CN111705839B - 一种倒台阶式竖井结构及其井喷减免方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种倒台阶式竖井结构及其井喷减免方法，竖井设置于地下管道顶部，连通地下管道与地面，井盖设置于竖井顶部。所述竖井一侧外形为台阶状，并沿洞口轴线镜像，台阶宽度大于地下管道宽度，可整体成型亦可组装。所述竖井台阶第一级台阶与地面齐平，中心挖出一圆柱体，为竖井口；最后一级台阶与地下管道顶部衔接，中间台阶坡度为30°至60°为；台阶上方回填料与地面齐平。本发明坦化形成井喷的驱动压力差值，井盖设置通气孔连通地下管道与地面大气，平衡竖井和地下管道内的非恒定气压，提前平衡管道内气压，坦化形成井喷现象的驱动压力差极值，有效抑制井喷发生条件形成。

Description

一种倒台阶式竖井结构及其井喷减免方法

技术领域

本发明属于市政工程和水利工程技术领域，具体涉及一种倒台阶式竖井结构及其井喷减免方法。

背景技术

市政工程中，地下管网纵横交错，有排污管网、电缆管网、供水管网等，街道地面常常设有井盖用以封堵管网的入口，其中连通地面和地下管网的结构常称为竖井，通常具有集水、通气、通人等作用。一般地，这些竖井被设计为一种洞壁直立的井状管道，上部采用井盖封住。

近年来，随着城市下垫面固化，城市排水管网排水负荷增大。一般而言，城市排水管网系统水流流态设计为具有自由水面的无压流动，当经历短时强降雨时，排水管网流量急剧增加，超出管道泄流能力时，水流流态由明渠流过渡到满流，可能在坡度变化和支管汇流处形成较大体积的截留气囊，空气经持续压缩后转移至竖井，沿竖井上升形成水柱或水气混合射流，形成井喷现象。井喷不仅能够产生较大瞬时压力，诱发管道振动甚至结构失效等问题，还可能掀飞竖井井盖，危害行人和车辆安全；对于雨污合流排水管道，井喷导致的局部洪水将造成环境污染等问题。特别是近年来极端恶劣天气频繁，极易形成城市短时强降雨灾害，城市下水管道排水竖井井喷事故发生的频率也在上升。因此，需要采取措施减免井喷现象的发生，确保公共安全。

目前，国内外关于城市管网竖井井喷的相关研究尚少，对其发生条件和减免措施不足。归纳而言，目前已提出的减免措施主要有以下几种：（1）增大竖井管径，研究认为增加竖井管径（至与主管道尺度相同）可以减小井喷发生时瞬时极值压力，然而这种方法并不能免除井喷发生的可能性，且在实际应用时竖井口径不可能无限制的增大；（2）在竖井顶部设置带小孔井盖，此方法原理在于降低水流压力极值，约束竖井通量，从而抑制水汽混合物喷出，然而这种方法往往在井喷强度较大时阻碍了气体流出，增加管道内气压变化，已不能免除井喷发生的可能性；（3）在井盖下方设置缓冲结构，如弹性支承的橡胶球或折流板等，其原理在于对喷射水流消能和水气分离，但是也给竖井检修带来了麻烦。

为此，如何从源头上改善竖井口位置水流流态，避免形成井喷现象成为了本领域研究的关键。

发明内容

发明目的：本发明旨在提出一种倒台阶式竖井结构，并进一步提出基于该结构的井喷减免方法，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种倒台阶式竖井结构，包括设置于地下管道顶部的竖井腔体，设置于所述竖井顶部的井盖，以及设置在所述竖井两侧的多级倒台阶壁面。

在进一步的实施例中，所述倒台阶壁面沿所述竖井的洞口轴线镜像，台阶宽度大于地下管道宽度。

在进一步的实施例中，多级倒台阶中第一级台阶与地面齐平，中心挖出一圆柱体，为竖井口；最后一级台阶与地下管道顶部衔接，中间台阶坡度在30°~60°之间；所述台阶上方的回填料与地面齐平。

在进一步的实施例中，所述井盖设有通气孔和通气中孔，通气孔均连通地下管道与地面大气；所述通气孔呈阵列分布，孔径为2cm~5cm；所述通气中孔位于井盖中心，孔径大于通气孔，为10cm~30cm，通气中孔设置顶盖，该顶盖一端铰支，另一端卡入卡槽内。

