CN219450986U - 一种改善气爆强度的折板竖井 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及排水技术领域，具体公开了一种改善气爆强度的折板竖井，与深隧排水管道连通，包括顶部设置有限流孔板且呈圆柱状的竖井、用于将竖井沿其轴向分割为干区和湿区的隔板、安装在湿区的折板结构；所述湿区与深隧排水管道连接；在隔板的底部设置有应与连通湿区和干区的连通区域；在所述限流孔板上设置有开孔。本实用新型避免了在强降雨条件下深隧排水管道内发生气爆导致雨污水外溢至地面，又保证了城市深层排水隧道工程的安全运行。

Description

一种改善气爆强度的折板竖井

技术领域

本实用新型涉及排水技术领域，更具体地讲，涉及一种改善气爆强度的折板竖井。

背景技术

在强降雨条件下，大量雨水通过竖井进入城市深隧排水管道，使主隧道被水流迅速充满，系统内大部分空气通过竖井被挤压排出，由于多个竖井同时工作，可能导致主隧道内水流从无压状态转变为有压流，此时系统内未及时排出的空气和入流挟带的气体在主隧道瞬变流的作用下形成高压截留气团，并随着主隧道两端的压差产生移动，排水主隧道内水流也从明渠流转变为复杂的水气两相流。当截留气团移动至竖井联络管时，由于浮力作用，导致高压气团突然释放，并带动竖井内水流向外喷出，形成剧烈的气爆现象，或称之为间歇泉。剧烈的排气过程一方面会使深隧排水管道内的雨污水外溢，影响地面安全，另一方面可能会导致深隧和竖井结构发生破坏，严重威胁城市深隧排水管道的安全运行。

由于折板型竖井结构的特殊性，井筒被隔板划分为湿区和干区两部分，其中湿区有大量交错布置的折板，承担着浅层管网来流的泄流和消能，而干区则类似于普通的竖井，主要负责设备吊装和通风通气。研究表明，普通圆形竖井的气爆现象主要是由上升的Taylor气泡所引起，当折板型竖井内发生气爆时，竖井湿区本身具有减弱和消除气爆的特有属性，而半圆形的干区无法形成规则的Taylor气泡，因此折板型竖井内的水气两相流动特性更为复杂。此外，隔板底部干区和湿区的连通区域面积对气爆的释放强度具有决定性的作用，若连通面积过大，有利于气爆从竖井干区释放，若面积过小，高压气水流则从竖井湿区通过，减弱或消除了气爆的强度，但强烈的水冲击荷载对折板结构的安全造成严重威胁。

现有的技术还未针对折板型竖井在气爆强度控制和折板结构安全之间寻找到平衡点，即既要控制气爆的强度，以免雨污水喷出井外，影响城市道路交通及行人安全，又要保证高压截留气团释放时竖井底部折板的结构安全。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种改善气爆强度的折板竖井，避免主隧道中高压截留气团释放导致的雨污水外溢，并保证折板型竖井结构安全。

本实用新型解决技术问题所采用的解决方案是：

一种改善气爆强度的折板竖井，与深隧排水管道连通，包括顶部设置有限流孔板且呈圆柱状的竖井、用于将竖井沿其轴向分割为干区和湿区的隔板、安装在湿区的折板结构；所述湿区与深隧排水管道连接；在隔板的底部设置有应与连通湿区和干区的连通区域；在所述限流孔板上设置有开孔。

本实用新型通过深隧排水管道与湿区的连接方式，并在隔板的底部设置保证湿区与干区连通的连通区域，使得深隧排水管道内高压截留气团释放产生的高速水气混合物能够快速进入竖井干区，从而降低作用在竖井底部折板的水冲击荷载，提高折板结构的安全性，然后通过设置在竖井干区顶部的限流孔板控制气爆的喷射强度，防止深隧排水管道中内的雨污水外溢至地面，保障了城市道路交通及行人安全。

