CN108317331A - 一种减缓城市深隧满流状态下入流竖井剧烈排气的管壁结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种减缓城市深隧满流状态下入流竖井剧烈排气的管壁结构，是在管道顶端设置一段隔板通道，隔板的尾部布置呈发散状，隔板在水平面投影为曲线型。通过设置隔板通道，将深隧管道中由于竖井快速入流而产生的有压大气团分割为小气团从竖井排出，有效减少管道内有压大气团从竖井排出时对竖井内部消能结构的破坏现象，同时减缓气体剧烈排出的过程。由于隔板通道尾部发散状布置，使得分散的小气泡彼此分隔，不会再合并为有压大气泡，而是由小气泡排出竖井，提高了管道的安全性能，特别适用于深隧管道。

Description

一种减缓城市深隧满流状态下入流竖井剧烈排气的管壁结构

技术领域

本发明涉及市政排水工程技术领域，特别是涉及一种新型深隧系统主隧与入流竖井连接的结构，适用于城市深隧系统管网，避免入流竖井中发生剧烈排气过程导致的竖井结构破坏事故。

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，采用大型深层调蓄隧道，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。

为了避开对地下管线以及地铁等设施的影响，城市深层调蓄排水隧道一般建设在地下40m-60m处，当发生暴雨时，地面汇集的大量雨水通过入流竖井流入地下隧道，存储部分雨水。深隧系统在晴天或者暴雨之前，排空了主隧洞的中水体，即隧洞中为空气。当发生暴雨时，深隧系统启动，水流将通过入流竖井流入主隧洞。由于暴雨历时短，强度较大，大量雨水通过多个入流竖井进入隧道，隧道中一部分空气在水流进入隧道时，通过竖井排出，但由于多竖井同时入流，隧洞中的水流逐渐由无压流动转换为有压状态，较多的气团会滞留在隧道中，并随着隧道两端压力的变化，发生移动。如图1所示，当大量滞留气团移动到竖井处时，通过竖井排出，发生剧烈的排气过程。但由于此刻竖井水位已经上升到一定高度，高于主隧的顶部高程，气团从竖井底部上升，造成竖井内部水位大幅度的波动，并可能会对竖井消能结构产生破坏，威胁整个深隧系统的安全。对于管道的排气问题，现有的技术是在可能集气的地方设置通气孔，但对于深隧系统，该技术无法使用，因为主隧洞处于地下40m-60m处，两个入流竖井之间的长度约2km左右，因而在竖井之间的主隧上方无法设置通气措施，如何减轻入流竖井处的气团危害，也是目前深隧系统设计面临的难题。本发明根据气团在管道内的运动特征以及实验的观测，提出了一种新型的深隧系统主隧洞与入流竖井连接的结构，解决了深隧系统入流竖井处剧烈排气问题，避免了气团排出时对竖井内部结构可能造成的破坏。本发明提出的思路，在现有的城市深隧系统设计及施工中未见报道。

常规管网输水系统中，通常采用通气孔或者空气阀减少管道内滞留的气体。但对于城市深隧系统，该技术无法使用，因为主隧洞处于地下40m-60m处，两个入流竖井之间的长度约2km左右，在竖井之间的主隧上方无法设置通气措施，即使有条件设置，其代价也是非常高，因而对于深隧系统，滞留气团只能从入流竖井处排出。暴雨时，当水流快速进入主隧时，气体来不及排出，封闭在管道内形成有压气团，并随着隧道内压力的变化，移动到入流竖井处排出，发生剧烈的排气现象，对竖井的结构造成破坏。

发明内容

发明目的：为了解决以上深隧管道的剧烈排气问题，本发明根据气团在管道内的运动特征以及实验的观测，提出了一种新型的深隧系统主隧洞与入流竖井连接的结构：在深隧管道与入流竖井连接的进口端顶部管壁处设计新型隔板通道结构，形成不同长度的气体排出路径，并将大气团分割成若干小气泡，有效减缓了入流竖井处的剧烈排气现象，避免对入流竖井内的结构造成破坏。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供一种新型的管壁结构，通过设置曲线型隔板形成蜿蜒的隔板通道，将管内聚集的有压大气团切割为小气泡。利用了分散后的小气泡流经竖井时的速度、时间不同，避免重新组合成有压大气团。

具体的，所述隔板通道高度为管径的1/5-1/4,这样可以将气团都从隔板通道进行分割，避免气团从隔板通道下方通过。

具体的，所述隔板最大长度为管径的3-5倍。隔板长度设置为不同长度。中间隔板为最大长度隔板，两边的隔板长度依次减少1/3管径长度。不同的长度设置，保证分割后的小气泡彼此不再重新汇合。

