折板跌落式竖井设计约束条件研究

王 斌，邓家泉，何贞俊，王建平

（1.河海大学 研究生院，江苏 南京 210029； 2.珠江水利科学研究院，广东 广州 510611）

折板跌落式竖井设计约束条件研究

王 斌1，2，邓家泉2，何贞俊2，王建平2

（1.河海大学 研究生院，江苏 南京 210029； 2.珠江水利科学研究院，广东 广州 510611）

结合国内深层隧道排水工程－广州市东濠涌深层排水隧道，通过物理模型试验探讨了不同折板间距情况下折板竖井消能规律，并根据竖井中水流在折板间需满足的过流能力及充分消能的约束条件，研究了折板竖井消能的最大过流流量及稳定消能边界，提出了折板竖井设计应同时满足的约束条件以及折板通气孔的推荐位置。研究表明，在折板间距与折板宽度的比值小于0.408时，约束条件只有最大过流能力；当比值大于0.408时，只需考虑充分消能的约束条件。

折板竖井；最大过流流量；物理模型；贴壁流流态；设计流量

1 研究背景

城市深层隧道排水系统可有效地缓解城市合流制溢流（CSO）、内涝等问题，已在美国、日本等国家得到运用，并取得了较好的工程效果。在深层隧道排水系统中常用的竖井消能结构有旋流式竖井和折板式竖井两种。旋流式竖井结构使进入竖井的水流沿井壁螺旋下降，落入下方的水垫层中。旋流竖井利用旋流的离心力作用，在壁面上形成正压力。由于水流的旋转作用，增加了水流紊动与摩擦，提高了消能效率，同时可形成较稳定的空腔，有利于空气掺混，减轻空蚀作用［1］。旋流竖井一般用于水利水电枢纽，泄量较大。但是旋流式竖井也存在缺点，需额外设置维修进出通道；为清除臭气，下游需设置除气室；大流量高速水流在旋流式竖井中还会产生强烈振动现象以及巨大的噪音，通过工程措施上述缺点均可改善，但是折板竖井可从消能机理上避免以上问题。

折板竖井是由竖向中隔墙和一系列水平折板构成，水流在折板间往复运送至井底，通过折板间的跌落、掺气和冲撞达到消能的目的。竖向中隔墙将竖井分为“干区”和“湿区”两部分。“湿”区用以过流，将水流消能后输送至井底；“干”区用作机械吊装通道及通气通道。折板竖井的结构及“干”、“湿”区的位置如图1所示。鉴于折板式竖井具有易于安装维护，能有效避免空化，建造工艺简便等优点，近来在国内外深层隧道排水系统中得到应用。

折板竖井结构最早出现在1914年，但由于早期设计采用全断面方式过流，缺少通气设施，导致折板产生不利震动，最终使得竖井损毁［2］。近年来，折板竖井结构不断改进，Margevicius等［2］论证了ECT-4竖井多入口、多高程入流的可行性，验证了折板消能竖井具备通过4.8m3/s流量的能力。Od⁃gaard等［3］分析参考York市及Cleveland市的设计方案后，在自由跌流理论的前提下提出了折板竖井设计方法，并在Indianapolis市的Fall Creek/White River隧道系统应用，取得了较好的效果。然而这一设计原则仅从自由跌流理论进行推导，并未考虑折板消能竖井流动的特殊性，即大折板间距的情况下易产生贴壁流，因此易导致竖井设计参数不合理，消能不充分的情况发生。

