折板型消能竖井应用于山地城市排水系统

许靖航

(上海城建市政工程<集团>有限公司，上海 200240)

山地城市地形复杂，落差大，导致排水管道上、下游高差大，流速快。为了避免管道长期受到水力冲刷而损坏、控制排水流速不大于规范要求，排水管道的消能措施十分重要。而市政工程常规的跌水井对应用的高差范围有限，且阶梯型跌水设置所需占地面积大，消能效果也不甚理想。特别是在短距离内解决大高差的情况下，常规的消能措施无法起到很好的效果。为此，在山地城市排水管道实际工程设计中引入了深隧工程上应用的折板型消能竖井。对折板型消能竖井的工艺构造、计算方法、设计要点展开研究与设计。

1 折板型消能竖井的工艺构造

折板型消能竖井多应用于深层隧道排水[1]，目前，国内外所使用的折板型排水竖井大多由圆形井室、中隔墙与扇形折板组成，中间隔墙将竖井分割成干室和湿室两部分。干室用于通气和人员检修，内部一般布置检修爬梯等设施。湿室用于跌水消能，内部一般间隔一定距离布置扇形折板，通过折板间的水流跌落、冲撞、掺气以达到消能目的。折板下方一般布置通气孔，通气孔用于检修和干、湿区气体交换，湿区用于过流，竖井上、下部分设置进、出水管道，将浅层排水系统与深隧排水系统相连接。图1为折板型消能竖井结构示意图。

图1 折板型竖井结构图Fig.1 Schematic of Baffle-Drop Type Shaft

2 折板型消能竖井的设计计算公式

折板型消能竖井的井室高度由上、下游排水系统的高差及是否设置消能池决定，其竖井的计算主要涉及：(1)竖井直径的计算；(2)折板宽度、间距的计算；(3)消能效率的计算。目前，国内相关规范并未对折板型消能竖井的具体计算提出相关要求与明确计算公式，参考相关文献[2-5]，折板型消能竖井计算如式(1)～式(7)。

2.1 井室直径

折板型消能竖井的井室直径计算如式(1)。

(1)

其中：D——消能竖井井室直径，m；

Q——设计流量，m3/s；

g——重力加速度，m/s2；

k——经验常数，在满足(h-t)/B=0.39以及hv/B=0.1时取6；

h——折板间距，m；

t——折板厚度，m；

B——折板宽度，m；

hv——板上跌落水舌最高点与上一层折板底部的间距，m。

2.2 折板宽度与间距

折板宽度计算如式(2)。

(2)

其中：β——经验常数，取0.55。

根据相关研究[3]，当0.5D≤B≤0.75D时可以取得比较好的效果。同时，结合实际工程的需求，可将折板宽度的计算公式简化为B=0.5D。

折板间的间距上限计算如式(3)～式(4)。

(3)

F=[Q2/(B5g)]1/3

(4)

其中：F——折板弗劳德常数。

折板间的间距下限计算如式(5)。

(5)

2.3 消能率

根据伯努利方程，竖井消能率计算如式(6)。

(6)

其中：η——消能效率；

h1——竖井进水管管内底标高，m；

h2——竖井出水管管内底标高，m；

v1——竖井进水管流速，m/s；

v2——竖井出水管流速，m/s。

当Q为13～30 m3/s时，v2计算如式(7)；当Q为30～43.4 m3/s时，v2计算如式(8)。

(7)

其中：H——竖井高度，m；

y1——上游水深，m。

(8)

3 工程实例

3.1 工程概况

工程位于四川省某市，为污水干管设计，上游污水收集系统的服务面积约为17.03 km2，服务人口约为13.2万。近期收集污水量为2.4万m3/d，远期2030年预计该区污水收集量为5.4万m3/d，设计污水干管管径为DN1000～DN1500，污水干管起点接自现状临时污水处理站，终点接入城区总污水处理厂。管道沿线地形复杂，高差大，工程起点处需横穿某高速公路，高速公路为高填方路堤。工程采用顶管方式横穿高速公路，高速边坡上下高差为20 m，高速公路下方地质条件为填筑土与中风化岩石，高速管理部门要求不能对高速公路范围20 m内的边坡进行开挖。

