大落差豎井式跌水在城市排水系統(tǒng)中的應(yīng)用

張家口市宣化區(qū)北部城區(qū)位于京藏高速以北，草帽山腳下，雨季直接承受山洪沖擊，為確保北部城區(qū)的安全，有必要修建防洪排水工程。

該跌水井位于2號排洪溝，設(shè)計流量7.4m3/s，跌差6m。跌水上下游均為DN1600mm鋼筋混凝土管道，設(shè)計縱坡10.7‰。

1.結(jié)構(gòu)布置

常規(guī)意義上的豎井式跌水多用于嚴寒地區(qū)的輸水工程，是一種抗凍功能重于跌水功能的建筑物。本工程作為城區(qū)雨水管網(wǎng)的一部分，對于流態(tài)穩(wěn)定和運行安全的要求較高。因此，本工程將消能設(shè)計放在更重要的位置上。

1.1 井身布置

井身采用鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)，上下游管道落差6m。根據(jù)現(xiàn)場地形條件，將井室寬度定為5m，井室的長度和深度需要根據(jù)消能計算確定。

1.2 消能布置

豎井式跌水的消能設(shè)施由消能篩網(wǎng)、消能池、反坡段組成。

消能篩網(wǎng)布置:篩網(wǎng)的型式分為篩格式、橫梁式、縱梁式3種，考慮到跌水井下泄的是山洪，洪水中攜帶大量樹枝等雜物，為減少淤堵問題，決定采用縱梁式篩網(wǎng)。

根據(jù)工程經(jīng)驗，當(dāng)落差≥4m時，就應(yīng)當(dāng)設(shè)置雙層或多層篩網(wǎng)，下層篩網(wǎng)除了可以進一步分散水流外，還能夠在篩網(wǎng)上層形成水墊，起到一定的消能作用，避免在井底設(shè)置過深的消能池，使工程更加經(jīng)濟。本工程落差4m，應(yīng)當(dāng)設(shè)置雙層篩網(wǎng)。

上層篩網(wǎng)的頂面與進口管道底部平齊?？v梁寬度d與縱梁間距δ的關(guān)系一般是δ=d或δ=d，取縱梁截面尺寸0.3×0.3m，每根間距0.3m，長度由消能計算確定。

下層篩網(wǎng)的位置不宜過低，否則將使下層篩網(wǎng)消能效果不佳，同時下層篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)容易損壞。綜合考慮，下層篩網(wǎng)與下游設(shè)計水位之間的距離不應(yīng)小于1m，應(yīng)當(dāng)布置在上層篩網(wǎng)與下游渠底之間處。下層篩網(wǎng)與上層篩網(wǎng)交錯布置，每根下層縱梁都布置在上側(cè)的篩眼處。

消能池布置:消能池由豎井底部和低于下游管底的井壁組成。本工程的消能池寬度5m，長度和深度根據(jù)消能計算確定。由于泄流初期井底沒有水墊用于消能，故在井底設(shè)置塊石護底厚300mm，起到保護井底的作用，實踐證明其運行效果良好。

反坡段布置:跌流經(jīng)篩網(wǎng)、消能池的消能后，往往還有少量的剩余能量，對下游管道產(chǎn)生沖擊震動。本工程將下游6m長管道設(shè)為反坡，坡比1∶10，并在該段管道外包裹混凝土鎮(zhèn)墩以保持穩(wěn)定。

2.消能計算

消能計算主要包括各級消能篩網(wǎng)沿水流方向長度計算和消能池尺寸計算。

2.1 篩網(wǎng)長度計算

篩網(wǎng)長度的設(shè)計需要滿足：全部水流由篩網(wǎng)的孔隙分散跌入下游渠道中，形成緩流銜接。篩網(wǎng)縱梁沿水流方向長度的計算公式如下：

考慮到篩網(wǎng)運行時可能存在漂浮物堵塞的情況，應(yīng)在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上再除以漂浮物堵塞系數(shù)，一般取0.65～0.80，對縱梁式篩網(wǎng)應(yīng)取0.80。

2.2 消能池尺寸計算

應(yīng)按單位水體消能率計算水墊深度及池深，公式如下:

需要注意的是，對于單級篩網(wǎng)，V單指消能池中的水墊，但對于多級篩網(wǎng)，V不單指消能池中的水墊，還包括所有消能篩網(wǎng)上的水墊總體積；各級篩網(wǎng)上的水墊厚度可按如下公式計算：

使用消能水墊總體積V減去各級篩網(wǎng)的水墊體積V1，即得到消能池的總體積，使用總體積除以擬定的面積，得到消能池深度。

2.3 計算實例

張家口宣化區(qū)北部城區(qū)排水豎井，跌差 6m，設(shè)計流量 7.4m3/s，布置 2層縱梁式篩網(wǎng)，每層7根縱梁，尺寸0.3×0.3m，間距0.3m，井室（消能池）尺寸5×5m。經(jīng)計算，得到篩網(wǎng)縱梁最小長度4.44m，消能池最小池深1.43m，實際工程中篩網(wǎng)縱梁設(shè)計長度5m，消能池設(shè)計池深1.7m。

3.結(jié)語

豎井式跌水原本是一種在我國北方灌區(qū)輸水工程中常用的跌水建筑物，本文根據(jù)張家口宣化區(qū)北部城區(qū)排水工程中的工程實例，通過比較分析，論證了將豎井式跌水應(yīng)用到山區(qū)城市排水系統(tǒng)中的可行性和優(yōu)越性，描述了其結(jié)構(gòu)布置特點和注意事項，介紹了具體的消能計算方法。該種建筑物具有過流能力大、跌差大、消能效果好、經(jīng)濟性好等優(yōu)點，對于非平原地區(qū)的城市排水管網(wǎng)均有一定的使用價值，值得大力推廣。