本文结合国内深层隧道排水工程—广州市东濠涌深层排水隧道，通过物理模型试验探讨折板竖井消能的最大过流流量及稳定消能边界，并对竖井消能规律及水力特性进行进一步研究。

2 折板竖井最大过流流量

折板竖井结构如图1所示。模型试验制作1∶24.49的竖井模型，中隔板穿过竖井中心，布置在1/ 2D的位置，D为竖井直径，原型尺寸为12 m。为能够灵活调整折板间距，折板设计为活动折板，间距分别设置为1.84、2.45、3.06、3.68和4.29m（对应模型分别为7.5、10、12.5、15和17.5 cm），以观测不同间距下的水流形态。受限于折板空间尺寸，不同折板间距下都有其对应的最大流量。在最大过流流量下，折板上方水面距离上一层折板底面有一定高度空间hv，用于空气的流通。为保证最大流量下不阻碍空气流动、拥堵通气孔，结合通气孔的位置与尺寸，通过试验观测得到水面距离上一层折板底面的空间高度hv的限制条件为，这也是最大过流流量的限制条件。

图1 折板竖井结构

图2 特征参数

每层折板末端出射水流可近似视为矩形截面出流。水流在折板内运输的过程中，由于过流“湿”区的竖井边壁为弧形曲面，原本就不稳定的水流在折板间跌落的过程中，受弧形边壁的挤压，折板末端的水流宽度比折板宽度B小，表示为δB（δ＜1）。当矩形水流宽度为δB时，折板上出射水流的临界水深表达为：

式中：Q为水流流量；g为重力加速度；δ为有效宽度系数。

最大流量情况下特征参数如图2所示。

当水流射出折板时，考虑到水流掺气、紊动等因素，折板末端射出水舌会膨胀变厚大于临界水深yc，表达为αyc（α＞1）。最大过流约束条件可表达为：

式中：α为水舌膨胀系数；h为折板上表面到下一层折板上表面的垂直距离；t为折板厚度。

式（2）中各特征参数位置如图2所示。

将yc带入式（2），令，则式（2）可写为：

为保证雍水面不堵塞通气孔，最大过流流量限制条件为：在最大过流流量下，折板平均壅水高度贴近上层折板底部，上涌的水流还会偶尔阻塞通气孔，此时hv/B=0.04［3］。虽然水面的浮动偶有水流从通气孔涌入干区，但涌入流量很小，不会阻塞空气流通。经模型试验测得最大过流流量结果如表1。

表1 试验最大过流流量

试验资料显示，试验各折板间距下的最大过流流量与文献［3］中数据相近，拟合曲线接近，如图3所示。

图3 最大过流流量对比

综合文献［3］与本文试验数据，可得到不同折板间距下最大过流流量的关系为：

研究结果表明，不同折板间距限制下，最大过流流量均须满足式（4）。折板竖井运行期间的流量不能超过其最大过流流量。

3 竖井稳定消能边界

试验证明，随着流量的增大，水流的跌落距离L（水流中心线跌落点到折板末端的水平距离，如图4所示）随之增大。当L增大并超越折板长度后，水舌不能直接跌落在折板上，而是冲向竖井边壁，并沿壁面向下流动，之后贴着折板表面水平射出，跌向下一层折板。贴壁流流态如图5所示。

折板竖井的消能方式是将水流直接引入折板上的水垫层中，并在水垫层中进行消能。而贴壁流态使水流直冲向井壁，不仅冲击井壁，还不利于消能。

假设水流以明渠临界流速vc从折板末端流出，并跌落到下一层折板上时，水流中心跌落点到上一层折板末端出流点的水平距离L可表示为［3］：

试验测得不同折板间距在各流量下的跌落距离L如表2。

表2 流量Q与跌落距离L关系

对表2数据进行最优化二次拟合，结果如表3。

表3 最优拟合公式

图4 贴壁流临界工况

图5 贴壁流典型工况

根据物理模型试验观测，当折板间距为3.06、3.68和4.29 m（对应的（h-t）/B分别为0.490、0.592、0.694）时，产生临界贴壁流流态所对应的跌落距离为L/D=0.47。贴壁流临界流量分别为18.03、14.5和9.25m3/s。如图6。

