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(fù)雜，落差大，導(dǎo)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(guī)范要求，排水管道的消能措施十分重要。而市政工程常規(guī)的跌水井對應(yīng)用的高差范圍有限，且階梯型跌水設(shè)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(nèi)解決大高差的情況下，常規(guī)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(shè)計中引入了深隧工程上應(yīng)用的折板型消能豎井。對折板型消能豎井的工藝構(gòu)造、計算方法、設(shè)計要點展開研究與設(shè)計。

1 折板型消能豎井的工藝構(gòu)造

折板型消能豎井多應(yīng)用于深層隧道排水[1]，目前，國內(nèi)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(nèi)部一般布置檢修爬梯等設(shè)施。濕室用于跌水消能，內(nèi)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(qū)氣體交換，濕區(qū)用于過流，豎井上、下部分設(shè)置進、出水管道，將淺層排水系統(tǒng)與深隧排水系統(tǒng)相連接。圖1為折板型消能豎井結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 折板型豎井結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of Baffle-Drop Type Shaft

2 折板型消能豎井的設(shè)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(tǒng)的高差及是否設(shè)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(nèi)相關(guān)規(guī)范并未對折板型消能豎井的具體計算提出相關(guān)要求與明確計算公式，參考相關(guān)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(shè)計流量，m3/s；

g——重力加速度，m/s2；

k——經(jīng)驗常數(shù)，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(jīng)驗常數(shù)，取0.55。

根據(jù)相關(guān)研究[3]，當(dāng)0.5D≤B≤0.75D時可以取得比較好的效果。同時，結(jié)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(shù)。

折板間的間距下限計算如式(5)。

(5)

2.3 消能率

根據(jù)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(nèi)底標(biāo)高，m；

h2——豎井出水管管內(nèi)底標(biāo)高，m；

v1——豎井進水管流速，m/s；

v2——豎井出水管流速，m/s。

當(dāng)Q為13～30 m3/s時，v2計算如式(7)；當(dāng)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(shè)計，上游污水收集系統(tǒng)的服務(wù)面積約為17.03 km2，服務(wù)人口約為13.2萬。近期收集污水量為2.4萬m3/d，遠(yuǎn)期2030年預(yù)計該區(qū)污水收集量為5.4萬m3/d，設(shè)計污水干管管徑為DN1000～DN1500，污水干管起點接自現(xiàn)狀臨時污水處理站，終點接入城區(qū)總污水處理廠。管道沿線地形復(fù)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(zhì)條件為填筑土與中風(fēng)化巖石，高速管理部門要求不能對高速公路范圍20 m內(nèi)的邊坡進行開挖。

根據(jù)相關(guān)文獻[6]，目前國內(nèi)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(yōu)缺點及使用范圍如表1所示。

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

跌落式豎井水流需經(jīng)過消能格柵進行消能，可以應(yīng)用于流量在160 m3/s、跌差在9 m以內(nèi)的情況，該工程設(shè)計為污水系統(tǒng)，水流中含有較多雜質(zhì)，通過消能格柵容易造成淤堵，不便于后期養(yǎng)護。旋流式豎井最大過流量可達1 000 m3/s，需要設(shè)置除氣室、通風(fēng)井，更適用于高水頭跌水應(yīng)用。折板型豎井流量現(xiàn)有案例流量為1～32 m3/s，對地基要求較低，軟地基地區(qū)也可使用，水流在折板間反復(fù)跌水，流速較低，并不會出現(xiàn)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(yǎng)護。螺旋坡道豎井在豎井內(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，不便于施工與日常養(yǎng)護。綜上，該工程設(shè)計為污水系統(tǒng)，最大設(shè)計流量為0.859 m3/s，跌差為8.55 m，同時結(jié)合施工與日后養(yǎng)護的便利性，設(shè)計采用折板型消能豎井，項目節(jié)點橫斷面如圖2所示。

