王 斌，鄧家泉，何貞俊，王建平

（1.河海大學(xué) 研究生院，江蘇 南京 210029； 2.珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611）

折板跌落式豎井設(shè)計約束條件研究

王 斌1，2，鄧家泉2，何貞俊2，王建平2

（1.河海大學(xué) 研究生院，江蘇 南京 210029； 2.珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611）

結(jié)合國內(nèi)深層隧道排水工程－廣州市東濠涌深層排水隧道，通過物理模型試驗(yàn)探討了不同折板間距情況下折板豎井消能規(guī)律，并根據(jù)豎井中水流在折板間需滿足的過流能力及充分消能的約束條件，研究了折板豎井消能的最大過流流量及穩(wěn)定消能邊界，提出了折板豎井設(shè)計應(yīng)同時滿足的約束條件以及折板通氣孔的推薦位置。研究表明，在折板間距與折板寬度的比值小于0.408時，約束條件只有最大過流能力；當(dāng)比值大于0.408時，只需考慮充分消能的約束條件。

折板豎井；最大過流流量；物理模型；貼壁流流態(tài)；設(shè)計流量

1 研究背景

城市深層隧道排水系統(tǒng)可有效地緩解城市合流制溢流（CSO）、內(nèi)澇等問題，已在美國、日本等國家得到運(yùn)用，并取得了較好的工程效果。在深層隧道排水系統(tǒng)中常用的豎井消能結(jié)構(gòu)有旋流式豎井和折板式豎井兩種。旋流式豎井結(jié)構(gòu)使進(jìn)入豎井的水流沿井壁螺旋下降，落入下方的水墊層中。旋流豎井利用旋流的離心力作用，在壁面上形成正壓力。由于水流的旋轉(zhuǎn)作用，增加了水流紊動與摩擦，提高了消能效率，同時可形成較穩(wěn)定的空腔，有利于空氣摻混，減輕空蝕作用［1］。旋流豎井一般用于水利水電樞紐，泄量較大。但是旋流式豎井也存在缺點(diǎn)，需額外設(shè)置維修進(jìn)出通道；為清除臭氣，下游需設(shè)置除氣室；大流量高速水流在旋流式豎井中還會產(chǎn)生強(qiáng)烈振動現(xiàn)象以及巨大的噪音，通過工程措施上述缺點(diǎn)均可改善，但是折板豎井可從消能機(jī)理上避免以上問題。

折板豎井是由豎向中隔墻和一系列水平折板構(gòu)成，水流在折板間往復(fù)運(yùn)送至井底，通過折板間的跌落、摻氣和沖撞達(dá)到消能的目的。豎向中隔墻將豎井分為“干區(qū)”和“濕區(qū)”兩部分。“濕”區(qū)用以過流，將水流消能后輸送至井底；“干”區(qū)用作機(jī)械吊裝通道及通氣通道。折板豎井的結(jié)構(gòu)及“干”、“濕”區(qū)的位置如圖1所示。鑒于折板式豎井具有易于安裝維護(hù)，能有效避免空化，建造工藝簡便等優(yōu)點(diǎn)，近來在國內(nèi)外深層隧道排水系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

折板豎井結(jié)構(gòu)最早出現(xiàn)在1914年，但由于早期設(shè)計采用全斷面方式過流，缺少通氣設(shè)施，導(dǎo)致折板產(chǎn)生不利震動，最終使得豎井損毀［2］。近年來，折板豎井結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn)，Margevicius等［2］論證了ECT-4豎井多入口、多高程入流的可行性，驗(yàn)證了折板消能豎井具備通過4.8m3/s流量的能力。Od?gaard等［3］分析參考York市及Cleveland市的設(shè)計方案后，在自由跌流理論的前提下提出了折板豎井設(shè)計方法，并在Indianapolis市的Fall Creek/White River隧道系統(tǒng)應(yīng)用，取得了較好的效果。然而這一設(shè)計原則僅從自由跌流理論進(jìn)行推導(dǎo)，并未考慮折板消能豎井流動的特殊性，即大折板間距的情況下易產(chǎn)生貼壁流，因此易導(dǎo)致豎井設(shè)計參數(shù)不合理，消能不充分的情況發(fā)生。