在进一步的实施例中，所述井盖通过井盖支座固定于竖井底座上，井盖支铰固定于井盖上，井盖支铰安装在井盖支座上；所述井盖上侧设有提拉把手。

在进一步的实施例中，所述井盖为一倒置锥形台，使用时水平放置，顶面与地面平齐，所述井盖的剖面为倒置等腰三角形、且三角形的底角为30°~50°；所述井盖空腔的侧面开设有多个与前述相同规格的通气孔，该通气孔的开孔轴线方向与壁面垂直，该组通气孔连通所述井盖空腔与竖井内部；所述井盖空腔的锥体顶点处竖直开孔。

在进一步的实施例中，所述井盖空腔的侧面通气孔总面积略大于其地面平板开通气孔总面积。

在进一步的实施例中，所述井盖通过井盖支座固定于地面，井盖支铰固定于井盖支座上，井盖外缘设置井盖肋板，井盖肋板设置“S”型肋板轨道，所述井盖支铰在“S”型轨道内滑动。

一种倒台阶式竖井结构的截留气囊释放方法，包括以下三种情景并对应以下步骤：

情景1：多级气体压力释放：地下管道水流与竖井过渡时采用顶部突扩的多级倒台阶体型衔接，倒台阶体型结构利于管道中气体溢出和气囊释放，且流动反向时不易卷入气体，从机理上平稳释放主流顶部已有截留气囊并抑制形成新的大气囊，因此，多级倒台阶体型达到多级释放非恒定气体压力的作用，同时将时间连续和空间集中的压力极值分散为空间多点的非连续性的压力极值，从而抑制井喷发生的极值压力条件形成；

情景2：竖井内部气压平衡：井盖设置通气孔连通地下管道与地面大气，及时补充、平衡竖井和地下管道内的非恒定气压，坦化形成井喷现象的驱动压力差极值，进一步抑制井喷发生的条件；

情景3：当不可避免仍出现井喷现象时，井盖启动水气分离功能，应对不同强度井喷，当井喷高度低于井盖高度时，即为情景2；当井喷高度接触到井盖高度时，且冲击力不足以平衡井盖重量时，所喷射水汽混合物碰撞台阶壁面或井盖，部分水汽混合物落回地下管道，另一部分通过井盖通气孔分离后溢出或回落至地下管道；若井喷强度大于预设值，甚至推开井盖或中孔顶盖时，中孔应急装置或限位装置启动，快速释放不稳定气压，减免井喷发生。

有益效果：

1、地下管道水流与竖井过渡时采用多级倒台阶体型衔接，利于管道中气体溢出和气囊释放，且流动反向时不易卷入气体，从机理上抑制大尺度截留气囊的形成，并可以多级释放非恒定气体压力，将时间连续和空间集中的压力极值分散为空间多点的非连续性的压力极值，从而抑制井喷发生条件的形成。

2、将截留气囊释放发生位置平移错开竖井井口，即使发生喷溅现象亦不会直接喷出竖井井口，同时扩大竖井底部空间意味着明流段长度增加，利于有压流和无压流流态之间的转换，避免竖井出口位置多重复杂流态。

3、本发明坦化形成井喷的驱动压力差值，井盖设置通气孔连通地下管道与地面大气，平衡竖井和地下管道内的非恒定气压，提前平衡管道内气压，坦化形成井喷现象的驱动压力差极值，抑制井喷发生条件形成。现有城市排水管竖井井盖直接采用实体井盖封闭，多数井盖为单独体（未固定），竖井和地下管道内气压不稳定，波动较大，发生井喷现象的可能性较大，且井喷强度较大时容易出现井盖“飞起”危害。

4、本发明竖井结构与带通气孔井盖结合使用，采用多级措施保障竖井内部气压平稳，减免竖井井喷发生。

附图说明

图1为倒台阶式竖井结构的剖面图。

图2为倒台阶式竖井结构的俯视图。

图3为倒台阶式竖井井盖的剖视图。

图4为倒台阶式竖井井盖的俯视图。

图5为井盖组件的结构及安装方法示意图的剖面图。

图6为井盖组件的结构和工作原理细部图。

图中各附图标记为：地下管道1、地面2、竖井3、回填料4、井盖5、井盖肋板501、肋板轨道502、限位软绳503、井盖空腔504、井盖支座505、井盖支铰506、软绳支座507、软垫508、截留气囊6、竖井底座7、竖井台阶8、通气孔10、通气中孔11、中孔盖12、竖井支铰13、支铰底座14、提拉把手15。