圖2 工程節(jié)點橫斷面Fig.2 Cross Section of Project Node

3.2 設(shè)計要點

(1)折板型跌水豎井采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如圖3所示。根據(jù)式(1)計算得到所需的井室直徑凈尺寸為3 m?？紤]到現(xiàn)場施工的便捷，采用矩形結(jié)構(gòu)，設(shè)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(shè)置整流板，因此，在折板上面增加整流板，折板設(shè)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(dāng)折板傾角θ=10°時豎井的泄流效果最佳，但在設(shè)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(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》，總變化系數(shù)取1.375，管道系統(tǒng)設(shè)計最大流量為0.859 m3/s。因此，折板不設(shè)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(jù)結(jié)構(gòu)受力需求，折板壁厚設(shè)計取值為0.20 m，根據(jù)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(shè)計折板的間距取0.8 m。

(4)通氣孔的設(shè)置對結(jié)構(gòu)的壽命至關(guān)重要，缺少通氣設(shè)施將導(dǎo)致折板產(chǎn)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(shè)計通氣孔的上限直徑為60 cm，如果采用60 cm將對結(jié)構(gòu)受力不利，同時結(jié)合墻體開孔如果直徑超過30 cm，結(jié)構(gòu)上需要進行洞口鋼筋加強，也會對施工造成不便。因此，設(shè)計采用直徑為30 cm的通氣孔，養(yǎng)護人員可以在干室通過通氣孔對折板進行清掃。常規(guī)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(cè)，而根據(jù)王斌等[7]研究，折板上方水流出現(xiàn)左右擺動流態(tài)，頂沖水體濺起的水花能夠濺到正上方折板底面靠近側(cè)壁側(cè)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(shè)計流量穩(wěn)定之后，豎井內(nèi)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(chǎn)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(guān)內(nèi)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(tǒng)，或管道沿線地塊未完全開發(fā)前水流過小，導(dǎo)致水流中夾帶的泥沙沉積。由于濕室內(nèi)折板布置密集，養(yǎng)護人員無法通過濕室進行清掏養(yǎng)護。在豎井底部設(shè)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(shè)置0.5 m高的落底，方便進行清掏。水流通過折板反復(fù)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(yǎng)護，在干室內(nèi)通氣孔附件設(shè)置帶護籠的檢修爬梯，可通過通氣孔對折板進行沖洗養(yǎng)護。

(6)為保證進一步結(jié)構(gòu)的安全，防止水流沖刷底板，在濕室底部設(shè)消能池，內(nèi)部裝卵石，可以進一步進行消能。

(7)豎井結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhì)條件下10 m深度以內(nèi)的跌水豎井。

3.3 數(shù)值模擬

工程設(shè)計最大流量為0.859 m3/s，超出式(6)與式(7)的應(yīng)用范圍，且目前暫無相關(guān)消能公式可以應(yīng)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(shù)值模擬。根據(jù)相關(guān)研究[10-12]，本次數(shù)值模擬的邊界條件為：(1)采用Realizable k-epsilon模型與VOF模型進行數(shù)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(fēng)口邊界條件；(5)采用SIMPLE算法求解速度，當(dāng)殘差低于10-3且出口流速不再變化時認(rèn)為計算已經(jīng)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(xiàn)自由跌水的狀態(tài)[2]，最后跌入濕室底部消能池內(nèi)，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(qū)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(dāng)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(jié)構(gòu)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(jié)論

(1)通過研究國內(nèi)外相關(guān)的論文、學(xué)術(shù)研究，總結(jié)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(yīng)用。彌補了國內(nèi)相關(guān)工程的空白。

(2)目前，國內(nèi)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(yīng)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(shù)值模擬對設(shè)計豎井進行消能模擬，模擬結(jié)果折板型豎井消能率為97.48%，出水管流速可以符合規(guī)范要求。

(3)折板型消能豎井用于山地城市排水管道系統(tǒng)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(shè)計計算方法，都是建立在一定的模型試驗或相關(guān)理論推導(dǎo)基礎(chǔ)上，而相關(guān)的理論模型特別是矩形折板的構(gòu)造還有待完善。