CN115262641B - 一种基于顶管工作井实现的跌水井及其改造工艺 - Google Patents

Abstract

一种基于顶管工作井实现的跌水井及其改造工艺，属于排水工程技术领域。本发明为了解决现有跌水井改造工艺复杂的问题，本发明包括井壁、上游雨水管、下游雨水管，上游雨水管和下游雨水管均与井壁连通，上游雨水管与下游雨水管形成高低落差，所述井壁内安装有碎流装置和至少一组消能装置，所述碎流装置布置在上游雨水管的出口位置，所述消能装置布置在碎流装置的下方，井底布置有格宾网箱石笼和消能墩。本发明解决了跌水井施工需另外新建，而现有顶管工作井需回填部分井腔改为普通检查井的矛盾问题，改造工艺部件少、施工简单，消能效果优良，无气爆现象，环保高效，节能节地，特别适用于大管径、大埋深、顶管施工的市政雨水主干管大高差跌水。

Description

一种基于顶管工作井实现的跌水井及其改造工艺

技术领域

本发明涉及一种跌水井及基于顶管工作井实现的跌水井改造施工工艺，属于排水工程技术领域。

背景技术

跌水井是在井内水流产生跌落的井，起作用是减缓管渠内水流流速，防止管道内水流流速超过冲刷流速，改善管道内的水利条件。

现阶段，我国录入国标图集、工艺成熟、运用最广的跌水井适应工况为小管径、小流量、小高差跌水，且需要大开挖施工，无法满足在市政主干管建设中常见的大管径、大流量、大高差等工况跌水需求。图集无法覆盖常见工况的弊端越来越明显，如跌水井运行效果参差不齐，新建跌水井开挖面积大、占地过大，施工困难且不满足低碳环保、节能节地要求，对城市管理、跌水井运行维护都造成巨大压力。随着城市建设管理要求的日益提高，优化跌水井设计、妥善解决上述问题势在必行。

目前对于大管径、大流量、大高差跌水工艺主要有以下几种思路：(1)阶梯式跌水，在跌水井内壁设置楼梯，水流进入井体后沿阶梯跌落井底后流出。(2)旋流式跌水，跌水井分为内井筒和外井筒，水流从内外井筒围成的环形旋流空间，自上而下盘旋而下到达井底后出流，环形旋流空间设有隔板降低水流速度。(3)水力跌水消能，跌水井井底设置水力消能区，出水管的管底为消能区和跌水区的分界线，水流直落跌至井底后溢流流出。但是这三种跌水井均存在一定缺陷，具体表现为：

(1)阶梯式跌水，阶梯式跌水每级跌差较小，约为0.2米，超过0.2米则水力冲击过大，影响跌水井井壁、阶梯使用寿命。因此，当进出水高差较大时，所需跌水阶梯级数就越多。不论采用螺旋阶梯还是采用折返阶梯，阶梯式跌水井占地面积都较大。

(2)旋流式跌水，旋流式跌水井进水管应相切于井壁，且须在井筒设置护壁，工艺复杂、施工难度大。水流在内外井筒间旋流，入流水量较大、流速较高时，气爆现象无可避免。另外，在井底设置的水力消能层，仅能使水流稳定溢流，不足以消除水流旋流产生气旋最终导致气爆。

(3)水力跌水消能，水力跌水消能仅利用井底水力消能区消能，水落势能较大，对井底冲击强，所产生的噪音大。当入流量较大时，消能效果较差，出水流速较高，对下游管网冲刷较严重。除跌差外，消能区高约3米，水力跌水井井深较大，施工维护困难。

另外，上述三种技术都需选址新建跌水井，无构筑物或材料重复利用。

基于上述技术问题，亟需提出一种新的跌水井及其施工工艺，以实现改造工艺简单、施工方便，且能够避免跌水井改造过程，需要大开挖施工的繁琐问题。

发明内容

本发明研发目的是为了解决上述技术问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

一种基于顶管工作井实现的跌水井，包括井壁、上游雨水管、下游雨水管，上游雨水管和下游雨水管均与井壁连通，上游雨水管与下游雨水管形成高低落差，所述井壁内安装有碎流装置和至少一组消能装置，所述碎流装置布置在上游雨水管的出口位置，所述消能装置布置在碎流装置的下方，井底布置有格宾网箱石笼和消能墩。