根据相关文献[6]，目前国内外常用的消能竖井形式为跌落型竖井、旋流型竖井、折板型竖井、螺旋坡道竖井，其优缺点及使用范围如表1所示。

表1 各跌水竖井优缺点对比Tab.1 Comparison of Advantages and Disadvantages for Different Drop Shafts

跌落式竖井水流需经过消能格栅进行消能，可以应用于流量在160 m3/s、跌差在9 m以内的情况，该工程设计为污水系统，水流中含有较多杂质，通过消能格栅容易造成淤堵，不便于后期养护。旋流式竖井最大过流量可达1 000 m3/s，需要设置除气室、通风井，更适用于高水头跌水应用。折板型竖井流量现有案例流量为1～32 m3/s，对地基要求较低，软地基地区也可使用，水流在折板间反复跌水，流速较低，并不会出现大水头竖井里常见的冲蚀、噪声等问题，且干、湿分离，方便日后对较深竖井的养护。螺旋坡道竖井在竖井内部布置螺旋下降的坡道，最大深度可达84 m，但由于其螺旋坡道的内部结构，不便于施工与日常养护。综上，该工程设计为污水系统，最大设计流量为0.859 m3/s，跌差为8.55 m，同时结合施工与日后养护的便利性，设计采用折板型消能竖井，项目节点横断面如图2所示。

图2 工程节点横断面Fig.2 Cross Section of Project Node

3.2 设计要点

(1)折板型跌水竖井采用钢筋混凝土结构，如图3所示。根据式(1)计算得到所需的井室直径净尺寸为3 m。考虑到现场施工的便捷，采用矩形结构，设计长×宽=3 m×3 m。王斌等[7]研究表明，矩形截面折板可以加大单宽流量，但会形成摆动水流，需要在竖井中设置整流板，因此，在折板上面增加整流板，折板设计长×宽=1.5 m×1.5 m，整流板采用边长为0.25 m的等边三角形。

图3 折板型消能竖井剖面Fig.3 Cross Section of Baffle-Drop Type Energy Dissipation Shaft

(2)杨乾等[8]研究表明，具有一定倾角的折板有利于加速竖井的泄流过程，且当折板倾角θ=10°时竖井的泄流效果最佳，但在设计流量低于26 m3/s时，折板的倾角对泄流效果影响不大。考虑在实际施工过程中，跌水竖井一般都采用钢筋混凝土形式，具有一定倾角的折板在绑扎钢筋、支模时都具有一定的难度，根据《室外排水设计规范》，总变化系数取1.375，管道系统设计最大流量为0.859 m3/s。因此，折板不设计倾角。

(3)王志刚等[5]研究表明，折板间距较大时出水流速较大，折板间消能不足。根据结构受力需求，折板壁厚设计取值为0.20 m，根据式(3)与式(4)，折板的间距为0.8～1.5 m。为了保证消能效果，设计折板的间距取0.8 m。

(4)通气孔的设置对结构的寿命至关重要，缺少通气设施将导致折板产生震动、疲劳、破坏。目前对通气孔的理论计算研究较少。王斌等[4]研究表明，hv/B≤0.04才能保证折板上的水面不会通过通气孔进入干室，设计通气孔的上限直径为60 cm，如果采用60 cm将对结构受力不利，同时结合墙体开孔如果直径超过30 cm，结构上需要进行洞口钢筋加强，也会对施工造成不便。因此，设计采用直径为30 cm的通气孔，养护人员可以在干室通过通气孔对折板进行清扫。常规折板消能竖井中，通气孔的位置一般位于折板下方，靠近井壁侧，而根据王斌等[7]研究，折板上方水流出现左右摆动流态，顶冲水体溅起的水花能够溅到正上方折板底面靠近侧壁侧的位置，使部分水体从通气孔进入干室，造成干室的污染。为了解决这一问题，将通气孔位置移动至折板正下方。马一祎[9]研究表明，在设计流量稳定之后，竖井内的水流会卷吸大量空气进入下游管道，这部分空气会携带排水管道中产生的硫化氢等有毒有害气体通过下游检查井逸散到地面。从而影响周边居民的工作生活，但目前对折板型消能竖井的空气逸散研究较少，相关内容还有待进一步研究。

