和圆筒之间具有夹层，所述圆筒具有环形喇叭口和隔板，所述环形喇叭口用于将挟气水流导入夹层中，大大减少直接进入圆筒的截留气团含量，所述隔板用于缓解圆筒内的气爆浪涌，所述夹层内安装有用于改善气爆现象的带气孔圆环。

2.根据权利要求1所述的降低城市深层排水系统气爆强度的入流竖井，其特征在于：所述环形喇叭口由圆筒底端延伸至排水管道，环形喇叭口的弧长为1/4排水管道内径。

3.根据权利要求2所述的降低城市深层排水系统气爆强度的入流竖井，其特征在于：所述入流竖井和圆筒之间套设有支撑圆环，所述支撑圆环用于固定圆筒，所述支撑圆环、圆筒和竖井的底部平齐；所述支撑圆环上布置有一圈气孔，所述气孔将流入夹层的挟气水流中大截留气团分割成较小的气团。

4.根据权利要求3所述的降低城市深层排水系统气爆强度的入流竖井，其特征在于：所述气孔圆环包括夹层内自下而上安装的第一气孔圆环、第二气孔圆环和第三气孔圆环，用于充分分割截留气团，避免气泡重新聚合成气腔。

5.根据权利要求1所述的降低城市深层排水系统气爆强度的入流竖井，其特征在于：气孔圆环外径＝入流竖井直径，气孔圆环内径＝圆筒直径，圆筒直径＝1/2入流竖井直径。

6.根据权利要求4所述的降低城市深层排水系统气爆强度的入流竖井，其特征在于：所述第一气孔圆环和第三气孔圆环与圆筒外壁固定连接，所述第二气孔圆环与竖井内壁固定连接，第一气孔圆环、第二气孔圆环和第三气孔圆环均与固定面呈45°夹角向上倾斜，用于降低挟气水流上升速度，缓解夹层内涌浪波动。

7.根据权利要求6所述的降低城市深层排水系统气爆强度的入流竖井，其特征在于：所述第一气孔圆环、第二气孔圆环和第三气孔圆环各层气孔之间两两交错布置，用于避免气泡上升速度过快产生剧烈波动。

8.根据权利要求7所述的降低城市深层排水系统气爆强度的入流竖井，其特征在于：每一圆环设置两圈错开的小圆孔，用于进一步分割气团，改善由气腔在竖井口处集中释放引起的气爆现象。

9.根据权利要求8所述的降低城市深层排水系统气爆强度的入流竖井，其特征在于：相邻气孔圆环之间的圆筒边壁上布置有2组筒壁气孔，所述筒壁气孔沿圆筒边壁环绕布置，每组布置两排，用于导引夹层中的部分小气泡进入圆筒，减轻夹层排气压力。

10.根据权利要求9所述的降低城市深层排水系统气爆强度的入流竖井，其特征在于：所述隔板包括环绕圆筒内壁布置的3组，每组具有两排，两排隔板位于两排筒壁气孔之间，隔板具有通气孔，每排隔板的通气孔孔口交错布置，用于避免圆筒内的小气泡重新聚集，同时降低圆筒内气团上升速度，改善圆筒气爆浪涌。

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