优选的：所述碎流装置包括第一横梁和多个碎流管，第一横梁安装在井壁的两侧，多个碎流管采用倾斜的方式安装在第一横梁上。

优选的：所述消能装置包括多个第二横梁和多个消能管，第二横梁安装在井壁的两侧，多个消能管采用倾斜的方式安装在第二横梁上。

一种基于顶管工作井实现的跌水井改造工艺，包括以下步骤：

步骤1.利用顶管工作井施工后的发射坑或接收坑作为跌水井改造施工现场，在进水方向工作井底部放置格宾网箱石笼；

步骤2.在工作井底板上确定消能墩的位置，凿毛此处底板，支模浇筑消能墩；

步骤3.在井壁上分别安装第一横梁和第二横梁；

步骤4.将多个消能管采用倾斜方式安装在第二横梁上；

步骤5.将多个碎流管采用倾斜方式安装在第一横梁上。

优选的：步骤3中，在井壁上安装第一横梁和第二横梁时，在井壁上预留钢筋接头，利用钢筋焊接在预留的钢筋接头上，并支模浇筑，形成第一横梁和第二横梁。

优选的：步骤3中，在井壁上安装第一横梁和第二横梁时，在井壁上打入膨胀螺丝，将钢筋焊接在膨胀螺丝上，然后采用支模浇筑的方式，浇筑形成第一横梁和第二横梁。

优选的：所述第二横梁为不锈钢横梁，所述消能管为不锈钢矩形管，消能管采用卡箍方式固定安装在第二横梁上。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明利用现有构筑物，环保高效，节能节地。市政雨水主干管具有大管径、大埋深的特点，通常采用顶管等非开挖技术施工，而开挖施工占地过大，给地面活动造成不利影响，本发明利用现有顶管工作井，无需另外新建井体。

2.采用本发明的施工工艺改造的跌水井，具有消能效果优良，无气爆现象的优点。本发明可使跌落水流分散良好，掺气充分，水流进入出流区后释气充分，不产生气爆现象。

3.本发明的施工改造工艺简单，施工维护方便。本发明中采用的消能工有碎流栅、不锈钢方斜管、格宾网箱石笼、消能墩，其中碎流栅采用不锈钢螺丝固定，不锈钢方斜管采用卡箍型安装方式；石笼市场成熟、易取材；消能墩制式简单，易施工。整套工艺使用部件均易取易换，维护简单。

4.本发明解决了跌水井施工需另外新建，而现有顶管工作井需回填部分井腔改为普通检查井的矛盾问题，改造工艺部件少、施工简单，消能效果优良，无气爆现象，环保高效，节能节地，维护简单，特别适用于大管径、大埋深、顶管施工的市政雨水主干管大高差跌水。

附图说明

图1是一种基于顶管工作井实现的跌水井及其改造工艺的立面图；

图2是图1的俯视图；

图3是现有的顶管工作井的施工原理示意图；

图中，1-井壁，2-上游雨水管，3-下游雨水管，4-碎流装置，5-消能装置，6-格宾网箱石笼，7-消能墩，8-第一横梁，9-碎流管，10-第二横梁，11-消能管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

具体实施方式一：结合图1-图2说明本实施方式，本实施方式的一种基于顶管工作井实现的跌水井，包括井壁1、上游雨水管2、下游雨水管3，上游雨水管2和下游雨水管3均与井壁1连通，上游雨水管2与下游雨水管2形成高低落差，所述井壁1内安装有碎流装置4和至少一组消能装置5，所述碎流装置4布置在上游雨水管2的出口位置，所述消能装置5布置在碎流装置4的下方，井底布置有格宾网箱石笼6和消能墩7。

进一步地、所述碎流装置4包括第一横梁8和多个碎流管9，第一横梁8安装在井壁1的两侧，多个碎流管9采用倾斜的方式安装在第一横梁8上，第一横梁8的数量为两个，如图1所示，两个第一横梁8采用一上一下的方式布置安装在井壁1上，在两个第一横梁8上安装多根倾斜布置的碎流管9，碎流管9为不锈钢管，安装后的多个碎流管形成格栅，利用格栅对上游雨水管2流入的水流进行碎流，以降低水流速，减少水流冲击。碎流管9可采用铆接、螺栓连接、焊接方式等其中的一种安装在第一横梁8上。

进一步地、所述消能装置5包括多个第二横梁10和多个消能管11，第二横梁10安装在井壁1的两侧，如图1所示，多个消能管11采用倾斜的方式安装在第二横梁10上。在本实施例中，消能装置5为两组，每组均包括多个第二横梁10和多个消能管11。这两组消能装置5的消能管11在空间上交错布置。这样被碎流装置进行碎流后的水流，在空间交错布置的消能管11作用下，水流分散良好、掺气充分，水流下落阻力大幅增加，消能效率可达95％左右，消能作用显著。

