本發(fā)明涉及排水工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于深層隧道系統(tǒng)的分級跌落式旋流豎井。

背景技術(shù)：

隨著我國城鎮(zhèn)化進程的快速推進，城市下墊面的透水性能不斷降低，內(nèi)河水面率不足，調(diào)蓄功能銳減，城市排水系統(tǒng)排澇能力嚴(yán)重不足。深層調(diào)蓄隧道系統(tǒng)能有效增加雨水調(diào)蓄能力，防止內(nèi)澇，且由于隧道埋深較大，可充分利用城市深層地下空間，避免大量征地和拆遷，在我國大城市排水規(guī)劃中的應(yīng)用越來越多。

深層調(diào)蓄隧道系統(tǒng)由于埋深較大，通常采用大深度垂直豎井形式入流，豎井主要起入流、消能和排氣的作用，豎井水流流態(tài)及水力特性對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行具有重要的影響。現(xiàn)有的深層隧道系統(tǒng)入流豎井有直接跌落、旋轉(zhuǎn)滑道、旋轉(zhuǎn)階梯和折板等形式。直接跌落式豎井在跌落深度較大時，水流流速過大，易產(chǎn)生空化空蝕現(xiàn)象，在大深度深層隧道系統(tǒng)中通常不適宜采用；旋轉(zhuǎn)滑道式豎井在離心力的作用下，水流沿井壁螺旋下降，落入下方的水墊層中，受井壁高速旋流影響，豎井防空化性能大幅提高，但旋流流速過大，豎井底部及隧道進口水流條件較差；旋轉(zhuǎn)階梯式豎井利用旋轉(zhuǎn)臺階對下泄水流進行摻氣，可以有效提高豎井的防空化和消能效果，但豎井對下泄流量的適應(yīng)能力有所降低；折板式豎井對水流的下泄流量適應(yīng)性較好，且消能效果較優(yōu)，但折板式豎井的排氣通道布置尺寸通常較大，不利于充分利用入流豎井的空間結(jié)構(gòu)。目前，還尚未有針對深層隧道系統(tǒng)入流豎井結(jié)構(gòu)布置的國家標(biāo)準(zhǔn)，對不同進出流條件下的深隧系統(tǒng)，現(xiàn)有的入流豎井難以同時有效解決入流、消能及排氣的要求。

因此，亟待解決上述問題。

技術(shù)實現(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適用于深層隧道系統(tǒng)的分級跌落式旋流豎井。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明所述的一種適用于深層隧道系統(tǒng)的分級跌落式旋流豎井，包括同心套設(shè)的豎井和排氣管，在該豎井的內(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)域的上端連接有進水渠，環(huán)形區(qū)域內(nèi)自上而下等間距均布有若干個旋流板，環(huán)形區(qū)域下端連接有調(diào)蓄隧道接入口。該分級跌落式旋流豎井中利用在豎井內(nèi)布置多級旋流板，利用下跌水流的摻氣作用和旋流板上水墊的紊動擴散作用，降低下泄水流的流速，在提高豎井消能效果的同時有效抑制豎井局部區(qū)域的空化空蝕。

其中，所述旋流板包括扇環(huán)形板，該扇環(huán)形板的首端垂直設(shè)有擋水板；其中，位于首層的旋流板與進水渠相連接，每一層旋流板的尾端與下一層旋流板的首端在水平投影面上相接，并在環(huán)形區(qū)域內(nèi)形成分級旋式水流通道。該分級跌落式旋流豎井中的水流從進水渠流入首層旋流板內(nèi)，沿著旋流板從旋流板尾端流出以自由下跌的形式流至下一層旋流板上，形成大量摻氣，水流能量沿分級旋式水流通道內(nèi)被消能；同時該扇形環(huán)板結(jié)構(gòu)的旋流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，所述相鄰上下層旋流板之間的距離為h＞(q/1.5b)^2/3，其中q為豎井入流流量，b為旋流板寬度，b＝(d-d1)/2，其中d為豎井直徑，d1為排氣管直徑。

進一步，所述旋流板的數(shù)量為n＝(h-h1-h2)/h+1，其中h為豎井深度，h1為首層旋流板底部到豎井頂部的距離，h2為底層旋流板底部到豎井底部的距離。

