折板型消能豎井應用于山地城市排水系統

許靖航

(上海城建市政工程<集團>有限公司，上海 200240)

山地城市地形復雜，落差大，導致排水管道上、下游高差大，流速快。為了避免管道長期受到水力沖刷而損壞、控制排水流速不大于規范要求，排水管道的消能措施十分重要。而市政工程常規的跌水井對應用的高差范圍有限，且階梯型跌水設置所需占地面積大，消能效果也不甚理想。特別是在短距離內解決大高差的情況下，常規的消能措施無法起到很好的效果。為此，在山地城市排水管道實際工程設計中引入了深隧工程上應用的折板型消能豎井。對折板型消能豎井的工藝構造、計算方法、設計要點展開研究與設計。

1 折板型消能豎井的工藝構造

折板型消能豎井多應用于深層隧道排水[1]，目前，國內外所使用的折板型排水豎井大多由圓形井室、中隔墻與扇形折板組成，中間隔墻將豎井分割成干室和濕室兩部分。干室用于通氣和人員檢修，內部一般布置檢修爬梯等設施。濕室用于跌水消能，內部一般間隔一定距離布置扇形折板，通過折板間的水流跌落、沖撞、摻氣以達到消能目的。折板下方一般布置通氣孔，通氣孔用于檢修和干、濕區氣體交換，濕區用于過流，豎井上、下部分設置進、出水管道，將淺層排水系統與深隧排水系統相連接。圖1為折板型消能豎井結構示意圖。

圖1 折板型豎井結構圖Fig.1 Schematic of Baffle-Drop Type Shaft

2 折板型消能豎井的設計計算公式

折板型消能豎井的井室高度由上、下游排水系統的高差及是否設置消能池決定，其豎井的計算主要涉及：(1)豎井直徑的計算；(2)折板寬度、間距的計算；(3)消能效率的計算。目前，國內相關規范并未對折板型消能豎井的具體計算提出相關要求與明確計算公式，參考相關文獻[2-5]，折板型消能豎井計算如式(1)～式(7)。

2.1 井室直徑

折板型消能豎井的井室直徑計算如式(1)。

(1)

其中：D——消能豎井井室直徑，m；

Q——設計流量，m3/s；

g——重力加速度，m/s2；

k——經驗常數，在滿足(h-t)/B=0.39以及hv/B=0.1時取6；

h——折板間距，m；

t——折板厚度，m；

B——折板寬度，m；

hv——板上跌落水舌最高點與上一層折板底部的間距，m。

2.2 折板寬度與間距

折板寬度計算如式(2)。

(2)

其中：β——經驗常數，取0.55。

根據相關研究[3]，當0.5D≤B≤0.75D時可以取得比較好的效果。同時，結合實際工程的需求，可將折板寬度的計算公式簡化為B=0.5D。

折板間的間距上限計算如式(3)～式(4)。

(3)

F=[Q2/(B5g)]1/3

(4)

其中：F——折板弗勞德常數。

折板間的間距下限計算如式(5)。

(5)

2.3 消能率

根據伯努利方程，豎井消能率計算如式(6)。

(6)

其中：η——消能效率；

h1——豎井進水管管內底標高，m；

h2——豎井出水管管內底標高，m；

v1——豎井進水管流速，m/s；

v2——豎井出水管流速，m/s。

當Q為13～30 m3/s時，v2計算如式(7)；當Q為30～43.4 m3/s時，v2計算如式(8)。

(7)

其中：H——豎井高度，m；

y1——上游水深，m。

(8)

3 工程實例

3.1 工程概況

工程位于四川省某市，為污水干管設計，上游污水收集系統的服務面積約為17.03 km2，服務人口約為13.2萬。近期收集污水量為2.4萬m3/d，遠期2030年預計該區污水收集量為5.4萬m3/d，設計污水干管管徑為DN1000～DN1500，污水干管起點接自現狀臨時污水處理站，終點接入城區總污水處理廠。管道沿線地形復雜，高差大，工程起點處需橫穿某高速公路，高速公路為高填方路堤。工程采用頂管方式橫穿高速公路，高速邊坡上下高差為20 m，高速公路下方地質條件為填筑土與中風化巖石，高速管理部門要求不能對高速公路范圍20 m內的邊坡進行開挖。

