本發(fā)明涉及排水工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式消能豎井。

背景技術(shù)：

市政工程調(diào)蓄隧道系統(tǒng)中的入流豎井根據(jù)管道布置特點(diǎn)通常需適應(yīng)不同的入流流量和跌水深度的要求，同時(shí)受市政工程布置通氣孔的限制，入流豎井通常還需兼顧系統(tǒng)排氣的需要?，F(xiàn)有的深層隧道系統(tǒng)入流豎井有直接跌落式、旋轉(zhuǎn)滑道式、旋轉(zhuǎn)階梯式和折板跌落式等，直接跌落式豎井在跌落深度較大時(shí)，水流流速過(guò)大，通常不適宜采用；旋轉(zhuǎn)滑道式豎井和旋轉(zhuǎn)階梯式豎井旋轉(zhuǎn)流道內(nèi)的水流內(nèi)外水面差較大，顯著影響豎井的泄流流量，且旋轉(zhuǎn)滑道式豎井的消能效果通常不佳；折板跌落式豎井在小流量條件下水流的消能效果及防空化空蝕效果相對(duì)較好，且對(duì)大深度的豎井跌落有較好的適應(yīng)性，但豎井過(guò)流通道占比通常較小，在下泄相同的流量條件下，需采用更大尺寸的豎井直徑，空間利用率較低。目前，還尚未有針對(duì)調(diào)蓄隧道系統(tǒng)入流豎井結(jié)構(gòu)布置的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，入流流量和跌水深度適應(yīng)能力強(qiáng)，且能同時(shí)滿足入流、消能和排氣要求的豎井形式對(duì)調(diào)蓄隧道系統(tǒng)工程的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

因此，亟待解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種可改善豎井入流量適應(yīng)范圍、提高消能效率和豎井空間利用率的雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式消能豎井。

技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所述的一種雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式消能豎井，包括同心套設(shè)的豎井和排氣管，在所述豎井的內(nèi)壁和排氣管的外壁之間形成一環(huán)形區(qū)域；該環(huán)形區(qū)域的上端連接有進(jìn)水渠，下端連接有調(diào)蓄隧道接入口；其中所述環(huán)形區(qū)域內(nèi)自上而下等間距交錯(cuò)設(shè)有若干個(gè)跌落板，每一跌落板上豎直設(shè)有用于對(duì)稱分隔該跌落板形成雙流向的分流板。該雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式消能豎井中利用在豎井內(nèi)布置多級(jí)跌落板，利用下跌雙向水流的對(duì)沖作用、摻氣作用和跌落板上水墊層的紊動(dòng)擴(kuò)散作用，降低下泄水流的流速，在提高豎井消能效果的同時(shí)有效抑制豎井局部區(qū)域的空化空蝕；同時(shí)分流板將水流一分為二，單位過(guò)流通道內(nèi)的流量大幅減少，跌落板上的水位和流速降低，水流動(dòng)能減小，進(jìn)一步提高了豎井的消能效果。

其中，所述跌落板為一扇環(huán)形板，該扇環(huán)形板的兩端形成兩跌落口，相鄰兩層的扇環(huán)形板跌落口在水平投影面上相互交錯(cuò)設(shè)置；其中，位于首層的跌落板和分流板分別與進(jìn)水渠相連接，水流從進(jìn)水渠流入環(huán)形區(qū)域內(nèi)，由首層跌落板和分流板分隔形成雙向水流依次流向下一層跌落板，并在環(huán)形區(qū)域內(nèi)形成雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式水流。該雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式消能豎井中的水流從進(jìn)水渠流入首層跌落板內(nèi)，沿著跌落板從兩跌落口分別流出以自由下跌的形式流至下一層跌落板上，形成摻氣水流，大量能量得以消除；同時(shí)該結(jié)構(gòu)形式的跌落板有效利用了豎井的內(nèi)部空間，結(jié)構(gòu)布置緊湊且空間利用率高。

優(yōu)選的，所述相鄰上下層跌落板之間的距離h為3m～6m。

進(jìn)一步，所述跌落板的數(shù)量為n＝(h-h1-h2)/h+1，其中h為豎井深度，h1為首層跌落板底部到豎井頂部的距離，h2為底層跌落板底部到豎井底部的距離。

再者，所述跌落板的扇形包角2α為240°≤2α≤300°，該跌落板上兩跌落口之間的角度β為60°≤β≤120°，且2α+β＝360°。

進(jìn)一步，所述首層分流板的頂高程與豎井頂高程平齊，其余分流板的高度低于相鄰上下層跌落板之間的距離。該分流板的高度在保障穩(wěn)定分隔跌落板兩側(cè)水流的同時(shí)還需避免因過(guò)高而影響下跌水流的對(duì)沖作用。