在一些可能的实施方式中，为了有序奥的实现消能耗能；

所述折板结构包括沿竖井轴向且呈交错设置的折板组，两组折板组相互配合形成折流通道。

在一些可能的实施方式中，每个折板组包括多块沿竖向设置且与隔板连接的折板；每块折板呈水平设置；两组折板组呈半圆结构投影在水平面上。

在一些可能的实施方式中，两组折板组中的折板呈等间距设置；同组中相邻两块折板的间距为E，竖井的直径为D,E＝0.970D。

在一些可能的实施方式中，所述折板为四分之一圆结构，其直径与竖井的直径相等。

在一些可能的实施方式中，在所述竖井的侧面且位于湿区的底部设置有出口；

所述深隧排水管道通过联络管与湿区连通，在所述竖井的侧面且在位于湿区的顶部设置有入口；所述折板结构位于入口与出口之间。

在一些可能的实施方式中，为了有效的实现在发生气爆时产生的高速水气混合物能够快速进入竖井干区，较少对竖井湿区的影响；

所述联络管的轴线与竖井的轴线相互垂直。

在一些可能的实施方式中，为了有效的使得高速水气混合物在竖井干区释放，减小竖井底部折板承受的水冲击荷载；

所述连通区域设置在折板结构远离限流孔板的一侧；所述连通区域为S_i，S_i＝0.478πD²。

在一些可能的实施方式中，为了有效的保证竖井干区在正常通气条件下能够控制气爆的喷射强度，避免雨污水外溢至地面；

所述开孔的面积为S_d，S_d＝0.017πD²。

在一些可能的实施方式中，所述湿区的容积与干区的容积相等。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型通过设置具有开孔的限流孔板、将湿区与深隧排水管道连接并结合设置湿区与干区连通的连通区域将有效地改善发生气爆时竖井底部折板承受的水冲击荷载，并减小主隧道中高压截留气团释放导致的雨污水外溢风险，保障了城市深隧排水管道的结构安全及正常运行；

本实用新型通过设置具有开孔的限流孔板，与未设置限流孔板的竖井相比，在相同工况下气爆的喷射高度均得到有效控制，将使得发生气爆时大量气水混合物喷出井外得到有效的控制，避免影响地面安全；

本实用新型通过设置折板结构，有效的实现消能。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型折板型竖井的干区与干区联络管连接的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中气爆模型试验系统布置图；

图4为本实用新型实施例中不同进气压下测点A最大水冲击荷载；

图5为本实用新型实施例中不同进气压下测点B最大水冲击荷载；

图6为本实用新型实施例中不同进气压下测点C最大水冲击荷载；

图7为本实用新型实施例中联络管接湿区条件下测点A最大水冲击荷载；

图8为本实用新型实施例中联络管接干区条件下测点C最大水冲击荷载；

图9为本实用新型实施例中不同限流孔板孔径下竖井干区出口压强变化规律；

其中：1、进水管；2、竖井；3、折板；4为隔板；5为湿区；6为干区；7a为湿区联络管；7b、干区联络管；8、高速喷射水流；9、连通区域；10、折板冲击荷载测点A；11、折板冲击荷载测点B；12、折板冲击荷载测点C；13、限流孔板；131、开孔；14、金属软管；15、球阀；16、进气管；17、气阀；18、高压气泵。

具体实施方式

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。本申请所提及的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，"一个"或者"一"等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本申请实施中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个定位柱是指两个或两个以上的定位柱。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面对本实用新型进行详细说明。

如图1-图9所示：

一种改善气爆强度的折板竖井，与深隧排水管道连通，包括顶部设置有限流孔板13且呈圆柱状的竖井2、用于将竖井2沿其轴向分割为干区6和湿区5的隔板4、安装在湿区5的折板结构；所述湿区5与深隧排水管道连接；在隔板4的底部设置有应与连通湿区5和干区6的连通区域9；在所述限流孔板13上设置有开孔131。

当深隧排水管道内高压截留气团移动至联络管7时，浮力作用导致气团突然释放，并在联络管中形成高速水气混合物，一部分进入湿区5，对折板结构的底部产生竖直向上的冲击荷载，另一部分通过连通区域9进入干区6，形成竖直向上的高速喷射水流8，喷出井外的水气混合物跌落至地面，严重影响城市道路交通及行人安全。