具体实施方式

申请人认为，目前较为常见的城市管网竖井3井喷减免措施通常有以下三种方式：

1、增加竖井管径、以减小井喷发生时瞬时极值压力，然而这种方法在实际应用时竖井口径不可能无限制的增大，实际应用时存在局限性，且并不能免除井喷发生的可能性，且；

2、在井盖下方设置缓冲结构，如弹性支承的橡胶球或折流板等，其原理在于对喷射水流消能和水气分离，但是遇到强烈瞬变流变化时效果较差，甚至阻碍了气体排出，恶化主管道流态，同时也会给竖井检修带来麻烦。

3、在竖井顶部设置带孔和限位井盖，此方法原理在于降低水流压力极值，多级分离水汽混合物，这种方法为形成井喷后的缓解措施，并不是从源头上抑制井喷发生。

为此，本发明通过设计一种倒台阶式竖井结构，旨在从源头上改善竖井3与地下管道1交界面水流流态，抑制井喷发生条件，避免发生井喷现象。

实施例一：

多级衔接式城市排水管竖井结构的示意图见图1，竖井3设置于地下管道1顶部，连通地下管道1与地面2，井盖5设置于竖井3顶部。

所述竖井3一侧外形为台阶状（竖井台阶8），并沿洞口轴线镜像，台阶宽度大于地下管道1宽度，材料为钢架、钢筋混凝土、高强度合成材料等，可整体成型亦可组装。

所述竖井台阶8第一级台阶与地面2齐平，中心挖出一圆柱体，为竖井3口；最后一级台阶与地下管道1顶部衔接，中间台阶坡度为i，一般的i=30°~60°为宜；台阶上方回填料4与地面2齐平。所述井盖5结构及安装方法如图2所示，在井盖5设置通气孔10和通气中孔11，通气孔10均连通地下管道1与地面2大气；所述通气孔10呈阵列分布，孔径一般2cm~5cm；所述通气中孔11位于井盖5中心，孔径大于通气孔10，一般10cm~30cm，通气中孔11设置顶盖，该顶盖一端铰支，另一端卡入卡槽内，在孔内压力较大时可自动打开。

所述井盖5为一倒置锥形台，使用时水平放置，顶面与地面2平齐，制作材料一般为铸铁、塑料、混凝土或合成材料，重力为G。

所述井盖5通过井盖支座505固定于竖井底座7上，井盖支铰506固定于井盖5上，井盖支铰506可在井盖支座505上旋转开启或关闭井盖5；所述井盖5上侧设有提拉把手15，用以打开或关闭井盖5。

实施例二：

竖井3连通地面2大气与地下管道1，井盖5组件设置于竖井3顶部。井盖5组件的结构如图5至图6所示，主要包括以下组成部分：井盖空腔504、井盖5底座、井盖支座505、井盖支铰506、井盖肋板501、肋板轨道502、通气孔10、中孔、井盖5把手、限位软绳503、挂钩、软垫508。所述井盖5为一带有圆形（或方形）平板的锥形体，使用时平板水平放置，与地面2平齐，制作材料一般为铸铁、塑料、混凝土或合成材料，重力为G。

所述井盖空腔504腔体形状为倒置锥体，剖面形状为倒置等腰三角形，所述等腰三角形底角小于60°，设置为30°~50°，此时井盖5可自由打开而不碰到竖井3壁面；所述井盖空腔504四周开有众多通气孔10和临时检修孔，连通底面与竖井3内部。

所述井盖空腔504底面平板开有众多阵列通气孔10及中孔与地面2相通，所述通气孔10亦可汇流，孔径设置为1cm~5cm；所述中孔位于锥体底板中心，直径大于一般通气孔10，约为井盖5直径的1/10~1/20；孔顶设置一检修盖，该检修盖一端铰支，另一端卡入卡槽内，在井盖空腔504内压力较大时可自动打开。

所述井盖空腔504侧面亦开有众多通气孔10，开孔轴线方向与壁面垂直，这些通气孔10连通空腔与竖井3内部；锥体顶点处竖直开孔，空腔内液体可通过这些通气孔10进入竖井3内部。