具体的，隔板通道布置，彼此间隔为管径的1/20-1/15,尾部布置为发散状。这样可以使分散后的小气泡彼此不会再汇合。

具体的，隔板呈平滑曲线布置，由以管径的1/15-1/10为半径的圆弧和短轴为管径的1/20-1/15、长轴为管径的1/8-1/3的椭圆弧平滑连接。

具体的，隔板通道宽度为管径的1/10-1/8，可以有效将大气团分割为小气泡。

进一步的，为了利于气团分割，隔板可以采用八字形布置在管壁上。

进一步的，为了利于气团分割，隔板通道底板可以与水平面设置不同的倾斜角度（角度范围在15°-30°）。

发明原理：由于气体密度较小，无论是哪种进流条件，当深隧系统主隧道充满时，滞留气团一定是在管道的顶部移动。另外，根据实验的观测，当滞留气团较大时，从入流竖井排出的过程较为剧烈，当气团较小时，明显排出过程变缓，入流竖井内的水位波动也较小。结合以上两部分特征，提出在滞留气团接近入流竖井时，将其分解为小气泡，并依次排出，减缓了剧烈排气现象，避免对入流竖井的破坏。

有益效果：本发明通过在管道顶端设置一段隔板通道，隔板的尾部布置呈发散状，隔板在水平面投影为曲线型。通过设置隔板通道，将深隧管道中由于竖井快速入流而产生的有压大气团分割为小气团从竖井排出，有效减少管道内有压大气团从竖井排出时对竖井内部消能结构的破坏现象，同时减缓气体剧烈排出的过程。由于隔板通道尾部发散状布置，使得分散的小气泡彼此分隔，不会再合并为有压大气泡，而是由小气泡排出竖井，提高了管道的安全性能，该管道结构特别适用于深隧管道。

附图说明

图1是传统深隧管道示意图；

图2是本发明实施例中管壁结构的示意图；

图3是图2中管壁结构布置位置示意图；

图4是图2的剖视图；

图5是图2的左视图；

图6是图3的工作原理图；

图7是图3的另一种底板结构示意图；

图8是本发明与传统结构对照实验得到的压力曲线。

具体实施方式

实施例

进行两组试验，一组水平管道中不设置隔板结构如图1所示，另一组在水平管道设置如图2所示的隔板结构，如图3所示，

使用时，以城市暴雨为例，图1为现有深隧结构，水从入流竖井1大量入流时，管道内原有气体被压缩，以及水入流携带的气团6在管道顶部聚集，最后从入流竖井1排出。

如图6所示，在本设计结构中，聚集的气团从入流竖井1排出前，经过带隔板2的管道时，有压气团6被分割为多个小气团，并且彼此不会再次汇聚成大气团，再从入流竖井排出，保护竖井结构不被破坏。

试验采用5条通道，5号通道为以管道对称轴为中心的通道。3,4号通道关于管道对称轴对称分布，如图4所示。为了观测方便，试验管道采用40cm直径的有机玻璃圆管。每个通道取为6cm，间距3cm。通道采用两段弯曲形式，每段为长轴15cm,短轴4cm的椭圆形四分之一段。5号管道高度为9cm,3,4号分别为8cm,8cm。水流从1竖井处大量快速入流，用压力计测试1处的压力。可以直接观测到没有采取措施的管道中，发生剧烈排气过程，压力振荡大；采取措施的管道中，排气过程较为平缓，压力振荡较小。试验结果表明这种新型结构能够较好控制剧烈排气过程的产生。

出口压力的数据如图8所示，可见本发明的管壁结构有效地降低了出口压力，可以较好控制气体剧烈排出，特别适合在深隧管道结构中使用。

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 (8)

1.一种减缓城市深隧满流状态下入流竖井剧烈排气的管壁结构，其特征在于：在深隧管道的顶壁上设置若干隔板，所述隔板的尾部呈发散状，所述隔板在水平面投影为曲线型，相邻隔板之间形成蜿蜒的隔板通道，所述隔板通道用于分割深隧管道中由于竖井快速入流而产生的有压大气团，所述大气团被隔板通道分割为小气团，所述小气团从入流竖井排出。

2.根据权利要求1所述的一种减缓城市深隧满流状态下入流竖井剧烈排气的管壁结构，其特征在于：所述隔板通道高度为管径的1/5-1/4。

3.根据权利要求2所述的一种减缓城市深隧满流状态下入流竖井剧烈排气的管壁结构，其特征在于：所述隔板最大长度为管径的3-5倍。

4.根据权利要求3所述的一种减缓城市深隧满流状态下入流竖井剧烈排气的管壁结构，其特征在于：相邻隔板的长度不同，中间隔板为最大长度隔板，两边的隔板长度依次减少1/3管径的长度。

5.根据权利要求4所述的一种减缓城市深隧满流状态下入流竖井剧烈排气的管壁结构，其特征在于：相邻隔板的彼此间隔为管径的1/20-1/15。

6.根据权利要求2所述的一种减缓城市深隧满流状态下入流竖井剧烈排气的管壁结构，其特征在于：隔板通道的宽度为管径的1/10-1/8。

7.根据权利要求6所述的一种减缓城市深隧满流状态下入流竖井剧烈排气的管壁结构，其特征在于：所述隔板呈八字形布置在管壁上。

8.根据权利要求5所述的一种减缓城市深隧满流状态下入流竖井剧烈排气的管壁结构，其特征在于：隔板通道底板与管壁切线具有倾角，倾角的范围在15°-30°。