本实用新型通过深隧排水管道与湿区5的连接方式，并在隔板4的底部设置保证湿区5与干区6连通的连通区域9，使得深隧排水管道内高压截留气团释放产生的高速水气混合物能够快速进入干区6，从而降低作用在竖井2底部折板3的水冲击荷载，提高折板结构的安全性，然后通过设置在干区6顶部的限流孔板13控制气爆的喷射强度，防止深隧排水管道中内的雨污水外溢至地面，保障了城市道路交通及行人安全。

在一些可能的实施方式中，为了有序奥的实现消能耗能；

所述折板结构包括沿竖井2轴向且呈交错设置的折板3组，两组折板3组相互配合形成折流通道。

在一些可能的实施方式中，每个折板组包括多块沿竖向设置的折板3；每块折板3呈水平设置。每个折板组包括多块沿竖向设置且与隔板连接的折板3；每块折板3呈水平设置，两组折板组呈半圆结构投影在水平面上；每个折板3的圆弧面与竖井2的内侧面抵接。

采用该设置使得进入湿区的高速水气混合物只能沿着折流通道向上运动；实现对于高速水气混合物的耗能。

在一些可能的实施方式中，两组折板组中的折板3呈等间距设置；同组中相邻两块折板3的间距为E，竖井2的直径为D,E＝0.970D。

在一些可能的实施方式中，所述折板3为四分之一圆结构，其直径与竖井2的直径相等。

在一些可能的实施方式中，在所述竖井2的侧面且位于湿区5的底部设置有出口；

所述深隧排水管道通过联络管与湿区5连通，在所述竖井2的侧面且在位于湿区5的顶部设置有入口；所述折板结构位于入口与出口之间。

入口用于进水管1，出口与联络管连接。

在一些可能的实施方式中，为了有效的实现在发生气爆时产生的高速水气混合物能够快速进入干区6，减少对湿区5的影响；

所述联络管的轴线与竖井2的轴线相互垂直。

在一些可能的实施方式中，为了有效的使得高速水气混合物在干区6释放，减小竖井2底部折板3承受的水冲击荷载；

所述连通区域9设置在折板结构远离限流孔板13的一侧；所述连通区域9为S_i，S_i＝0.478πD²。

在一些可能的实施方式中，为了有效的保证干区6在正常通气条件下能够控制气爆的喷射强度，避免雨污水外溢至地面；

所述开孔131的面积为S_d，S_d＝0.017πD²。

在一些可能的实施方式中，所述湿区5的容积与干区6的容积相等。

为了有效的证明本实用新型的可行性，

构建了两组了内部设置有折板3的竖井气爆模型试验系统；通过试验数据分析，对比联络管接湿区5或干区6两种方案对折板3底部水冲击荷载和气爆喷射高度的影响，研究干区6与湿区5的连通区域9面积大小对气爆强度的削弱程度，并最终确定限流孔板13的开孔131面积，保证干区6正常通风的条件下避免高速水气混合物喷出井外。

竖井气爆模型试验系统包括上述内部设置有折板3的竖井模型，其中折板3为两组，竖井2通过联络管与湿区5连接，联络管的另外一端连接高压系统；高压系统包括依次与联络管连接的金属软管14、球阀15、进气管16和高压气泵18；高压气泵18与进气管16通过连接管连接，连接管上设置有气阀17；同时对于整个试验系统并采用摄影系统对整个试验过程进行记录；

优选的，竖井模型高1.2m、直径0.2m，同侧相邻折板3间距0.097m；联络管长0.3m、直径0.05m；金属软管14和进气管16均为长0.5m、直径0.05m，两者之间通过球阀连接；球阀采用汽车轮胎高压合金气门嘴，高压气泵18采用车载大功率数显气泵，最大工作压强为1.0MPa。

选择竖井2底部自下而上的3块折板3作为压力测点，通过测力传感器记录折板3的水冲击荷载；其中，3处测点距离井底的高度分别为0.165m，0.245m，0.325m。

