折板倾角对深隧竖井水力特性的影响分析

尧 远

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

随着我国城市化进程的加快，城市暴雨内涝的问题日益凸显，受空间条件、改造费用等的限制，对浅层管网的改造难度很大，因此，具有海绵城市建设理念的城市深隧排水系统将成为我国解决城市内涝问题、消除溢流污染的主要途径。折板型竖井作为深隧排水系统中4种竖井消能结构之一[1]，已经在国外取得了较好的应用效果，由于折板竖井在泄流消能方面的运用效果甚好，国内外有不少学者对折板竖井的研究产生了浓厚兴趣，开展了相关物理模型实验。Margevicius等(2009)[2]对折板型竖井通过8.5m3/s流量的能力进行了验证。王志刚等(2015)[3、4]，王斌等(2015)[5、6]对折板型竖井的折板功能,不同折板间距竖井的泄流量和消能率进行了研究。Odgaardd等(2013)[7]对折板上水流跌落距离公式和折板竖井理论设计方法进行了推导。

目前，国内外研究者所进行的物理模型试验采用的均是无倾角的折板，尚未有学者对折板倾角进行研究。作为折板型竖井的一项设计参数，折板倾角对于竖井的水力学特性有着重要影响，本文将基于某种间距的折板竖井，选取0°、10°、20°折板倾角进行竖井泄流消能的物理模型试验，通过观测水流形态、水流流速、竖井顶部压强等物理量，研究折板倾角对竖井泄流消能的影响，从而为得到一个最优竖井结构提供一定参考。

1 试验模型设计

试验模型由供水水箱、进水管、竖井主体、出水管、水池、水泵以及回水管组成，其中，竖井主体被中隔板分成干区和湿区两部分，湿区交错布置弧形折板，水流通过在折板上自由跌流以达到泄流消能的目的，干区用来通气和提供维修通道。为了防止水流在湿区折板上运输时因排气不畅发生堵塞，在每层折板下方设置通气孔，并在竖井顶板的干区部分分别开一个直径2cm，4cm的排气孔以排除竖井内的气体。试验模型如图1所示。模型按重力相似准则设计，选取模型几何比尺λL=25，其它物理量按照弗汝德相似准则进行换算，模型比尺见表1。试验模型的主要结构尺寸如下：进水管、出水管直径为100mm，竖井高2.4m，折板间距19.4cm，折板倾角分别为0°、10°和20°，中隔板位于1/2D处(D为竖井直径)，通气孔直径3cm。为了便于观测流态，整个模型全部采用有机玻璃制作，流速通过人工操作阀门进行控制。

图1 试验模型示意

表1 模型比尺换算

2 不同折板倾角竖井的水力特性

2.1 流态观测与分析

首先在无排气孔的工况下，改变折板倾角分别为0°、10°和20°来观测不同折板倾角竖井的水流形态，三组试验均是通过人工操控阀门使流量迅速从0m3/h增加至50m3/h，然后再逐渐降至0m3/h，三种折板倾角竖井的水流形态如图2所示。

(a)50m3/h

(1)第一组试验折板倾角为0°。当流量为50m3/h时，由于裹挟着大量气体，水流呈现乳白色，部分水流通过折板下方的通气孔进入干区，在此流量下，水流以撞壁受限流的型态逐渐向下跌落，即水舌在脱离折板后直接冲击对侧竖井壁面，而后落在对侧折板上平滑输送至下层折板，由于流量过大，贴壁流动的水流还来不及平滑落到折板上便与新来的水流发生碰撞，导致水流充满了竖井大部分折板之间，仅在中间层折板位置还稍留有空隙。最终水流在竖井底部水垫层中进一步消能后，由出水管排出竖井。当流量逐渐减小至40m3/h时，水流发生了由撞壁受限流向自由跌流的转变，即由于流量减小导致大部分下跌的水流无法冲击到对侧边壁，而是直接跌落至下层对侧折板上，折板上因此形成一定厚度的水垫层，水流冲击到水垫层上，部分水流与水垫层发生良好掺混，形成消能，另一部分水流又翻转至竖井边壁上，与新跌落的水流发生对冲，而后又落至水垫层上。当流量继续减小至30m3/h时，每层折板之间的空隙明显增加，跌落至水垫层后翻滚的水流几乎无法打到同侧上层折板上，但仍有部分水流通过通气孔进入到干区。当流量降至20m3/h后，经水垫层翻滚上来的水花已无法到达通气孔位置。

(2)当改变折板倾角为10 °后，流量为50m3/h时，水流充满湿区全部折板。45m3/h时，中间层折板之间有了部分空隙，水流形态为自由跌流，跌落在折板上的水流分为两部分，一部分水流在折板上平顺地向下运输，另一部分水流发生翻滚后与新入流水流对冲后才又继续向下运输。由于折板有一定倾角，折板上并未形成明显水垫层，水流在折板上的停留时间较0°倾角时有所缩短。当流量减小至20m3/h时后，水流同样已无法到达通气孔位置。相比0°倾角，10°倾角时水流型态无明显的撞壁受限流，只形成了自由跌流，折板上无明显水垫层。