在本实施例中，本发明利用现有顶管工作井，对其内部进行跌水消能改造。以顶管前进方向作为前方，将工作井前后分为碎流区(即碎流装置4所在区域)、斜管消能区(即消能装置5所在区域)、石笼消能区(即格宾网箱石笼6所在区域)、出流区(即消能墩7所在区域)。碎流区位于上游雨水管2的管口处，采用固定在混凝土横梁上的一组碎流管9(不锈钢斜管)打碎水流，不锈钢管与水流方向呈45°夹角。斜管消能区设置斜装的消能管11(不锈钢斜管)，消能管11与水流方向呈60°夹角，水流沿消能管11内外壁跌落消能，并进一步打碎水流。斜管消能区下部设置格宾网箱石笼6格宾网箱石笼6可消解跌落水流对工作井底板的冲击。水流经格宾网箱石笼6流出后，经出流区的两道消能墩7消能减速,流入下游雨水管3。

在本实施例中，不锈钢管与水流方向呈45°夹角，是因为：根据《跌水与陡坡(第二版)》(陈德亮等)碎流栅与水流方向垂直。但从防洪安全角度考虑，不可阻挡水流出口，因此调整碎流栅角度为45°，只对流速过快、流量过大的水流进行初步碎流消能，以保证绝大部分水流落入斜管消能区。

在本实施例中，斜管消能区设置斜装的消能管11(不锈钢斜管)，消能管11与水流方向呈60°夹角，是因为：当倾角在35～45°时会对排泥不利，为使消能管保持自净，减少消能管11堵塞的可能性，消能管11安装角度选用60°。

具体实施方式二：结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式的一种基于顶管工作井实现的跌水井改造工艺，是利用顶管工作井进行施工后的发射坑或接收坑作为基础进行改造，形成的跌水井，目前顶管工作井施工原理如图3所示，在发射坑利用顶管作业机械将钢筋混凝土管顶进黏土层，依次顶入钢筋混凝土管，直到顶出接收井穿墙洞。在顶管工作井施工完毕后，需要将发射坑或接收坑进行回填或部分回填形成普通的检查井，但是回填或部分回填后，在重新进行跌水井施工，还需要重新开挖路面，新建井体实施跌水井的建造。为此，在本实施例中，为了减小这种反反复复的工作，提出了一种基于顶管工作井实现跌水井改造的工艺，具体包括以下步骤：

步骤1.利用顶管工作井施工后的发射坑或接收坑作为跌水井改造施工现场，在本事实例中，将被利用的接收坑或发射坑称之为工作井，在进水方向工作井底部放置格宾网箱石笼6；

步骤2.在工作井底板上确定消能墩7的位置，凿毛此处底板，支模浇筑消能墩7，其中消能墩7为三角形、梯形或工字型等，消能墩7为设置为多排，当消能墩7设置成多排时，消能墩可规则阵列布置或不规则交错布置；

步骤3.在井壁1上分别安装第一横梁8和第二横梁10，其中第一横梁8和第二横梁10的安装方式有以下两种：

(1)在井壁1上安装第一横梁8和第二横梁10时，在井壁1上预留钢筋接头，利用钢筋焊接在预留的钢筋接头上，并支模浇筑，形成第一横梁8和第二横梁10。

(2)在井壁1上安装第一横梁8和第二横梁10时，在井壁1上打入膨胀螺丝，将钢筋焊接在膨胀螺丝上，然后采用支模浇筑的方式，浇筑形成第一横梁8和第二横梁10。

步骤4.将多个消能管11采用倾斜方式安装在第二横梁10上，所述第二横梁10为不锈钢横梁，所述消能管11为不锈钢矩形管，消能管11采用卡箍方式固定安装在第二横梁10上；

步骤5.将多个碎流管9采用倾斜方式安装在第一横梁8上。

具体实施方式三：结合图1-图3，并结合具体实施方式二，说明本实施方式，本实施方式例举实际施工改造情况，以说明一种基于顶管工作井实现的跌水井改造工艺是可实施的。

在本实施例中，井体的长宽高尺寸为：900cm×600cm×1500cm，碎流管9和消能管11均为不锈钢管，不锈钢矩形管为截面16×16cm，厚6mm；

其中碎流管9的两端切割成斜角，碎流管9的斜角角度为80°，碎流管9与水流方向呈45°夹角，多根碎流管9通过不锈钢螺丝安装固定在第一横梁8内，相邻的两根不锈钢管间距为16cm，碎流管9与第一横梁8组合成碎流栅，第一横梁8混凝土选用C30混凝土。第一横梁8包括的数量为两根，根据上游雨水管内雨水流向可分为山水流近端横梁和水流远端横梁，两根横梁的宽度为50cm，横梁长度与井体长度相一致，横梁长度两端钢筋与工作井井壁预留钢筋焊接。