使用时，关闭球阀15，向竖井2中注入清水至设计水位；

通过高压气泵18向进气管16中加压至设计压强，然后关闭气阀，并保证水面静止；

开启数据采集系统，连接监测设备，打开摄影机并记录初始压强值；

快速打开球阀，球阀打开时间小于0.2S，使高压气团迅速释放，并带动竖井内气水混合物沿垂直方向高速喷出，形成气爆；

大约1～2s后，气爆到达竖井顶部，并记录最大喷射高度，高压气团完全释放后待水面静止，关闭数据采集系统和摄影机；

打开金属软管与联络管之间的法兰，将系统中余水全部排出，准备下组试验。

在使用本竖井气爆模型试验系统时，根据试验的要求，金属软管可与干区连通，也可与湿区连通。

根据试验工况，定义无量纲水深参数、无量纲进气压参数、无量连通区域9面积参数、无量纲开孔131面积参数；

无量纲水深参数为：h^*＝h_s/H (1)；

式(1)中，h^*为水深，H为竖井2高度；

无量纲进气压参数：p^*＝p_i/p_s； (2)

式(2)中，p_i为进气管16压强，p_s为标准大气压；

无量连通区域9面积参数：

式(3)中，S_i为连通面积，D为竖井2直径；

无量纲开孔131面积参数：

式(4)中，S_d为连通面积，D为竖井2直径；

具体的，4个无量纲参数分别按照0取值；

表1

根据0列出的4种无量纲参数取值，开展了202组试验；

按照上述方案得到所有工况下3个测点的水冲击荷载最大值,如图4-图6所示，3个测点为折板冲击荷载测点A10、折板冲击荷载测点B11和折板冲击荷载测点C12，通过对比联络管与湿区5连通和联络管与干区6连通发现，作用在折板3底部的冲击荷载随着进气压的增大整体呈现增大的趋势，但个别工况会出现负相关；采用联络管接干区6所测得的折板3底部水冲击荷载要普遍大于联络管接湿区5的，表明联络管接湿区5的连接方式更有利于竖井2底部折板3安全；

为了能够量化比较湿区联络管7a接湿区5和干区联络管7b接干区6两种不同接竖井2方式对折板3底部水冲击荷载的影响，定义联络管接入湿区5所测得的折板3最大荷载为Fw，联络管接入干区6所测得的折板3最大荷载为Fd。

对比相同工况和相同测点下两种不同联络管接入方式的折板3最大荷载比值Fd/Fw概率密度分布，结果发现，在所述测试的工况中0<Fd/Fw<1.0的共65组，Fd/Fw>1.0的共137组，Fd/Fw最大值达到24.92，这说明发生气爆时联络管接入湿区5的方式可有效降低折板3底部的水冲击荷载，有利于折板结构安全。

通过试验录像可视化分析，对比联络管两种不同接入方式对气爆喷射高度的影响，当时，两种方式测得的喷射高度试验差值为0.47m，而当/>时，两者试验高度差仅0.32m，说明联络管不同接入方式对气爆喷射高的影响较小，尤其是随着干/湿区5连通面积的逐渐增大，联络管接入方式对气爆喷射高度的影响程度不断减小。

为联络管接湿区5条件下折板冲击荷载测点A10最大水冲击荷载，可以看出，当联络管接湿区5时，相同进气压条件下折板3最大荷载FA,m随着连通区域9面积的减小而增大，当/>时，p^*≥3.500才发生气爆现象，而当/>时，进气压p^*＝2.500便会发生形成气爆，并且气爆的喷射高度均大于相同工况下/>时的喷射高度，但/>和0.159时两者的气爆喷射高度基本相同。

图8为联络管接干区6条件下折板冲击荷载测点C12最大水冲击荷载，当p^*≤3.500时，不同连通区域9面积下三者的折板3最大荷载较为接近，FA,m介于0.164～2.421kN/m2之间，而当p^*＝4.000时，折板3最大荷载随着连通区域9面积的增大而快速增大，/>时折板3最大荷载达到8.848kN/m²。此外，当联络管接干区6时，不同连通区域9面积条件下发生气爆时的进气压均为p^*＝3.000，但气爆喷射高度随着/>的减小而增大。因此，在联络管接干区6条件下通过改变连通区域9面积无法很好地控制气爆的喷射高度。

