折板傾角對深隧豎井水力特性的影響分析

堯 遠

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

隨著我國城市化進程的加快，城市暴雨內澇的問題日益凸顯，受空間條件、改造費用等的限制，對淺層管網的改造難度很大，因此，具有海綿城市建設理念的城市深隧排水系統將成為我國解決城市內澇問題、消除溢流污染的主要途徑。折板型豎井作為深隧排水系統中4種豎井消能結構之一[1]，已經在國外取得了較好的應用效果，由于折板豎井在泄流消能方面的運用效果甚好，國內外有不少學者對折板豎井的研究產生了濃厚興趣，開展了相關物理模型實驗。Margevicius等(2009)[2]對折板型豎井通過8.5m3/s流量的能力進行了驗證。王志剛等(2015)[3、4]，王斌等(2015)[5、6]對折板型豎井的折板功能,不同折板間距豎井的泄流量和消能率進行了研究。Odgaardd等(2013)[7]對折板上水流跌落距離公式和折板豎井理論設計方法進行了推導。

目前，國內外研究者所進行的物理模型試驗采用的均是無傾角的折板，尚未有學者對折板傾角進行研究。作為折板型豎井的一項設計參數，折板傾角對于豎井的水力學特性有著重要影響，本文將基于某種間距的折板豎井，選取0°、10°、20°折板傾角進行豎井泄流消能的物理模型試驗，通過觀測水流形態、水流流速、豎井頂部壓強等物理量，研究折板傾角對豎井泄流消能的影響，從而為得到一個最優豎井結構提供一定參考。

1 試驗模型設計

試驗模型由供水水箱、進水管、豎井主體、出水管、水池、水泵以及回水管組成，其中，豎井主體被中隔板分成干區和濕區兩部分，濕區交錯布置弧形折板，水流通過在折板上自由跌流以達到泄流消能的目的，干區用來通氣和提供維修通道。為了防止水流在濕區折板上運輸時因排氣不暢發生堵塞，在每層折板下方設置通氣孔，并在豎井頂板的干區部分分別開一個直徑2cm，4cm的排氣孔以排除豎井內的氣體。試驗模型如圖1所示。模型按重力相似準則設計，選取模型幾何比尺λL=25，其它物理量按照弗汝德相似準則進行換算，模型比尺見表1。試驗模型的主要結構尺寸如下：進水管、出水管直徑為100mm，豎井高2.4m，折板間距19.4cm，折板傾角分別為0°、10°和20°，中隔板位于1/2D處(D為豎井直徑)，通氣孔直徑3cm。為了便于觀測流態，整個模型全部采用有機玻璃制作，流速通過人工操作閥門進行控制。

圖1 試驗模型示意

表1 模型比尺換算

2 不同折板傾角豎井的水力特性

2.1 流態觀測與分析

首先在無排氣孔的工況下，改變折板傾角分別為0°、10°和20°來觀測不同折板傾角豎井的水流形態，三組試驗均是通過人工操控閥門使流量迅速從0m3/h增加至50m3/h，然后再逐漸降至0m3/h，三種折板傾角豎井的水流形態如圖2所示。

(a)50m3/h

(1)第一組試驗折板傾角為0°。當流量為50m3/h時，由于裹挾著大量氣體，水流呈現乳白色，部分水流通過折板下方的通氣孔進入干區，在此流量下，水流以撞壁受限流的型態逐漸向下跌落，即水舌在脫離折板后直接沖擊對側豎井壁面，而后落在對側折板上平滑輸送至下層折板，由于流量過大，貼壁流動的水流還來不及平滑落到折板上便與新來的水流發生碰撞，導致水流充滿了豎井大部分折板之間，僅在中間層折板位置還稍留有空隙。最終水流在豎井底部水墊層中進一步消能后，由出水管排出豎井。當流量逐漸減小至40m3/h時，水流發生了由撞壁受限流向自由跌流的轉變，即由于流量減小導致大部分下跌的水流無法沖擊到對側邊壁，而是直接跌落至下層對側折板上，折板上因此形成一定厚度的水墊層，水流沖擊到水墊層上，部分水流與水墊層發生良好摻混，形成消能，另一部分水流又翻轉至豎井邊壁上，與新跌落的水流發生對沖，而后又落至水墊層上。當流量繼續減小至30m3/h時，每層折板之間的空隙明顯增加，跌落至水墊層后翻滾的水流幾乎無法打到同側上層折板上，但仍有部分水流通過通氣孔進入到干區。當流量降至20m3/h后，經水墊層翻滾上來的水花已無法到達通氣孔位置。

(2)當改變折板傾角為10 °后，流量為50m3/h時，水流充滿濕區全部折板。45m3/h時，中間層折板之間有了部分空隙，水流形態為自由跌流，跌落在折板上的水流分為兩部分，一部分水流在折板上平順地向下運輸，另一部分水流發生翻滾后與新入流水流對沖后才又繼續向下運輸。由于折板有一定傾角，折板上并未形成明顯水墊層，水流在折板上的停留時間較0°傾角時有所縮短。當流量減小至20m3/h時后，水流同樣已無法到達通氣孔位置。相比0°傾角，10°傾角時水流型態無明顯的撞壁受限流，只形成了自由跌流，折板上無明顯水墊層。