再者，所述排氣管上均布有若干個(gè)用于排除內(nèi)部空氣的通風(fēng)孔，該通風(fēng)孔位于相鄰上下層跌落板之間，且偏向上層跌落板。該雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式消能豎井內(nèi)中間布置垂向排氣管，周向布置多級(jí)扇環(huán)形跌落板，利用豎井垂直方向上的空間，達(dá)到了水流下泄和消能的目的，增設(shè)的通風(fēng)孔兼顧了豎井排氣的功能，且充分有效利用了豎井和排氣管之間的有限空間，同時(shí)該通風(fēng)孔距下層跌落板的距離應(yīng)保障跌落板上的水流不從通風(fēng)孔溢出。

優(yōu)選的，所述豎井底部形成有緩沖水流沖刷的水墊層。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：首先該雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式消能豎井中利用在豎井內(nèi)布置多級(jí)跌落板，利用下跌雙向水流的對(duì)沖作用、摻氣作用和跌落板上水墊層的紊動(dòng)擴(kuò)散作用，降低下泄水流的流速，在提高豎井消能效果的同時(shí)有效抑制豎井局部區(qū)域的空化空蝕；同時(shí)分流板將水流一分為二，單位過(guò)流通道內(nèi)的流量大幅減少，跌落板上的水位和流速降低，水流動(dòng)能減小，進(jìn)一步提高了豎井的消能效果；其次該雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式消能豎井中的水流從進(jìn)水渠流入首層跌落板內(nèi)，沿著跌落板從跌落板兩跌落口分別流出以自由下跌的形式流至下一層跌落板上，形成摻氣水流，大量能量得以消除；同時(shí)該雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式消能豎井內(nèi)中間布置垂向排氣管，周向布置多級(jí)扇環(huán)形跌落板，充分利用了豎井垂直方向上的空間，達(dá)到了水流下泄和消能的目的，且兼顧了豎井排氣的功能，扇環(huán)形跌落板有效利用了豎井的內(nèi)部空間，結(jié)構(gòu)布置緊湊且空間利用率高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1的縱截面示意圖；

圖3為本發(fā)明中首層跌落板處的橫截面示意圖；

圖4為本發(fā)明中第二層跌落板處的橫截面示意圖；

圖5(a)為本發(fā)明中水流從跌落板下泄過(guò)程的側(cè)向水流流態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果；

圖5(b)為本發(fā)明中水流從跌落板下泄過(guò)程的正向水流流態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果；

圖6為本發(fā)明中跌落板和分流板上的流速矢量數(shù)值模擬結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明的雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式消能豎井，包括豎井1和排氣管2，該豎井1和排水管2相互同心套設(shè)，在該豎井1的內(nèi)壁和排氣管2的外壁之間形成一環(huán)形區(qū)域。該環(huán)形區(qū)域的上端連接有進(jìn)水渠3，下端連接有調(diào)蓄隧道接入口4。上述環(huán)形區(qū)域內(nèi)自上而下等間距交錯(cuò)設(shè)有若干個(gè)跌落板5，，每一跌落板5上豎直設(shè)有用于對(duì)稱分隔該跌落板5形成雙流向的分流板6。該雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式消能豎井中利用在豎井內(nèi)布置多級(jí)跌落板，利用下跌雙向水流的對(duì)沖作用、摻氣作用和跌落板上水墊層的紊動(dòng)擴(kuò)散作用，降低下泄水流的流速，在提高豎井消能效果的同時(shí)有效抑制豎井局部區(qū)域的空化空蝕；同時(shí)分流板將水流一分為二，單位過(guò)流通道內(nèi)的流量大幅減少，跌落板上的水位和流速降低，水流動(dòng)能減小，進(jìn)一步提高了豎井的消能效果。

如圖3和圖4所示，上述跌落板5為一扇環(huán)形板，該扇形環(huán)板的兩端形成兩跌落口，相鄰兩層的扇環(huán)形板跌落口在水平投影面上相互交錯(cuò)設(shè)置；其中，位于首層的跌落板5和分流板6分別與進(jìn)水渠3相連接，底層跌落板5高程高于調(diào)蓄隧道入口4頂高程。水流從進(jìn)水渠3流入環(huán)形區(qū)域內(nèi)，由首層跌落板5和分流板6分隔形成雙向水流依次流向下一層跌落板5，并在環(huán)形區(qū)域內(nèi)形成雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式水流。該雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式消能豎井中的水流從進(jìn)水渠流入首層跌落板內(nèi)，沿著跌落板從兩跌落口分別流出以自由下跌的形式流至下一層跌落板上，形成摻氣水流，大量能量得以消除；同時(shí)該扇環(huán)形跌落板有效利用了豎井的內(nèi)部空間，結(jié)構(gòu)布置緊湊且空間利用率高。其中，跌落板5的扇形包角2α為240°≤2α≤300°，該跌落板5上兩跌落口之間的角度β為60°≤β≤120°，且2α+β＝360°。

