折板竖井消能技术在深层隧道排水系统中的应用研究

摘要

折板跌落式竖井是深层排水系统中应用较广的竖井类型之一，本文结合国内首个深层隧道排水工程-广州市东濠涌深层排水隧道，通过物理模型试验研究折板消能竖井不同条件下的水流流动特征，分析影响流动特征的因素及变化规律，研究流动型态转变的临界条件，论证典型流动状态下的消能机理。本文主要研究以下内容：

1. 根据竖井中水流在折板间需满足的过流能力及充分消能的约束条件，研究

了折板竖井消能的最大过流流量及稳定消能边界，提出了限制折板过流流量的约束条件。研究发现，在折板间距与折板宽度的比值为0.41时，最大过流流量与其稳定消能边界相等。

2.结合东濠涌深层隧道中竖井设计方案，研究设计流量工况下需满足的水力

特征和流量边界条件，提出推荐设计流量曲线和折板竖井设计方法，并在此方法的基础上发现设计最小竖井直径。

3.通过不同折板间距的物理模型实验，发现大折板间距下发生的摆动流流态，

提出摆动流的流态特征和边界条件，认此流态不利于竖井的稳定运行，折板竖井应避免发生摆动流流态。

4.为保证各种流量流态下，通气孔均能保持气体流通，提出通气孔的推荐位

置，并通过对不同出水口角度比较，提出推荐出水口位置，以减少进入隧道空气量。

关键词：折板竖井 最大过流流量 稳定消能边界 设计流量曲线 摆动流流态

Abstract

The physical model experiments have been carried out for the Guangzhou Donghaochong Deep Sewerage Tunnel which is the first deep tunnel drainage project in China. The project adopts the baffle-drop structure to convey the CSO (combined sewer overflow) into the tunnel. Which is one of the widely used type in deep drainage system. The energy dissipation characteristics for different baffle spacing have been explored. Researched the flow pattern and the energy dissipation mechanism at typical flow conditions. the factors and variation of flow characteristics is also analyzed. The main contents are as follows:

1. The maximum operational discharge and stable energy dissipation boundary are proposed as restrictions limiting the maximum flow rate in the baffle shaft. The study shows that when the ratio of baffle spacing to the baffle width is at critical 0.41,the maximum operational discharge and stable energy dissipation boundary are the same.

2. Combined with Donghaochong deep tunnel design scheme. the paper studied the hydraulic characteristics and constrains for design discharge. Baffle drop shaft design methods and design curves are recommended. And minimum shaft design diameter is proposed.

3.The flow pattern of different baffle spacing is studied in the physical model, which shows swinging flow pattern in large baffle spacing. Proposed hydraulic characteristics and boundary conditions of swinging flow pattern. considered it as adverse state for stable operation of baffle shafts.

4. to ensure the air can be transported freely and the pressure can be maintain. The suitable location of inspection port is recommended. And proposed optimal outlet position to reduce the amount of air entering the runnel by comparing different outlet position.

Keywords: baffle-drop shaft; maximum operational discharge; stable dissipation boundaries; design discharge curves; swinging flow pattern

目录

摘要........................................................................................................................................... 1 Abstract ..................................................................................................................................... 2 目录........................................................................................................................................... 3 第一章 绪论 ............................................................................................................................. 5

1.1研究背景及国内外研究现状 ..................................................................................... 5

1.1.1研究背景 .......................................................................................................... 5 1.1.2工程问题及研究意义 ...................................................................................... 9 1.1.3本文主要研究工作 .......................................................................................... 9

第二章 东濠涌深层隧道工程概述 ....................................................................................... 10

2.1东濠涌流域排水现状与问题分析 ........................................................................... 10

2.1.1流域片区汇水范围 ........................................................................................ 10 2.1.2排涝现状 ........................................................................................................ 11 2.1.3系统污水量 .................................................................................................... 11 2.1.4排水系统现状存在的问题及原因分析 ........................................................ 11 2.2东濠涌深层排水系统的功能定位 ........................................................................... 12 2.3总体方案选择 ........................................................................................................... 12 2.4竖井方案论证 ........................................................................................................... 13

2.4.1旋流式竖井 .................................................................................................... 13 2.4.2折板竖井 ........................................................................................................ 15 2.5竖井类型比选 ........................................................................................................... 16

2.5.1竖井场地条件 ................................................................................................ 16 2.5.2水力学条件 .................................................................................................... 18

2.5.3浪涌现象的防护 ............................................................................................ 19 2.5.4空气流通/臭气控制 ...................................................................................... 20 2.5.5工程造价 ........................................................................................................ 21

第一章 绪论

1.1研究背景及国内外研究现状 1.1.1研究背景

随着我国工业的持续发展和城市化进程的加速推进，城市工业排污和市政排污量不断增加，加之全球气候变化引起的暴雨频发，从而导致城市排水排污需求和现有排水管网过流能力不足之间的矛盾不断加剧，城市雨污合流溢流问题（CSO）、城市内涝问题等凸显，如北京、广州、武汉、沈阳等许多城市在近一两年内都发生过类似的问题。为此，国务院在2013年9月16日发布《关于加强城市基础设施建设的意见》，明确提出：“加强城市排水防涝防洪设施建设，解决城市积水内涝问题。到2015年，重要防洪城市达到国家规定的防洪标准。用10年左右时间建成较完善的城市排水防涝、防洪工程体系”。城市深层排水系统是城市排水系统的一种重要形式，可有效地缓解城市CSO、内涝等问题，因此在我国有很好的应用前景。而折板消能竖井由于可适应非恒定的入流过程以及不同的竖向输水深度，能很好地适应城市深层排水系统竖向输水的特点，因此将随着城市深层排水系统的建设得到更多的应用。

折板消能竖井最早出现在国外，其基本结构型式如图1所示。最早的折板竖井是由圆柱形竖井和半圆形水平布置的折板构成，这样的设计使得水流不断地在折板上方向下跌落，最终将水流运送至底层隧道中。

但是早期的克利夫兰市竖井错误!未找到引用源。结构设计存在两个重大的缺陷：水流流态不稳定和缺乏维修入口。由于整个原型竖井断面都被用于输送水流，缺少空气流通的设施，又由于竖井内水流掺混强烈，流动不均，竖井内部会产生间歇性负压并使得折板产生不规律震动（这将成为克利夫兰市竖井最终损坏的重要原因之一）。另一方面，克利夫兰市竖井设计当中缺乏供人员进出的检修通道，导致后期维护检修工作困难。

图1美国俄亥俄州克里夫兰市1914年折板竖井错误!未找到引用源。