折板傾角對(duì)深隧豎井水力特性的影響分析

堯 遠(yuǎn)

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，城市暴雨內(nèi)澇的問(wèn)題日益凸顯，受空間條件、改造費(fèi)用等的限制，對(duì)淺層管網(wǎng)的改造難度很大，因此，具有海綿城市建設(shè)理念的城市深隧排水系統(tǒng)將成為我國(guó)解決城市內(nèi)澇問(wèn)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(tǒng)中4種豎井消能結(jié)構(gòu)之一[1]，已經(jīng)在國(guó)外取得了較好的應(yīng)用效果，由于折板豎井在泄流消能方面的運(yùn)用效果甚好，國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者對(duì)折板豎井的研究產(chǎn)生了濃厚興趣，開(kāi)展了相關(guān)物理模型實(shí)驗(yàn)。Margevicius等(2009)[2]對(duì)折板型豎井通過(guò)8.5m3/s流量的能力進(jìn)行了驗(yàn)證。王志剛等(2015)[3、4]，王斌等(2015)[5、6]對(duì)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(jìn)行了研究。Odgaardd等(2013)[7]對(duì)折板上水流跌落距離公式和折板豎井理論設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了推導(dǎo)。

目前，國(guó)內(nèi)外研究者所進(jìn)行的物理模型試驗(yàn)采用的均是無(wú)傾角的折板，尚未有學(xué)者對(duì)折板傾角進(jìn)行研究。作為折板型豎井的一項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，折板傾角對(duì)于豎井的水力學(xué)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(jìn)行豎井泄流消能的物理模型試驗(yàn)，通過(guò)觀測(cè)水流形態(tài)、水流流速、豎井頂部壓強(qiáng)等物理量，研究折板傾角對(duì)豎井泄流消能的影響，從而為得到一個(gè)最優(yōu)豎井結(jié)構(gòu)提供一定參考。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀晒┧洹⑦M(jìn)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(qū)和濕區(qū)兩部分，濕區(qū)交錯(cuò)布置弧形折板，水流通過(guò)在折板上自由跌流以達(dá)到泄流消能的目的，干區(qū)用來(lái)通氣和提供維修通道。為了防止水流在濕區(qū)折板上運(yùn)輸時(shí)因排氣不暢發(fā)生堵塞，在每層折板下方設(shè)置通氣孔，并在豎井頂板的干區(qū)部分分別開(kāi)一個(gè)直徑2cm，4cm的排氣孔以排除豎井內(nèi)的氣體。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。模型按重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，選取模型幾何比尺λL=25，其它物理量按照弗汝德相似準(zhǔn)則進(jìn)行換算，模型比尺見(jiàn)表1。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹饕Y(jié)構(gòu)尺寸如下：進(jìn)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(cè)流態(tài)，整個(gè)模型全部采用有機(jī)玻璃制作，流速通過(guò)人工操作閥門(mén)進(jìn)行控制。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽?/p>

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(tài)觀測(cè)與分析

首先在無(wú)排氣孔的工況下，改變折板傾角分別為0°、10°和20°來(lái)觀測(cè)不同折板傾角豎井的水流形態(tài)，三組試驗(yàn)均是通過(guò)人工操控閥門(mén)使流量迅速?gòu)?m3/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(tài)如圖2所示。

(a)50m3/h

(1)第一組試驗(yàn)折板傾角為0°。當(dāng)流量為50m3/h時(shí)，由于裹挾著大量氣體，水流呈現(xiàn)乳白色，部分水流通過(guò)折板下方的通氣孔進(jìn)入干區(qū)，在此流量下，水流以撞壁受限流的型態(tài)逐漸向下跌落，即水舌在脫離折板后直接沖擊對(duì)側(cè)豎井壁面，而后落在對(duì)側(cè)折板上平滑輸送至下層折板，由于流量過(guò)大，貼壁流動(dòng)的水流還來(lái)不及平滑落到折板上便與新來(lái)的水流發(fā)生碰撞，導(dǎo)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(jìn)一步消能后，由出水管排出豎井。當(dāng)流量逐漸減小至40m3/h時(shí)，水流發(fā)生了由撞壁受限流向自由跌流的轉(zhuǎn)變，即由于流量減小導(dǎo)致大部分下跌的水流無(wú)法沖擊到對(duì)側(cè)邊壁，而是直接跌落至下層對(duì)側(cè)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(fā)生良好摻混，形成消能，另一部分水流又翻轉(zhuǎn)至豎井邊壁上，與新跌落的水流發(fā)生對(duì)沖，而后又落至水墊層上。當(dāng)流量繼續(xù)減小至30m3/h時(shí)，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(wú)法打到同側(cè)上層折板上，但仍有部分水流通過(guò)通氣孔進(jìn)入到干區(qū)。當(dāng)流量降至20m3/h后，經(jīng)水墊層翻滾上來(lái)的水花已無(wú)法到達(dá)通氣孔位置。

(2)當(dāng)改變折板傾角為10 °后，流量為50m3/h時(shí)，水流充滿濕區(qū)全部折板。45m3/h時(shí)，中間層折板之間有了部分空隙，水流形態(tài)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(yùn)輸，另一部分水流發(fā)生翻滾后與新入流水流對(duì)沖后才又繼續(xù)向下運(yùn)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(shí)間較0°傾角時(shí)有所縮短。當(dāng)流量減小至20m3/h時(shí)后，水流同樣已無(wú)法到達(dá)通氣孔位置。相比0°傾角，10°傾角時(shí)水流型態(tài)無(wú)明顯的撞壁受限流，只形成了自由跌流，折板上無(wú)明顯水墊層。