(3)當折板傾角為20°時，流量為50m3/h時水流仍充滿濕區全部折板，45m3/h時，折板之間已留有部分空隙，水舌離開折板后噴射到對側折板各個位置，由于折板傾角較大，水流無法通過豎井邊壁向上翻滾，水躍現象較0 °和10 °折板傾角相比有所減弱，大部分水流跌落到對側折板后繼續向下運輸，還有小部分水流在沒有接觸到對側折板的情況下被卷裹著直接帶入更下一層的折板。當流量減小至30m3/h時，水流已無法到達通氣孔位置。當流量為20m3/h時，水舌幾乎全部跌落至對側折板的中心位置，水躍現象消失。通過試驗觀測發現，在排氣孔直徑為2cm、4cm的工況下，三種折板傾角的豎井水流形態與無排氣孔相比無明顯差異，因此不再描述。

2.2 壓強觀測與分析

通過在豎井頂板上安裝氣壓傳感器，以反映豎井頂部氣壓值和水流的紊動特性。人工控制閥門使流量從0m3/h迅速增加至50m3/h，再逐漸減小至0m3/h(每階段減小5m3/h)時，豎井頂部的時程壓強圖如圖3所示。

(a)無排氣孔工況

由圖3可得，在三種工況下，當流量從0m3/h迅速增加至50m3/h時，濕區的氣體通過通氣孔快速排入到干區，干區氣體在短時間內快速增多，氣壓達到最大值。在無排氣孔的工況下，當流量從50m3/h逐漸減小到0m3/h時，高速下跌的水流拖曳著空氣向下排出，導致豎井內部出現負壓。由于氣體無法從豎井頂部排出，導致上升至豎井頂部的氣體又不斷折返，與下方新上升的氣體發生碰撞、混合，因此三種折板傾角的豎井頂部壓強均會發生較大波動，且在流量突變處出現氣壓極小值。在整個過程中，三種豎井的氣壓最大值和最小值如表2所示。由表2可以看出，當折板傾角為10°時，豎井頂部的壓差最大，而較大的壓差有助于豎井的泄流效率。根據表1換算可得，在實際工程中，三種折板傾角的豎井頂部氣壓最大值將會分別達到50.5kPa、62.0kPa以及58.8kPa，在如此大的壓強下，會發生嚴重的“氣爆”現象，豎井頂蓋會被掀起并形成5～6m高的水柱，因此需設置排氣孔及時排出豎井內的氣體。

表2 無排氣孔工況豎井頂部壓強值 kPa

當設置2cm的排氣孔后，由于豎井內的氣體可以通過排氣孔排出，因此在流量突變處，壓強并未出現明顯波動。當排氣孔的尺寸達到足夠大，即4cm時，豎井內的壓強則接近于大氣壓。在這兩種工況下，同樣是10°折板傾角的豎井壓差值相對較大，且最大壓強值遠遠小于無排氣孔工況的最大壓強值，有利于豎井的結構安全。因此，需根據實際情況在豎井頂蓋設置一定尺寸的排氣孔，并選擇折板傾角為10°的豎井。

2.3 消能率的計算

折板型豎井的消能率公式為：

(1)

式中：v1、v2分別為進水管和出水管水流速度；h為進水管中心至出水管中心的距離。

試驗分別記錄了三種折板傾角豎井的無排氣孔、設置2cm排氣孔和4cm排氣孔三種工況下的入口流速和出口流速，三種工況下的豎井在各典型入流量下對應的的消能率如圖4所示。對比圖4(a)～(c)可以看出，三種工況下相同折板傾角的豎井消能率幾乎相同，這是由于豎井中濕區的氣體可以通過通氣孔排入到干區，且在高速下跌的水流中，氣體的可壓縮性較大，排氣孔的大小對于豎井的入流和出流速度的影響可忽略，因此各折板傾角的豎井消能率與排氣孔的大小無關。

(a)無排氣孔工況

為了減小試驗誤差，取各折板傾角三種工況下豎井消能率的平均值作為該種傾角豎井的消能率。由觀測和計算可得，各折板傾角的豎井消能率均隨著流量的減小而增大，且折板傾角為10 °的豎井消能率最優，消能率為81.16 %～96.40 %，折板傾角為20 °的豎井消能率最差，消能率為63.14 %～95.60 %，折板傾角為0 °的豎井消能率介于二者之間，為78.97 %～96.13 %。當流量為50m3/h時，20 °折板傾角的豎井消能率遠遠小于0 °和10 °折板傾角的豎井消能率，隨著流量的減小，三種折板傾角豎井的消能率的差距會逐漸縮小，當流量繼續減小到30m3/h后，三種折板傾角的豎井消能率幾乎相同。

3 結論

論文選取折板間距19.4cm的豎井，通過觀測在0°、10°、20°折板傾角下豎井的水流形態、頂部壓強、水流流速等水力特性，得到如下結論：

(1)不同的折板傾角有不同的水流形態。折板傾角為0°時，當流量由50m3/h逐漸減小至0，水流形態會發生從撞壁受限流向自由跌流的轉變，且折板上會形成較為明顯的水墊層；折板傾角為10°時，水流形態為自由跌流，不能觀測到明顯的水墊層；折板傾角為20°時，水流形態為自由跌流，且相比10°傾角水流跌落到折板上更為分散，甚至有部分水流在沒有接觸到對側折板的情況下被卷裹著直接帶入更下一層的折板。

(2)無排氣孔的工況下，三種折板傾角的豎井頂部最大氣壓值均較大，不利于結構的安全性，因此不予采用；當設置4cm排氣孔后，豎井頂部氣壓值接近于大氣壓，豎井的結構安全性較好。折板傾角為10°的豎井泄流效率最佳。

(3)豎井的消能率與排氣孔的大小無關，折板傾角為10°時，豎井的消能率最好，折板傾角為20°時，豎井的消能率最差。