再者，所述旋流板的扇形包角α為180°≤α≤270°。

優(yōu)選的，所述旋流板的尾端垂直設(shè)有尾坎，該尾坎高度為擋水板高度的0～1/3。尾坎的具體高度可根據(jù)豎井入流流量q及旋流板內(nèi)的水躍形態(tài)確定，在保障旋流板上的水流順利流出旋流板的同時控制下泄水流的流速。

進一步，所述擋水板的高度低于相鄰上下層旋流板之間的距離，或所述擋水板的上端與上一層旋流板相抵接。該擋水板的高度需保障水流不從擋水板上方溢出，從而保障水流順利沿分級旋式水流通道流至豎井下方。

再者，所述排氣管上均布有若干個用于排除內(nèi)部空氣的通風(fēng)孔，該通風(fēng)孔位于上層旋流板和下層旋流板的擋水板之間。該分級跌落式旋流豎井內(nèi)中間布置垂向排氣管，周向布置多級環(huán)形旋流板，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，還兼顧了豎井排氣的功能，且充分利用了豎井和排氣管之間的有限空間。

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：首先該分級跌落式旋流豎井中利用在豎井內(nèi)布置多級旋流板，利用下跌水流的摻氣作用和旋流板上水墊的紊動擴散作用，降低下泄水流的流速，在提高豎井消能效果的同時有效抑制豎井局部區(qū)域的空化空蝕；其次該分級跌落式旋流豎井中的水流從進水渠流入首層旋流板內(nèi)，沿著旋流板從旋流板尾端流出以自由下跌的形式流至下一層旋流板上，形成大量摻氣，水流能量沿分級旋式水流通道內(nèi)被消能；同時該扇形環(huán)板結(jié)構(gòu)的旋流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；再者尾坎的高度根據(jù)豎井入流流量q及旋流板內(nèi)的水躍形態(tài)確定，在保障旋流板上的水流順利流出旋流板的同時控制下泄水流的流速；最后該分級跌落式旋流豎井內(nèi)中間布置垂向排氣管，周向布置多級環(huán)形旋流板，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，還兼顧了豎井排氣的功能，且充分利用了豎井和排氣管之間的有限空間。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的第一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的第二種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖1的縱截面示意圖；

圖4為圖1的橫截面示意圖；

圖5為圖2的縱截面示意圖；

圖6為圖2的橫截面示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明的適用于深層隧道系統(tǒng)的分級跌落式旋流豎井，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)域的上端連接有進水渠3，環(huán)形區(qū)域內(nèi)自上而下等間距均布有若干個旋流板4，該扇形環(huán)板結(jié)構(gòu)的旋流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。上述環(huán)形區(qū)域下端連接有調(diào)蓄隧道接入口5。該分級跌落式旋流豎井中利用在豎井內(nèi)布置多級旋流板，利用下跌水流的摻氣作用和旋流板上水墊的紊動擴散作用，降低下泄水流的流速，在提高豎井消能效果的同時有效抑制豎井局部區(qū)域的空化空蝕。

如圖3和圖4所示，旋流板4包括扇環(huán)形板，該扇形環(huán)板的扇形包角α為180°≤α≤270°。該扇環(huán)形板的首端垂直設(shè)有擋水板6；其中，位于首層的旋流板4與進水渠3相連接，每一層旋流板4的尾端與下一層旋流板4的首端在水平投影面上相接，并在環(huán)形區(qū)域內(nèi)形成分級旋式水流通道。該分級跌落式旋流豎井中的水流從進水渠流入首層旋流板內(nèi)，沿著旋流板從旋流板尾端流出以自由下跌的形式流至下一層旋流板上，形成大量摻氣，水流能量沿分級旋式水流通道內(nèi)被消能。

相鄰上下層旋流板4之間的距離為h＞(q/1.5b)^2/3，其中q為豎井入流流量，b為旋流板寬度，b＝(d-d1)/2，其中d為豎井直徑，d1為排氣管直徑。旋流板4的數(shù)量為n＝(h-h1-h2)/h+1，其中h為豎井深度，h1為首層旋流板底部到豎井頂部的距離，h2為底層旋流板底部到豎井底部的距離。

如圖5和圖6所示，旋流板4的尾端垂直設(shè)有尾坎7，該尾坎7的高度低于擋水板6的高度，優(yōu)選的尾坎7高度為擋水板6高度的0～1/3。擋水板6的高度h4低于相鄰上下層旋流板4之間的距離，或所述擋水板6的上端與上一層旋流板4相抵接。尾坎的高度根據(jù)豎井入流流量q及旋流板內(nèi)的水躍形態(tài)確定，在保障旋流板上的水流順利流出旋流板的同時控制下泄水流的流速。