所述井盖空腔504侧面通气孔10总面积大于其地面2平板开孔总面积。

所述井盖5通过井盖支座505固定于地面2，井盖支铰506固定于井盖支座505上，井盖5外缘设置井盖肋板501，井盖肋板501设置“S”型肋板轨道502，肋板轨道502安装于井盖支铰506上，并可沿“S”型轨道滑动，即井盖5水平时井盖支铰506位于肋板轨道502的一侧，井盖5打开过程中井盖支铰506可沿肋板轨道502滑动，井盖5垂直地面2位置时井盖支铰506移动至肋板轨道502的另一侧，此时井盖5被固定于竖井3一侧（图6）；反之，井盖5关闭时，上提井盖5，然后井盖支铰506滑随肋板轨道502滑动。

所述井盖5上侧设有开启孔；支座支铰另一端井盖肋板501底部设置限位软绳503，限位软绳503通过活动挂钩固定于软绳支座507，软绳长度完全张开时限位井盖5最大打开范围15°~45°，若需要完全打开，只要放开软绳挂钩即可。

本发明的工作特点和原理为：

1.井盖5设置多级水气分离措施，应对不同程度井喷强度：

（a）当井喷高度低于井盖5底部时，此时竖井3内与地面2大气压压差通过井盖5通气孔10连通平衡。

（b）当井喷高度接触到井盖5，且冲击力不足以平衡井盖5重量时，所喷射水汽混合物碰撞井盖5，部分水汽混合物落回地下管道1，另一部分通过通气孔10进入井盖空腔504，气液分离后液体通过通气孔10亦回落至地下管道1，多余气体依据当地气压高低排出或吸入，此为第一级水气分离；若水汽混合物进入井盖空腔504内后仍有大量能量，继续喷射到达井盖5顶板或空腔满溢，此时井盖空腔504内水汽混合物不仅通过空腔锥体侧面分离，亦通过井盖5顶板通气孔10溢出地面2，水流冲击或气压大于中孔顶盖打开的临界压力时，中孔顶盖打开，增大水流溢出通道，此为第二级水气分离。

（c）当井喷强度足够大，喷射冲击力冲开井盖5时，由于限位软绳503作用，井盖5打开较小的角度，大大增加喷射混合物通道面积，在第二阶段水气分离的基础上，大量气体溢出，从而削减井喷强度，此为第三级水气分离。这三级水气分离措施可以应对任何不同强度的井喷现象。

在上述三级水气分离都无法完全释放截留气囊6时，进入下一步骤：管道内的大量截留气囊6聚集在地下管道1顶部并随着水流运移，截留气囊6经过竖井台阶8时，由于顶部突扩为自由边界，气囊容易及时释放；若水位波动剧烈且水位变化剧烈，可在上一级台阶处释放，在水流瞬变压力差极值尚未充分发展时及时改变台阶处流态，避免截留气囊6在竖井3口集中释放。竖井3内空腔通过井盖5通气孔10与地面2大气相通，能较好的平衡竖井3内瞬时压力变化（排除或吸入），坦化形成井喷现象的压力差极值，避免形成井喷所必要的发生条件。

2.井盖5杠杆平衡与限位措施联合使用：井盖5自重G的设计尤为重要，决定何时开启第三级水气分离措施（假设此时井喷冲击井盖5平均压力为P），根据杠杆平衡原理，井盖5重力设置为G=P；第三级水气分离措施启动后，井盖5会打开，此时为避免井盖5突然打开对地面2造成安全影响，因此设置限位措施联合使用，仅允许井盖5打开较小的通道，供水汽混合物分离后流出。中孔及其顶盖为应急自动打开顶盖措施，同时可以作为日常检修口使用，其顶盖设计方法亦可参照采用支铰和限位软绳503联合使用或其他卡扣方式，确保其在设定压力作用下可以自动打开即可。

3.井盖5打开和关闭使用方法：如图所示，打开井盖5时，提拉井盖5把手至井盖5脱离地面2，脱掉限位软绳503挂钩，继续提拉井盖5至垂直地面2位置（90°），此过程中井盖5在自重作用下井盖支铰506从肋板轨道502一端滑动至另一端，刚好卡在支座内并固定；关闭井盖5时，与打开流程相反。

台阶突扩释放压力和平顺过渡流态的原理：管道内的大量截留气囊聚集在地下管道顶部并随着水流运移，截留气囊经过顶部台阶壁面时，由于顶部突扩为自由边界，气囊容易及时平稳释放，而反向流动时则不易形成新的大尺度气囊，带有气泡的水体经过台阶突扩处可以快速释放气体；若水位波动剧烈且水位变化剧烈，第一级台阶未充分过渡时，可在下一级台阶处继续调整，因此，可以在水流瞬变压力差极值尚未充分发展时及时改变台阶处衔接流态，抑制井喷形成的压力极值必要条件，避免截留气囊在竖井口集中释放。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (8)