由图4～图8可知，联络管接入湿区5这一方式更有利于底部折板3的结构安全和深隧排水系统的正常运行，此时的无量纲干/湿区5连通区域9面积

图9为不同限流孔板13孔径下干区6出口压强变化规律，很显然，发生气爆时干区6的出口压强随着孔板开孔131面积的减小而增大，未设置限流孔板13时干区6出口压强约0.3kPa，设置限流孔板13后出口压强急剧增大，当干区6顶部密封时，即/>干区6最大压强达到了20.787kPa。因此，在限流孔板13结构设计时必须要考虑两个问题，其一是结构自重，防止气爆时竖井2顶部盖板被高压气水混合物冲出；其二是结构强度，气爆时产生的巨大冲击荷载作用在孔板上，对其结构造成严重威胁，足够的强度和刚度才能够保证限流孔板13在发生气爆时不会被冲坏。

根据试验录像的可视化分析结果，设置限流孔板13后，相同工况下气爆的喷射高度均得到有效控制，时，气爆的最大喷射高度降低至2.53m，18组工况中有7组工况未发生气爆，控制率为38.9％；/>时，剩余6组发生了气爆，最大喷射高度也控制到1.76m；/>时，仅剩2组工况产生了气爆现象，其最大喷射高度为1.52m，相比于未设置限流孔板13，气爆控制率达到了88.9％，最大喷射高度降低了82.5％。

由此可得，通过采用联络管接入湿区5的方式，并且有效的控制连通面积和开孔棉结，能够很好地改善发生气爆时竖井2底部的折板3承受的水冲击荷载，并减小主隧道中高压截留气团释放导致的雨污水外溢风险，保障了城市深隧排水系统的结构安全及正常运行。

本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种改善气爆强度的折板竖井，与深隧排水管道连通，其特征在于，包括顶部设置有限流孔板且呈圆柱状的竖井、用于将竖井沿其轴向分割为干区和湿区的隔板、安装在湿区的折板结构；所述湿区与深隧排水管道连接；在隔板的底部设置有应与连通湿区和干区的连通区域；在所述限流孔板上设置有开孔。

2.根据权利要求1所述的一种改善气爆强度的折板竖井，其特征在于，所述折板结构包括沿竖井轴向且呈交错设置的折板组，两组折板组相互配合形成折流通道。

3.根据权利要求2所述的一种改善气爆强度的折板竖井，其特征在于，每个折板组包括多块沿竖向设置且与隔板连接的折板；每块折板呈水平设置，两组折板组呈半圆结构投影在水平面上。

4.根据权利要求2所述的一种改善气爆强度的折板竖井，其特征在于，两组折板组中的折板呈等间距设置；同组中相邻两块折板的间距为E，竖井的直径为D,E＝0.970D。

5.根据权利要求3所述的一种改善气爆强度的折板竖井，其特征在于，所述折板为四分之一圆结构，其直径与竖井的直径相等。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种改善气爆强度的折板竖井，其特征在于，在所述竖井的侧面且位于湿区的底部设置有出口；

所述深隧排水管道通过联络管与湿区连通，在所述竖井的侧面且在位于湿区的顶部设置有入口；所述折板结构位于入口与出口之间。

7.根据权利要求6所述的一种改善气爆强度的折板竖井，其特征在于，所述联络管的轴线与竖井的轴线相互垂直。

8.根据权利要求4所述的一种改善气爆强度的折板竖井，其特征在于，所述连通区域设置在折板结构远离限流孔板的一侧；所述连通区域为S_i，S_i＝0.478πD²。

9.根据权利要求4所述的一种改善气爆强度的折板竖井，其特征在于，所述开孔的面积为S_d，S_d＝0.017πD²。

10.根据权利要求6所述的一种改善气爆强度的折板竖井，其特征在于，所述湿区的容积与干区的容积相等。