(3)当折板倾角为20°时，流量为50m3/h时水流仍充满湿区全部折板，45m3/h时，折板之间已留有部分空隙，水舌离开折板后喷射到对侧折板各个位置，由于折板倾角较大，水流无法通过竖井边壁向上翻滚，水跃现象较0 °和10 °折板倾角相比有所减弱，大部分水流跌落到对侧折板后继续向下运输，还有小部分水流在没有接触到对侧折板的情况下被卷裹着直接带入更下一层的折板。当流量减小至30m3/h时，水流已无法到达通气孔位置。当流量为20m3/h时，水舌几乎全部跌落至对侧折板的中心位置，水跃现象消失。通过试验观测发现，在排气孔直径为2cm、4cm的工况下，三种折板倾角的竖井水流形态与无排气孔相比无明显差异，因此不再描述。

2.2 压强观测与分析

通过在竖井顶板上安装气压传感器，以反映竖井顶部气压值和水流的紊动特性。人工控制阀门使流量从0m3/h迅速增加至50m3/h，再逐渐减小至0m3/h(每阶段减小5m3/h)时，竖井顶部的时程压强图如图3所示。

(a)无排气孔工况

由图3可得，在三种工况下，当流量从0m3/h迅速增加至50m3/h时，湿区的气体通过通气孔快速排入到干区，干区气体在短时间内快速增多，气压达到最大值。在无排气孔的工况下，当流量从50m3/h逐渐减小到0m3/h时，高速下跌的水流拖曳着空气向下排出，导致竖井内部出现负压。由于气体无法从竖井顶部排出，导致上升至竖井顶部的气体又不断折返，与下方新上升的气体发生碰撞、混合，因此三种折板倾角的竖井顶部压强均会发生较大波动，且在流量突变处出现气压极小值。在整个过程中，三种竖井的气压最大值和最小值如表2所示。由表2可以看出，当折板倾角为10°时，竖井顶部的压差最大，而较大的压差有助于竖井的泄流效率。根据表1换算可得，在实际工程中，三种折板倾角的竖井顶部气压最大值将会分别达到50.5kPa、62.0kPa以及58.8kPa，在如此大的压强下，会发生严重的“气爆”现象，竖井顶盖会被掀起并形成5～6m高的水柱，因此需设置排气孔及时排出竖井内的气体。

表2 无排气孔工况竖井顶部压强值 kPa

当设置2cm的排气孔后，由于竖井内的气体可以通过排气孔排出，因此在流量突变处，压强并未出现明显波动。当排气孔的尺寸达到足够大，即4cm时，竖井内的压强则接近于大气压。在这两种工况下，同样是10°折板倾角的竖井压差值相对较大，且最大压强值远远小于无排气孔工况的最大压强值，有利于竖井的结构安全。因此，需根据实际情况在竖井顶盖设置一定尺寸的排气孔，并选择折板倾角为10°的竖井。

2.3 消能率的计算

折板型竖井的消能率公式为：

(1)

式中：v1、v2分别为进水管和出水管水流速度；h为进水管中心至出水管中心的距离。

试验分别记录了三种折板倾角竖井的无排气孔、设置2cm排气孔和4cm排气孔三种工况下的入口流速和出口流速，三种工况下的竖井在各典型入流量下对应的的消能率如图4所示。对比图4(a)～(c)可以看出，三种工况下相同折板倾角的竖井消能率几乎相同，这是由于竖井中湿区的气体可以通过通气孔排入到干区，且在高速下跌的水流中，气体的可压缩性较大，排气孔的大小对于竖井的入流和出流速度的影响可忽略，因此各折板倾角的竖井消能率与排气孔的大小无关。

(a)无排气孔工况

为了减小试验误差，取各折板倾角三种工况下竖井消能率的平均值作为该种倾角竖井的消能率。由观测和计算可得，各折板倾角的竖井消能率均随着流量的减小而增大，且折板倾角为10 °的竖井消能率最优，消能率为81.16 %～96.40 %，折板倾角为20 °的竖井消能率最差，消能率为63.14 %～95.60 %，折板倾角为0 °的竖井消能率介于二者之间，为78.97 %～96.13 %。当流量为50m3/h时，20 °折板倾角的竖井消能率远远小于0 °和10 °折板倾角的竖井消能率，随着流量的减小，三种折板倾角竖井的消能率的差距会逐渐缩小，当流量继续减小到30m3/h后，三种折板倾角的竖井消能率几乎相同。

3 结论

论文选取折板间距19.4cm的竖井，通过观测在0°、10°、20°折板倾角下竖井的水流形态、顶部压强、水流流速等水力特性，得到如下结论：

(1)不同的折板倾角有不同的水流形态。折板倾角为0°时，当流量由50m3/h逐渐减小至0，水流形态会发生从撞壁受限流向自由跌流的转变，且折板上会形成较为明显的水垫层；折板倾角为10°时，水流形态为自由跌流，不能观测到明显的水垫层；折板倾角为20°时，水流形态为自由跌流，且相比10°倾角水流跌落到折板上更为分散，甚至有部分水流在没有接触到对侧折板的情况下被卷裹着直接带入更下一层的折板。

(2)无排气孔的工况下，三种折板倾角的竖井顶部最大气压值均较大，不利于结构的安全性，因此不予采用；当设置4cm排气孔后，竖井顶部气压值接近于大气压，竖井的结构安全性较好。折板倾角为10°的竖井泄流效率最佳。

(3)竖井的消能率与排气孔的大小无关，折板倾角为10°时，竖井的消能率最好，折板倾角为20°时，竖井的消能率最差。