(3)當(dāng)折板傾角為20°時(shí)，流量為50m3/h時(shí)水流仍充滿濕區(qū)全部折板，45m3/h時(shí)，折板之間已留有部分空隙，水舌離開(kāi)折板后噴射到對(duì)側(cè)折板各個(gè)位置，由于折板傾角較大，水流無(wú)法通過(guò)豎井邊壁向上翻滾，水躍現(xiàn)象較0 °和10 °折板傾角相比有所減弱，大部分水流跌落到對(duì)側(cè)折板后繼續(xù)向下運(yùn)輸，還有小部分水流在沒(méi)有接觸到對(duì)側(cè)折板的情況下被卷裹著直接帶入更下一層的折板。當(dāng)流量減小至30m3/h時(shí)，水流已無(wú)法到達(dá)通氣孔位置。當(dāng)流量為20m3/h時(shí)，水舌幾乎全部跌落至對(duì)側(cè)折板的中心位置，水躍現(xiàn)象消失。通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，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(tài)與無(wú)排氣孔相比無(wú)明顯差異，因此不再描述。

2.2 壓強(qiáng)觀測(cè)與分析

通過(guò)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(dòng)特性。人工控制閥門(mén)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(shí)，豎井頂部的時(shí)程壓強(qiáng)圖如圖3所示。

(a)無(wú)排氣孔工況

由圖3可得，在三種工況下，當(dāng)流量從0m3/h迅速增加至50m3/h時(shí)，濕區(qū)的氣體通過(guò)通氣孔快速排入到干區(qū)，干區(qū)氣體在短時(shí)間內(nèi)快速增多，氣壓達(dá)到最大值。在無(wú)排氣孔的工況下，當(dāng)流量從50m3/h逐漸減小到0m3/h時(shí)，高速下跌的水流拖曳著空氣向下排出，導(dǎo)致豎井內(nèi)部出現(xiàn)負(fù)壓。由于氣體無(wú)法從豎井頂部排出，導(dǎo)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(fā)生碰撞、混合，因此三種折板傾角的豎井頂部壓強(qiáng)均會(huì)發(fā)生較大波動(dòng)，且在流量突變處出現(xiàn)氣壓極小值。在整個(gè)過(guò)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(dāng)折板傾角為10°時(shí)，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(jù)表1換算可得，在實(shí)際工程中，三種折板傾角的豎井頂部氣壓最大值將會(huì)分別達(dá)到50.5kPa、62.0kPa以及58.8kPa，在如此大的壓強(qiáng)下，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的“氣爆”現(xiàn)象，豎井頂蓋會(huì)被掀起并形成5～6m高的水柱，因此需設(shè)置排氣孔及時(shí)排出豎井內(nèi)的氣體。

表2 無(wú)排氣孔工況豎井頂部壓強(qiáng)值 kPa

當(dāng)設(shè)置2cm的排氣孔后，由于豎井內(nèi)的氣體可以通過(guò)排氣孔排出，因此在流量突變處，壓強(qiáng)并未出現(xiàn)明顯波動(dòng)。當(dāng)排氣孔的尺寸達(dá)到足夠大，即4cm時(shí)，豎井內(nèi)的壓強(qiáng)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(duì)較大，且最大壓強(qiáng)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無(wú)排氣孔工況的最大壓強(qiáng)值，有利于豎井的結(jié)構(gòu)安全。因此，需根據(jù)實(shí)際情況在豎井頂蓋設(shè)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(jì)算

折板型豎井的消能率公式為：

(1)

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

試驗(yàn)分別記錄了三種折板傾角豎井的無(wú)排氣孔、設(shè)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(duì)應(yīng)的的消能率如圖4所示。對(duì)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(qū)的氣體可以通過(guò)通氣孔排入到干區(qū)，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(duì)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(wú)關(guān)。

(a)無(wú)排氣孔工況

為了減小試驗(yàn)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(cè)和計(jì)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(yōu)，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(dāng)流量為50m3/h時(shí)，20 °折板傾角的豎井消能率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(huì)逐漸縮小，當(dāng)流量繼續(xù)減小到30m3/h后，三種折板傾角的豎井消能率幾乎相同。

3 結(jié)論

論文選取折板間距19.4cm的豎井，通過(guò)觀測(cè)在0°、10°、20°折板傾角下豎井的水流形態(tài)、頂部壓強(qiáng)、水流流速等水力特性，得到如下結(jié)論：

(1)不同的折板傾角有不同的水流形態(tài)。折板傾角為0°時(shí)，當(dāng)流量由50m3/h逐漸減小至0，水流形態(tài)會(huì)發(fā)生從撞壁受限流向自由跌流的轉(zhuǎn)變，且折板上會(huì)形成較為明顯的水墊層；折板傾角為10°時(shí)，水流形態(tài)為自由跌流，不能觀測(cè)到明顯的水墊層；折板傾角為20°時(shí)，水流形態(tài)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(méi)有接觸到對(duì)側(cè)折板的情況下被卷裹著直接帶入更下一層的折板。

(2)無(wú)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(jié)構(gòu)的安全性，因此不予采用；當(dāng)設(shè)置4cm排氣孔后，豎井頂部氣壓值接近于大氣壓，豎井的結(jié)構(gòu)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(wú)關(guān)，折板傾角為10°時(shí)，豎井的消能率最好，折板傾角為20°時(shí)，豎井的消能率最差。