(5)市政工程上检查井堵塞的原因一般为大型异物侵入排水系统，或管道沿线地块未完全开发前水流过小，导致水流中夹带的泥沙沉积。由于湿室内折板布置密集，养护人员无法通过湿室进行清掏养护。在竖井底部设计底×高=3 m×1.5 m的检修人孔用于湿室底部的检修，在干室底部也设置0.5 m高的落底，方便进行清掏。水流通过折板反复跌水后进入湿室底部消能池，通过溢流进入干室，携带泥沙在干室底部沉泥槽进行沉积，污水通过出水管流出。同时，为了运维时折板的清洗与养护，在干室内通气孔附件设置带护笼的检修爬梯，可通过通气孔对折板进行冲洗养护。

(6)为保证进一步结构的安全，防止水流冲刷底板，在湿室底部设消能池，内部装卵石，可以进一步进行消能。

(7)竖井结构设计使用年限为50年，安全等级为二级，抗震等级为三级，裂缝控制为0.2 mm。竖井采用钢筋混凝土形式，井壁壁厚为500 mm，底板厚度为500 mm，顶板厚度为300 mm。井身采用C30混凝土，HPB400钢筋，可适用于多种地质条件下10 m深度以内的跌水竖井。

3.3 数值模拟

工程设计最大流量为0.859 m3/s，超出式(6)与式(7)的应用范围，且目前暂无相关消能公式可以应用。为了验证折板型消能竖井在工程中的消能效率，对该折板型消能竖井采用Fluent软件进行数值模拟。根据相关研究[10-12]，本次数值模拟的边界条件为：(1)采用Realizable k-epsilon模型与VOF模型进行数值模拟；(2)采用速度进口，流速为1.55 m/s；(3)出口采用自由出流边界条件；(4)竖井壁面、折板等采用无滑移壁面边界，干室顶部采用通风口边界条件；(5)采用SIMPLE算法求解速度，当残差低于10-3且出口流速不再变化时认为计算已经收敛。

由图4可知，水流从进水管进入竖井后，在重力和惯性力的作用下，在折板间逐级跌落，呈现自由跌水的状态[2]，最后跌入湿室底部消能池内，一部分溢流进入干室的沉泥槽中，一部分与下流的水流互相冲击进一步消能。折板间的壅水区考虑井壁，可以避免通过通气孔进入干室。

图4 折板型消能竖井水流分布Fig.4 Distribution of Water Flow Fraction in Baffle-Drop Type Energy Dissipation Shaft

由图5可知，当进水管水流为1.55 m/s时，干室出水管处最大流速为2.07 m/s，竖井的消能率为97.48%，采用折板型消能竖井可以取得较好的消能效果，从而保证下游管道和跌水井结构的安全性。

图5 折板型消能竖井流速分布Fig.5 Distribution of Velocity in Baffle-Drop TypeEnergy Dissipation Shaft

4 结论

(1)通过研究国内外相关的论文、学术研究，总结了折板型消能竖井的计算公式，以及在实际山城排水项目中进行了应用。弥补了国内相关工程的空白。

(2)目前，国内外对折板型竖井消能理论公式的研究较少，只有牟祎[2]研究应用在13～43.4 m3/s的消能公式。为了解决消能公式的缺失，采用数值模拟对设计竖井进行消能模拟，模拟结果折板型竖井消能率为97.48%，出水管流速可以符合规范要求。

(3)折板型消能竖井用于山地城市排水管道系统具有消能充分等特点，但目前不管是折板型消能竖井本身的消能机理，或是其设计计算方法，都是建立在一定的模型试验或相关理论推导基础上，而相关的理论模型特别是矩形折板的构造还有待完善。