本文結(jié)合國內(nèi)深層隧道排水工程—廣州市東濠涌深層排水隧道，通過物理模型試驗(yàn)探討折板豎井消能的最大過流流量及穩(wěn)定消能邊界，并對豎井消能規(guī)律及水力特性進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2 折板豎井最大過流流量

折板豎井結(jié)構(gòu)如圖1所示。模型試驗(yàn)制作1∶24.49的豎井模型，中隔板穿過豎井中心，布置在1/ 2D的位置，D為豎井直徑，原型尺寸為12 m。為能夠靈活調(diào)整折板間距，折板設(shè)計為活動折板，間距分別設(shè)置為1.84、2.45、3.06、3.68和4.29m（對應(yīng)模型分別為7.5、10、12.5、15和17.5 cm），以觀測不同間距下的水流形態(tài)。受限于折板空間尺寸，不同折板間距下都有其對應(yīng)的最大流量。在最大過流流量下，折板上方水面距離上一層折板底面有一定高度空間hv，用于空氣的流通。為保證最大流量下不阻礙空氣流動、擁堵通氣孔，結(jié)合通氣孔的位置與尺寸，通過試驗(yàn)觀測得到水面距離上一層折板底面的空間高度hv的限制條件為，這也是最大過流流量的限制條件。

圖1 折板豎井結(jié)構(gòu)

圖2 特征參數(shù)

每層折板末端出射水流可近似視為矩形截面出流。水流在折板內(nèi)運(yùn)輸?shù)倪^程中，由于過流“濕”區(qū)的豎井邊壁為弧形曲面，原本就不穩(wěn)定的水流在折板間跌落的過程中，受弧形邊壁的擠壓，折板末端的水流寬度比折板寬度B小，表示為δB（δ＜1）。當(dāng)矩形水流寬度為δB時，折板上出射水流的臨界水深表達(dá)為：

式中：Q為水流流量；g為重力加速度；δ為有效寬度系數(shù)。

最大流量情況下特征參數(shù)如圖2所示。

當(dāng)水流射出折板時，考慮到水流摻氣、紊動等因素，折板末端射出水舌會膨脹變厚大于臨界水深yc，表達(dá)為αyc（α＞1）。最大過流約束條件可表達(dá)為：

式中：α為水舌膨脹系數(shù)；h為折板上表面到下一層折板上表面的垂直距離；t為折板厚度。

式（2）中各特征參數(shù)位置如圖2所示。

將yc帶入式（2），令，則式（2）可寫為：

為保證雍水面不堵塞通氣孔，最大過流流量限制條件為：在最大過流流量下，折板平均壅水高度貼近上層折板底部，上涌的水流還會偶爾阻塞通氣孔，此時hv/B=0.04［3］。雖然水面的浮動偶有水流從通氣孔涌入干區(qū)，但涌入流量很小，不會阻塞空氣流通。經(jīng)模型試驗(yàn)測得最大過流流量結(jié)果如表1。

表1 試驗(yàn)最大過流流量

試驗(yàn)資料顯示，試驗(yàn)各折板間距下的最大過流流量與文獻(xiàn)［3］中數(shù)據(jù)相近，擬合曲線接近，如圖3所示。

圖3 最大過流流量對比

綜合文獻(xiàn)［3］與本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得到不同折板間距下最大過流流量的關(guān)系為：

研究結(jié)果表明，不同折板間距限制下，最大過流流量均須滿足式（4）。折板豎井運(yùn)行期間的流量不能超過其最大過流流量。

3 豎井穩(wěn)定消能邊界

試驗(yàn)證明，隨著流量的增大，水流的跌落距離L（水流中心線跌落點(diǎn)到折板末端的水平距離，如圖4所示）隨之增大。當(dāng)L增大并超越折板長度后，水舌不能直接跌落在折板上，而是沖向豎井邊壁，并沿壁面向下流動，之后貼著折板表面水平射出，跌向下一層折板。貼壁流流態(tài)如圖5所示。