根據相關文獻[6]，目前國內外常用的消能豎井形式為跌落型豎井、旋流型豎井、折板型豎井、螺旋坡道豎井，其優缺點及使用范圍如表1所示。

表1 各跌水豎井優缺點對比Tab.1 Comparison of Advantages and Disadvantages for Different Drop Shafts

跌落式豎井水流需經過消能格柵進行消能，可以應用于流量在160 m3/s、跌差在9 m以內的情況，該工程設計為污水系統，水流中含有較多雜質，通過消能格柵容易造成淤堵，不便于后期養護。旋流式豎井最大過流量可達1 000 m3/s，需要設置除氣室、通風井，更適用于高水頭跌水應用。折板型豎井流量現有案例流量為1～32 m3/s，對地基要求較低，軟地基地區也可使用，水流在折板間反復跌水，流速較低，并不會出現大水頭豎井里常見的沖蝕、噪聲等問題，且干、濕分離，方便日后對較深豎井的養護。螺旋坡道豎井在豎井內部布置螺旋下降的坡道，最大深度可達84 m，但由于其螺旋坡道的內部結構，不便于施工與日常養護。綜上，該工程設計為污水系統，最大設計流量為0.859 m3/s，跌差為8.55 m，同時結合施工與日后養護的便利性，設計采用折板型消能豎井，項目節點橫斷面如圖2所示。

圖2 工程節點橫斷面Fig.2 Cross Section of Project Node

3.2 設計要點

(1)折板型跌水豎井采用鋼筋混凝土結構，如圖3所示。根據式(1)計算得到所需的井室直徑凈尺寸為3 m。考慮到現場施工的便捷，采用矩形結構，設計長×寬=3 m×3 m。王斌等[7]研究表明，矩形截面折板可以加大單寬流量，但會形成擺動水流，需要在豎井中設置整流板，因此，在折板上面增加整流板，折板設計長×寬=1.5 m×1.5 m，整流板采用邊長為0.25 m的等邊三角形。

圖3 折板型消能豎井剖面Fig.3 Cross Section of Baffle-Drop Type Energy Dissipation Shaft

(2)楊乾等[8]研究表明，具有一定傾角的折板有利于加速豎井的泄流過程，且當折板傾角θ=10°時豎井的泄流效果最佳，但在設計流量低于26 m3/s時，折板的傾角對泄流效果影響不大。考慮在實際施工過程中，跌水豎井一般都采用鋼筋混凝土形式，具有一定傾角的折板在綁扎鋼筋、支模時都具有一定的難度，根據《室外排水設計規范》，總變化系數取1.375，管道系統設計最大流量為0.859 m3/s。因此，折板不設計傾角。

(3)王志剛等[5]研究表明，折板間距較大時出水流速較大，折板間消能不足。根據結構受力需求，折板壁厚設計取值為0.20 m，根據式(3)與式(4)，折板的間距為0.8～1.5 m。為了保證消能效果，設計折板的間距取0.8 m。

(4)通氣孔的設置對結構的壽命至關重要，缺少通氣設施將導致折板產生震動、疲勞、破壞。目前對通氣孔的理論計算研究較少。王斌等[4]研究表明，hv/B≤0.04才能保證折板上的水面不會通過通氣孔進入干室，設計通氣孔的上限直徑為60 cm，如果采用60 cm將對結構受力不利，同時結合墻體開孔如果直徑超過30 cm，結構上需要進行洞口鋼筋加強，也會對施工造成不便。因此，設計采用直徑為30 cm的通氣孔，養護人員可以在干室通過通氣孔對折板進行清掃。常規折板消能豎井中，通氣孔的位置一般位于折板下方，靠近井壁側，而根據王斌等[7]研究，折板上方水流出現左右擺動流態，頂沖水體濺起的水花能夠濺到正上方折板底面靠近側壁側的位置，使部分水體從通氣孔進入干室，造成干室的污染。為了解決這一問題，將通氣孔位置移動至折板正下方。馬一祎[9]研究表明，在設計流量穩定之后，豎井內的水流會卷吸大量空氣進入下游管道，這部分空氣會攜帶排水管道中產生的硫化氫等有毒有害氣體通過下游檢查井逸散到地面。從而影響周邊居民的工作生活，但目前對折板型消能豎井的空氣逸散研究較少，相關內容還有待進一步研究。