图6 折板竖井设计参数关系

联立求解式（5）、式（8），可求得满足消能条件（对应贴壁流临界）的折板竖井的最大过流能力关系式：

式（9）表明，当折板间距比值（h-t）/B为0.408时，其最大过流流量也是贴壁流临界流流量。

实际折板竖井设计中不仅要满足最大过流流量条件，还要满足稳定消能的条件。对加拿大约克镇竖井［4］、俄亥俄州东北部竖井［1］、东濠涌竖井设计流量进行验证，见图6。设计流量均在最大过流流量线与稳定消能边界以下，表明设计方案充分满足过流要求与消能要求，并留有一定富余空间。

4 结论

通过物理模型试验，结合广州市东濠涌深层排水隧道，探讨了折板竖井消能规律，并根据竖井中水流在折板间需满足的过流能力及充分消能的约束条件，研究了折板竖井消能的最大过流流量及稳定消能边界，得到以下认识：（1）为保证竖井折板通气孔在最大流量时能够保持气流通畅，折板上的水面高度不应超过通气孔底面高度，通过试验观测得到水面距离上层折板下底面的距离限制条件为hv/B=0.04，并由此总结出最大过流流量的关系式，这也是竖井过流能力的限制条件；（2）为满足竖井折板水流充分消能，避免形成贴壁流流态，导致消能效率降低，试验确定了满足消能要求的最大流量与折板间距的关系式，也是满足消能要求的限制条件；（3）根据模型试验及其分析，在设计折板竖井时需同时满足竖井的过流能力条件和充分消能条件。当竖井（h-t）/B为0.408时，其最大过流流量同时也是其稳定消能的临界流量。故在折板设计中，折板间距比（h-t）/B＜0.408时，只需考虑最大过流流量的约束条件；当（h-t）/B＞0.408时，只需考虑稳定消能的约束条件。

［ 1］ 牛争鸣，洪镝，谢小平，等 .导流洞改建为旋流式内消能泄洪洞的研究和实践——以公伯峡水电站为例［J］.水利水电科技进展，2007（1）：36-41.

［ 2］ Margevicius A，Schreiber A，Switalski R，et al.A baffling solution to a comp lex problem involving sewage drop structures［J］.Proceeding of the Water Environment Federation，2010（6）：1-9.

［ 3］ Odgaard A J，ASCE F，et al.Baffle-drop structure design relationships［J］.Hydraul.Eng.，2013，139（9）：995-1002.

［ 4］ Mark Stirrup，Eng M，Eng P，et al.A baffling solution to sewage conveyance in york region，Ontario［J］.Pro⁃ceedings of the Water Environment Federation，Collection Systems，2012，17：74-90.

A study on design constrain ts for baffle-drop shaft structu re

WANG Bin1，2，DENG Jiaquan2，HE Zhenjun2，WANG Jianping2
（1.Post-Graduate School HohaiUniversity，Nanjing 210029，China；2.Pearl River Hydraulic Research Institute，Guangzhou 510611，China）

The physical model experiments have been carried out for the Guangzhou Donghaochong Deep Sewerage Tunnel which is a deep tunnel drainage project in China.The project adopts the baffle-drop struc⁃ture to convey the CSO（combined sewer overflow）into the tunnel.The energy dissipation for different baf⁃fle spacing has been explored.The maximum operational discharge and stable energy dissipation boundary are proposed as design constraints.The suitable location of inspection port is recommended.The study shows that when the ratio of baffle spacing to the baffle width is less than 0.408，the constraint condition is maximum operational discharge.Otherwise，the stable energy dissipation boundary is the only constraint.

baffle-drop shaft；maximum operational discharge；stable energy dissipation boundaries；physi⁃cal model experiments；design constraints

TV134

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.05.008

1672-3031（2015）05-0363-06

（责任编辑：王冰伟）

2015-03-31

广州市水务科技项目“城市深层排水系统中折板消能竖井的水力特性研究”

王斌（1991-），男，新疆昌吉人，硕士生，主要从事水力学及河流动力学研究。

邓家泉（1956-），男，湖北钟祥人，博士，教授级高级工程师，主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail：jiaquandeng@163.com