1.一种倒台阶式竖井结构，其特征是包括：设置于地下管道顶部的竖井腔体，设置于所述竖井顶部的井盖，以及设置在所述竖井两侧的多级倒台阶；

所述井盖为一倒置锥台体，顶部与地面齐平，水平放置，井盖构件包括提拉把手、井盖支座和限位措施，所述井盖通过井盖支座固定于地面，井盖支铰固定于所述井盖支座上，井盖外缘从中心辐射设置井盖肋板，连接井盖支座的井盖肋板设置“S”型肋板轨道，所述井盖支铰在 “S”型肋板轨道内滑动；所述限位措施包括限位软绳、软绳挂钩和软绳支座。

2.根据权利要求1所述的一种倒台阶式竖井结构，其特征在于：所述多级倒台阶沿所述竖井的洞口轴线镜像，竖井壁面形成“人字梯”形状，支撑于地下管道上方。

3.根据权利要求2所述的一种倒台阶式竖井结构，其特征在于：多级倒台阶中第一级台阶与地面齐平，中心挖出一圆形或方形镂空体，为竖井口；最后一级台阶与地下管道顶部衔接，台阶整体坡角在30°~60°之间，台阶级数为3~10级；所述台阶上方的回填料与地面齐平。

4.根据权利要求1所述的一种倒台阶式竖井结构，其特征在于：所述井盖设有通气孔和通气中孔，通气孔均连通地下管道与地面大气；所述通气孔呈阵列分布，孔径为2cm~5cm；所述通气中孔位于井盖中心，孔径大于通气孔，为井盖直径的1/10~1/3，通气中孔设置顶盖，该顶盖一端铰支，另一端卡入卡槽内，顶盖在预定压力差下自动打开。

5.根据权利要求1所述的一种倒台阶式竖井结构，其特征在于：所述限位软绳设置于所述井盖支座另一端井盖肋板底部，所述限位软绳通过活动挂钩临时固定于软绳支座，软绳长度完全张开时限位井盖最大打开范围为15°~45°；所述提拉把手设置在所述软绳支座对应的井盖结构的平板上侧。

6.基于权利要求1至5中任一项所述的一种倒台阶式竖井结构的井喷减免方法，其特征在于针对不同情景包括以下步骤：

情景1、多级气体压力释放：地下管道水流与竖井过渡时采用顶部突扩的多级倒台阶体型衔接，倒台阶体型利于管道中气体溢出和气囊释放，且流动反向时顶部不易卷入气体，从机理上平稳释放主流顶部已有截留气囊并抑制新的大气囊形成，因此，多级倒台阶体型可达到多级释放非恒定气体压力的作用，将时间连续和空间集中的压力极值分散为空间多点的非连续性的压力极值，从而抑制井喷发生的必要压力极值条件形成；

情景2、竖井内部气压平衡：井盖设置通气孔连通地下管道与地面大气，及时补充、平衡竖井和地下管道内的非恒定气压，坦化形成井喷现象的驱动压力差极值，进一步抑制井喷发生的条件；

情景3、当不可避免仍出现井喷现象时，井盖启动水气分离功能，应对不同强度井喷，当井喷高度低于井盖高度时，即为情景2；当井喷高度接触到井盖高度时，且冲击力不足以平衡井盖重量时，所喷射水汽混合物碰撞台阶壁面或井盖，部分水汽混合物落回地下管道，另一部分通过井盖通气孔分离后溢出或回落至地下管道；若井喷强度大于预设值，甚至推开井盖或中孔顶盖时，中孔应急装置或限位装置启动，快速释放不稳定气压，减免井喷发生。

7.根据权利要求6所述的一种倒台阶式竖井结构的井喷减免方法，其特征在于：情景1和情景2互为响应，最大程度抑制形成井喷发生的条件，当井喷仍然发生时，为情景3，此时情景1和情景2仍然发挥作用，共同减免井喷。

8.根据权利要求6所述的一种倒台阶式竖井结构的井喷减免方法，其特征在于：情景1中多级倒台阶将截留气囊释放发生位置平移错开竖井井口，当发生喷溅现象时不会直接喷出竖井井口，同时扩大竖井底部空间意味着明流段长度增加，利于有压流和无压流之间的过渡转换，避免传统竖井出口位置集中发生多重复杂流态。

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