消能管11的两端切割成斜角，消能管11的斜角角度为60°，消能管11与水流方向呈60°夹角，消能管11通过不锈钢卡箍固定在第二横梁10上，横梁长度两端钢筋与工作井井壁预留钢筋焊接。其中，由第二横梁10和消能管11组成的消能装置5可根据跌差大小设置多组，每组消能管长1m，两组间垂直净距1.2m，上下两组斜管呈之字形排列。

斜管消能区下部为石笼消能区，采用格宾网箱石笼6。网箱网孔10×12cm，网丝采用3.2mm热镀高锌丝，每个网箱外尺寸为2×1×1m，网箱内填毛石，毛石应坚实，无风化剥落层或裂纹。石料应呈块状，密度应大于25kN/m³，最小重量不应小于25kg，抗压强度应大于20mPa。石料长度应大于30cm，最小边厚度应大于20cm。规格小于要求的毛石可以用于塞缝，其用量不超过该处砌体重量的10％。

消能墩7为C30混凝土材质，砌筑消能墩前，需将工作井底砌筑处凿毛并吹洗干净。消能墩7可设置多排，相邻的两排消能墩7前后交错布置。

在本实施例构建的跌水井，在顶管工作井施工后，利用顶管工作井的发射坑或接收坑改造成跌水井，能够解决在“用地紧张、管网密集的建成区域内重新开挖施工，建造跌水井工艺复杂”等问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于顶管工作井实现的跌水井改造工艺，包括井壁(1)、上游雨水管(2)、下游雨水管(3)，上游雨水管(2)和下游雨水管(3)均与井壁(1)连通，上游雨水管(2)与下游雨水管(3)形成高低落差，井体的长宽高尺寸为：900cm×600cm×1500cm，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.利用顶管工作井施工后的发射坑或接收坑作为跌水井改造施工现场，在进水方向工作井底部放置格宾网箱石笼(6)，其中，网箱网孔10×12cm，网丝采用3.2mm热镀高锌丝，每个网箱外尺寸为2×1×1m，网箱内填毛石，毛石要求坚实，无风化剥落层或裂纹，石料要求呈块状，密度应大于25kN/m³，最小重量不小于25kg，抗压强度大于20mPa，石料长度大于30cm，最小边厚度大于20cm，规格小于要求的毛石用于塞缝，其用量不超过该处砌体重量的10％；

步骤2.在工作井底板上确定消能墩(7)的位置，凿毛此处底板，支模浇筑消能墩(7)；

消能墩(7)为三角形、梯形或工字型，消能墩(7)设置为多排，多排消能墩(7)呈不规则交错布置；

步骤3.在井壁(1)上分别安装第一横梁(8)和第二横梁(10)；

第一横梁(8)和第二横梁(10)的安装方式有以下两种：

第1种方式：在井壁(1)上安装第一横梁(8)和第二横梁(10)时，在井壁(1)上预留钢筋接头，利用钢筋焊接在预留的钢筋接头上，并支模浇筑，形成第一横梁(8)和第二横梁(10)；

第2种方式：在井壁(1)上安装第一横梁(8)和第二横梁(10)时，在井壁(1)上打入膨胀螺丝，将钢筋焊接在膨胀螺丝上，然后采用支模浇筑的方式，浇筑形成第一横梁(8)和第二横梁(10)；

步骤4.将多个消能管(11)采用倾斜方式安装在第二横梁(10)上；

消能管(11)的两端切割成斜角，消能管(11)为不锈钢管，消能管(11)的斜角角度为60°，消能管(11)与水流方向呈60°夹角，消能管(11)通过不锈钢卡箍固定在第二横梁(10)上，其中，由第二横梁(10)和消能管(11)组成的消能装置(5)根据跌差大小设置多组，每组消能管长1m，两组消能装置(5)之间的垂直净距1.2m，上下两组消能管(11)呈之字形排列；

步骤5.将多个碎流管(9)采用倾斜方式安装在第一横梁(8)上；

碎流管(9)的两端切割成斜角，碎流管(9)的斜角角度为80°，碎流管(9)与水流方向呈45°夹角，多根碎流管(9)通过不锈钢螺丝安装固定在第一横梁(8)内，相邻的两根碎流管(9)间距为16cm，碎流管(9)与第一横梁(8)组合成碎流栅，第一横梁(8)混凝土选用C30混凝土，第一横梁(8)的数量为两根，根据上游雨水管(2)内雨水流向可分为水流近端横梁和水流远端横梁，两根横梁的宽度为50cm，横梁长度与井体长度相一致，横梁长度两端钢筋与工作井井壁预留钢筋焊接。

2.根据权利要求1所述的一种基于顶管工作井实现的跌水井改造工艺，其特征在于：所述第二横梁(10)为不锈钢横梁，所述消能管(11)为不锈钢矩形管，消能管(11)采用卡箍方式固定安装在第二横梁(10)上。