本發(fā)明的排氣管2上均布有若干個用于排除內(nèi)部空氣的通風(fēng)孔8，該通風(fēng)孔8位于上層旋流板4和下層旋流板4的擋水板6之間。豎井1底部形成有緩沖水流沖刷的水墊層9。該分級跌落式旋流豎井內(nèi)中間布置垂向排氣管，周向布置多級環(huán)形旋流板，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，還兼顧了豎井排氣的功能，且充分利用了豎井和排氣管之間的有限空間；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)明的分級跌落式旋流豎井是根據(jù)某大型深層隧道系統(tǒng)工程設(shè)計。實施例中適用的深層隧道系統(tǒng)，其中豎井深度為55m，豎井入流流量按最大入流流量80m3/s設(shè)計，豎井直徑為15m，調(diào)蓄隧道直徑為9m。水流從豎井上層直接跌落時，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。

實施例1

實施例1中分級跌落式旋流豎井的結(jié)構(gòu)布置如圖1、圖3、圖4所示，該分級跌落式旋流豎井包括豎井1、排氣管2、進水渠3、旋流板4、調(diào)蓄隧道接入口5、擋水板6、通風(fēng)孔8和水墊層9。其中旋流板4數(shù)量為6個。進水渠3與位于首層的旋流板4相連接，每一層旋流板4的尾端與下一層旋流板4的首端在水平投影面上相接，并在環(huán)形區(qū)域內(nèi)形成分級旋式水流通道。旋流板4首端垂直設(shè)有擋水板6，擋水板6高度低于相鄰上下層旋流板4之間距離。排氣管2上均布有若干個用于排除內(nèi)部空氣的通風(fēng)孔8，該通風(fēng)孔8位于上層旋流板4和下層旋流板4的擋水板6之間，豎井1底部形成水墊層9，豎井下端垂直連接有調(diào)蓄隧道接入口5。

實施例1中有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

進水渠3寬度b為6.0m，排氣管2直徑d1為5.0m，旋流板4的扇形包角α為180°，相鄰上下層旋流板4距離h為8.0m，首層旋流板4底部距豎井1頂部距離h1為5.0m，底層旋流板4底部距豎井1底部距離h2為10.0m，水墊層9深度h3為0.5m，擋水板6高度h4為5.0m。

實施例2

實施例2中分級跌落式旋流豎井的結(jié)構(gòu)布置如圖2、圖5、圖6所示，該分級跌落式旋流豎井包括豎井1、排氣管2、進水渠3、旋流板4、調(diào)蓄隧道接入口5、擋水板6、尾坎7、通風(fēng)孔8和水墊層9。其中旋流板4數(shù)量為6個。進水渠3與位于首層的旋流板4相連接，每一層旋流板4的尾端與下一層旋流板4的首端在水平投影面上相接，并在環(huán)形區(qū)域內(nèi)形成分級旋式水流通道。旋流板4首端垂直設(shè)有擋水板6，旋流板4的尾端垂直設(shè)有尾坎7。擋水板6高度低于相鄰上下層旋流板4之間距離。排氣管2上均布有若干個用于排除內(nèi)部空氣的通風(fēng)孔8，該通風(fēng)孔8位于上層旋流板4和下層旋流板4的擋水板6之間，豎井1底部形成水墊層9，豎井下端垂直連接有調(diào)蓄隧道接入口5。

實施例2中有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：

進水渠3寬度b為6.0m，排氣管2直徑d1為5.0m，旋流板4的扇形包角α為270°，相鄰上下層旋流板4距離h為8.0m，首層旋流板4底部距豎井1頂部距離h1為5.0m，底層旋流板4底部距豎井1底部距離h2為10.0m，水墊層9深度h3為0.5m，擋水板6高度h4為5.0m，尾坎7高度為1.0m。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，實施例1和實施例2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14m/s左右，平均流速在7m/s左右，豎井總消能率在75％以上。同時，各分級旋流板上的最大流速總體控制在18m/s以下，負(fù)壓區(qū)域較少且負(fù)壓壓強不大，這對提高豎井的抗空化空蝕能力有利。實施例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。