(5)市政工程上檢查井堵塞的原因一般為大型異物侵入排水系統，或管道沿線地塊未完全開發前水流過小，導致水流中夾帶的泥沙沉積。由于濕室內折板布置密集，養護人員無法通過濕室進行清掏養護。在豎井底部設計底×高=3 m×1.5 m的檢修人孔用于濕室底部的檢修，在干室底部也設置0.5 m高的落底，方便進行清掏。水流通過折板反復跌水后進入濕室底部消能池，通過溢流進入干室，攜帶泥沙在干室底部沉泥槽進行沉積，污水通過出水管流出。同時，為了運維時折板的清洗與養護，在干室內通氣孔附件設置帶護籠的檢修爬梯，可通過通氣孔對折板進行沖洗養護。

(6)為保證進一步結構的安全，防止水流沖刷底板，在濕室底部設消能池，內部裝卵石，可以進一步進行消能。

(7)豎井結構設計使用年限為50年，安全等級為二級，抗震等級為三級，裂縫控制為0.2 mm。豎井采用鋼筋混凝土形式，井壁壁厚為500 mm，底板厚度為500 mm，頂板厚度為300 mm。井身采用C30混凝土，HPB400鋼筋，可適用于多種地質條件下10 m深度以內的跌水豎井。

3.3 數值模擬

工程設計最大流量為0.859 m3/s，超出式(6)與式(7)的應用范圍，且目前暫無相關消能公式可以應用。為了驗證折板型消能豎井在工程中的消能效率，對該折板型消能豎井采用Fluent軟件進行數值模擬。根據相關研究[10-12]，本次數值模擬的邊界條件為：(1)采用Realizable k-epsilon模型與VOF模型進行數值模擬；(2)采用速度進口，流速為1.55 m/s；(3)出口采用自由出流邊界條件；(4)豎井壁面、折板等采用無滑移壁面邊界，干室頂部采用通風口邊界條件；(5)采用SIMPLE算法求解速度，當殘差低于10-3且出口流速不再變化時認為計算已經收斂。

由圖4可知，水流從進水管進入豎井后，在重力和慣性力的作用下，在折板間逐級跌落，呈現自由跌水的狀態[2]，最后跌入濕室底部消能池內，一部分溢流進入干室的沉泥槽中，一部分與下流的水流互相沖擊進一步消能。折板間的壅水區考慮井壁，可以避免通過通氣孔進入干室。

圖4 折板型消能豎井水流分布Fig.4 Distribution of Water Flow Fraction in Baffle-Drop Type Energy Dissipation Shaft

由圖5可知，當進水管水流為1.55 m/s時，干室出水管處最大流速為2.07 m/s，豎井的消能率為97.48%，采用折板型消能豎井可以取得較好的消能效果，從而保證下游管道和跌水井結構的安全性。

圖5 折板型消能豎井流速分布Fig.5 Distribution of Velocity in Baffle-Drop TypeEnergy Dissipation Shaft

4 結論

(1)通過研究國內外相關的論文、學術研究，總結了折板型消能豎井的計算公式，以及在實際山城排水項目中進行了應用。彌補了國內相關工程的空白。

(2)目前，國內外對折板型豎井消能理論公式的研究較少，只有牟祎[2]研究應用在13～43.4 m3/s的消能公式。為了解決消能公式的缺失，采用數值模擬對設計豎井進行消能模擬，模擬結果折板型豎井消能率為97.48%，出水管流速可以符合規范要求。

(3)折板型消能豎井用于山地城市排水管道系統具有消能充分等特點，但目前不管是折板型消能豎井本身的消能機理，或是其設計計算方法，都是建立在一定的模型試驗或相關理論推導基礎上，而相關的理論模型特別是矩形折板的構造還有待完善。