折板豎井的消能方式是將水流直接引入折板上的水墊層中，并在水墊層中進(jìn)行消能。而貼壁流態(tài)使水流直沖向井壁，不僅沖擊井壁，還不利于消能。

假設(shè)水流以明渠臨界流速vc從折板末端流出，并跌落到下一層折板上時，水流中心跌落點(diǎn)到上一層折板末端出流點(diǎn)的水平距離L可表示為［3］：

試驗(yàn)測得不同折板間距在各流量下的跌落距離L如表2。

表2 流量Q與跌落距離L關(guān)系

對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)化二次擬合，結(jié)果如表3。

表3 最優(yōu)擬合公式

圖4 貼壁流臨界工況

圖5 貼壁流典型工況

根據(jù)物理模型試驗(yàn)觀測，當(dāng)折板間距為3.06、3.68和4.29 m（對應(yīng)的（h-t）/B分別為0.490、0.592、0.694）時，產(chǎn)生臨界貼壁流流態(tài)所對應(yīng)的跌落距離為L/D=0.47。貼壁流臨界流量分別為18.03、14.5和9.25m3/s。如圖6。

圖6 折板豎井設(shè)計參數(shù)關(guān)系

聯(lián)立求解式（5）、式（8），可求得滿足消能條件（對應(yīng)貼壁流臨界）的折板豎井的最大過流能力關(guān)系式：

式（9）表明，當(dāng)折板間距比值（h-t）/B為0.408時，其最大過流流量也是貼壁流臨界流流量。

實(shí)際折板豎井設(shè)計中不僅要滿足最大過流流量條件，還要滿足穩(wěn)定消能的條件。對加拿大約克鎮(zhèn)豎井［4］、俄亥俄州東北部豎井［1］、東濠涌豎井設(shè)計流量進(jìn)行驗(yàn)證，見圖6。設(shè)計流量均在最大過流流量線與穩(wěn)定消能邊界以下，表明設(shè)計方案充分滿足過流要求與消能要求，并留有一定富余空間。

4 結(jié)論

通過物理模型試驗(yàn)，結(jié)合廣州市東濠涌深層排水隧道，探討了折板豎井消能規(guī)律，并根據(jù)豎井中水流在折板間需滿足的過流能力及充分消能的約束條件，研究了折板豎井消能的最大過流流量及穩(wěn)定消能邊界，得到以下認(rèn)識：（1）為保證豎井折板通氣孔在最大流量時能夠保持氣流通暢，折板上的水面高度不應(yīng)超過通氣孔底面高度，通過試驗(yàn)觀測得到水面距離上層折板下底面的距離限制條件為hv/B=0.04，并由此總結(jié)出最大過流流量的關(guān)系式，這也是豎井過流能力的限制條件；（2）為滿足豎井折板水流充分消能，避免形成貼壁流流態(tài)，導(dǎo)致消能效率降低，試驗(yàn)確定了滿足消能要求的最大流量與折板間距的關(guān)系式，也是滿足消能要求的限制條件；（3）根據(jù)模型試驗(yàn)及其分析，在設(shè)計折板豎井時需同時滿足豎井的過流能力條件和充分消能條件。當(dāng)豎井（h-t）/B為0.408時，其最大過流流量同時也是其穩(wěn)定消能的臨界流量。故在折板設(shè)計中，折板間距比（h-t）/B＜0.408時，只需考慮最大過流流量的約束條件；當(dāng)（h-t）/B＞0.408時，只需考慮穩(wěn)定消能的約束條件。

［ 1］ 牛爭鳴，洪鏑，謝小平，等 .導(dǎo)流洞改建為旋流式內(nèi)消能泄洪洞的研究和實(shí)踐——以公伯峽水電站為例［J］.水利水電科技進(jìn)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

（責(zé)任編輯：王冰偉）

2015-03-31

廣州市水務(wù)科技項(xiàng)目“城市深層排水系統(tǒng)中折板消能豎井的水力特性研究”

王斌（1991-），男，新疆昌吉人，碩士生，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)研究。

鄧家泉（1956-），男，湖北鐘祥人，博士，教授級高級工程師，主要從事水力學(xué)及河流動力學(xué)研究。E-mail：jiaquandeng@163.com