相鄰上下層跌落板5之間的距離為h，h取值為3m～6m。跌落板5的數(shù)量為n＝(h-h1-h2)/h+1，其中h為豎井深度，h1為首層跌落板底部到豎井頂部的距離，h2為底層跌落板底部到豎井底部的距離。

如圖3所示，首層分流板6的頂高程與豎井1頂高程平齊，其余分流板6的高度低于相鄰上下層跌落板5之間的距離。該分流板的高度在保障穩(wěn)定分隔跌落板兩側(cè)水流的同時(shí)還需避免因過(guò)高而影響下跌水流的對(duì)沖作用。

本發(fā)明的排氣管2上均布有若干個(gè)用于排除內(nèi)部空氣的通風(fēng)孔7，該通風(fēng)孔7位于相鄰上下層跌落板5之間，且偏向上層跌落板5。豎井1底部形成有緩沖水流沖刷的水墊層8，每一層跌落板5上均形成有緩沖水流沖刷的水墊層8。該雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式消能豎井內(nèi)中間布置垂向排氣管，周向布置多級(jí)扇環(huán)形跌落板，利用豎井垂直方向上的空間，達(dá)到了水流下泄和消能的目的，增設(shè)的通風(fēng)孔兼顧了豎井排氣的功能，且充分有效利用了豎井和排氣管之間的有限空間，同時(shí)該通風(fēng)孔距下層跌落板的距離應(yīng)保障跌落板上的水流不從通風(fēng)孔溢出；特別適用于市政工程中大深度、自排氣且入流豎井與調(diào)蓄隧道直接連通的深層隧道系統(tǒng)。

本發(fā)明的雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式消能豎井是根據(jù)某大型深層隧道系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)。實(shí)施例中適用的深層隧道系統(tǒng)，其中豎井深度h為55m，豎井入流流量q按最大入流流量80m³/s設(shè)計(jì)，豎井直徑d為15m，調(diào)蓄隧道直徑d2為9m。水流從豎井上層直接跌落時(shí)，豎井底部最大流速達(dá)25m/s左右，消能效果及抗空化能力較差。

實(shí)施例

實(shí)施例中雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式消能豎井的結(jié)構(gòu)布置如圖1、圖2、圖3所示，該雙向?qū)α鞣旨?jí)跌落式消能豎井包括豎井1、排氣管2、進(jìn)水渠3、調(diào)蓄隧道接入口4、跌落板5、分流板6、通風(fēng)孔7和水墊層8。其中跌落板4數(shù)量為6個(gè)。位于首層的跌落板5和分流板6分別與進(jìn)水渠3相連接，底層跌落板5高程高于調(diào)蓄隧道入口4頂高程。首層分流板6的頂高程與豎井1頂高程平齊，其余分流板6的高度低于相鄰上下層跌落板5之間的距離。排氣管2上均布有若干個(gè)用于排除內(nèi)部空氣的通風(fēng)孔7，該通風(fēng)孔7位于相鄰上下層跌落板5之間，通風(fēng)孔7距下層跌落板5的距離為5.5m。豎井1底部形成有緩沖水流沖刷的水墊層8，每一層跌落板5上均形成有緩沖水流沖刷的水墊層8。豎井下端垂直連接有調(diào)蓄隧道接入口4。

實(shí)施例中有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

進(jìn)水渠3寬度b為6.0m，排氣管2直徑d1為5.0m，跌落板5的扇形包角2α為300°，跌落板5上兩跌落口之間的角度β為60°；相鄰上下層跌落板5距離h為8.0m，首層跌落板5底部距豎井1頂部距離h1為5.0m，底層跌落板5底部距豎井1底部距離h2為10.0m，跌落板厚度為0.5m，水墊層8深度h3為0.5m，分流板6高度h4為2.5m。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，如圖5(a)、圖5(b)和圖6所示，豎井中的最大流速均得到了明顯降低，豎井底部水墊層中的最大流速在10m/s左右，平均流速在4m/s左右，豎井總消能率在85％以上，消能效果顯著。同時(shí)，各分級(jí)跌落板及分流板上的最大流速總體控制在12m/s以下，跌落板上幾乎無(wú)負(fù)壓區(qū)域，僅在分流板上留存小范圍低壓區(qū)，這對(duì)提高豎井的抗空化空蝕能力、增強(qiáng)跌落板的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等均較為有利。

實(shí)施例的豎井中的水流下泄及空氣排放順暢，較好的滿足了深層隧道系統(tǒng)入流和排氣的要求。