折板消能豎井中的折板功能分析

王志剛，張 東，張宏偉，張 蕊

（中國水利水電科學研究院 水力學研究所，北京 100038）

折板消能豎井中的折板功能分析

王志剛，張 東，張宏偉，張 蕊

（中國水利水電科學研究院 水力學研究所，北京 100038）

折板是折板消能豎井的關鍵結構。本文以模型試驗為依托，測試了折板消能豎井的水力特性，分析了不同典型位置折板的功能及布置準則，結果顯示：首層折板的主要功能為承接和調(diào)節(jié)水流，使其平順地跌向次層折板，首層折板與豎井入流口的間距是影響首層折板功能發(fā)揮的主要因素，該值過大易引起水流不能跌至首層折板或水流直接沖擊中隔板等不利現(xiàn)象；中間層折板的主要功能為消能，折板間距是影響其功能發(fā)揮的主要因素，折板間距過大會影響消能效率，過小會影響過流能力；水下折板的主要功能為消能和除氣，根據(jù)試驗資料，當水下折板至少設置2～3層時，即可良好地滿足其功能需求。

折板功能；模型試驗；折板消能豎井；工程水力學

1 研究背景

隨著我國工業(yè)的持續(xù)發(fā)展和城市化進程的加速推進，人類活動的產(chǎn)排污量不斷增加，加之全球氣候變化引起的暴雨頻發(fā)，導致很多城市出現(xiàn)既有淺層管網(wǎng)排水排污能力不足的問題，城市雨污合流溢流（CSO）和城市內(nèi)澇等問題日漸加?。?-8］。城市深層排水系統(tǒng)，作為淺層排水管網(wǎng)的重要補充，可對降水徑流起到分流、削峰和錯峰等作用，有效地緩解城市內(nèi)澇，從而越來越受到人們的關注［9-11］。折板消能豎井，作為一種重要的豎向輸水結構［12-13］，具有可適應多高程、多角度和多數(shù)量的入流布置，可適應非恒定的入流過程和不同的豎向輸水深度等［14-16］，滿足城市深層隧洞排水系統(tǒng)入流結構輸水的要求，因此將會伴隨城市深層隧洞排水系統(tǒng)的建設得到廣泛的應用。

折板消能豎井的基本結構如圖1所示，豎井總體呈圓柱形，位于中部的中隔板將豎井空間分割成干區(qū)和濕區(qū)兩部分，干區(qū)主要用來調(diào)節(jié)氣流條件，提供檢修維護通道等，濕區(qū)則用來過流。為改善水流條件，濕區(qū)中還交錯布置有弧形折板。由于不同折板所處的位置及工作條件并不相同，因此在折板設計時需考慮的因素亦應有所差異。本文擬結合模型試驗及理論分析，對折板消能豎井的折板功能進行分析，以期為折板消能豎井折板的設計提供技術參考。

2 試驗模型及測試工況

圖1 折板消能豎井結構

2.1 模型設計試驗模型由地下水庫、供水管道、折板消能豎井（包括模型主體及其入出流結構）和尾水管道4部分組成。其中，折板消能豎井模型主體的尺寸如下：總深度為2.23m，豎井內(nèi)半徑R為25.00 cm，折板邊緣寬度B為25.00 cm，折板間距為h，如圖2所示。豎井的入流口位于濕區(qū)一側，距豎井底部2.07m，直接與入流結構銜接；由于入流角度對豎井中水流流態(tài)有一定影響，本文試驗設計了2種入流的角度，一種為入流方向與中隔板板面相平行（入流方案一），一種為入流方向與中隔板板面成45°夾角（入流方案二），入流口寬度均為12.00 cm，如圖2所示。出流口位于干區(qū)一側，直接與尾水管道相連接。豎井模型主體和入流結構均采用有機玻璃制作，以便于對流態(tài)的觀測。此外，在供水管道上安裝有蝶閥和電磁流量計（型號為KROHNE OPTIFLUX2100C，精度等級＜0.3%），用來控制和顯示來流量；在尾水管道上亦裝有蝶閥，用來調(diào)節(jié)豎井模型中的水深。

圖2 折板消能豎井模型及測壓點布置（單位：cm）

為分析壓力分布特征，選擇豎井中典型折板進行板面壓力測量，其中，典型折板的選擇根據(jù)體型參數(shù)的不同而有所差別。在每一層折板上均布置4個測壓點，具體布置方式如圖2所示，測壓點間距均為4.00 cm，測壓點編號則從豎井中心向邊壁順序排列。壓力數(shù)據(jù)采用壓力傳感器（型號為DJ800，精度等級為＜1%）進行測量。

2.2 測試工況分別定義無量綱折板流量 Q*和無量綱折板間距 h*如下：

式中：Q為過流流量；g為重力加速度。

根據(jù)目前國內(nèi)外折板消能豎井的應用實際［14-16］，無量綱折板間距 h*取值為0.40～0.85，無量綱流量Q*取值為0.020～0.060。為此，設計如表1所示的3種折板消能豎井體型進行測試，流量范圍2.0～6.0 L/s，對應的無量綱流量Q*為0.020～0.056。此外，由于折板間距的不同，豎井中布置的折板數(shù)量及布置測壓點的典型折板的選擇等亦有不同，見表1。

表1 不同折板間距下折板數(shù)量及測壓點布置情況

3 結果與討論

3.1 首層折板功能分析首層折板指折板消能豎井中布置的最上一層折板，理論上是水流進入豎井后經(jīng)過的第一層折板。本文設計了2種典型的入流方案（見圖2）對首層折板附近水流的水力特性進行了測試，并對首層折板的功能及布置方法進行分析。

3.1.1 入流方案一的水力特性分析 試驗結果顯示，當首層折板與入流口間距ht（如圖2）取20.00 cm時，水流從入流口進入豎井后大部分無法直接跌落至首層折板上，而是越過首層折板邊緣直接跌向次層折板，最終直接沖擊到次層折板與豎井邊壁的交線附近。由于水流的跌落高度大，水流沖擊次層折板的撞擊力亦較大，水滴四散飛濺，且不時從中隔板上的通氣孔濺入干區(qū)。減小首層折板與入流口的間距ht至1.73 cm后可以看到，水流從入流口進入豎井后即跌落到首層折板上，而后順勢前流，在折板邊緣自然向下跌落至次層折板上，流動銜接良好。

次層折板上典型工況（Q=5.5 L/s）的壓力測試結果如圖3所示。由圖3可知，當首層折板與入流口間距ht取20.00 cm時，次層折板上不同位置的時均壓力相差較大，靠近豎井邊壁一側的時均壓力最大可達2.0 kPa以上，而折板邊緣附近的壓力則僅約0.1 kPa，相差達20倍；而從脈動壓力的測試結果亦可以看到，在豎井邊壁附近的測壓點測得的脈動壓力均約1.0 kPa，折板邊緣的脈動壓力值則小很多。當減小首層折板與入流口間距ht至1.73 cm之后，雖時均壓力與脈動壓力在折板上的分布特征并未發(fā)生根本性變化，但位于豎井邊壁附近測點測得的折板最大時均壓力減小為原值的一半，水流的脈動壓力亦有了明顯的減小。因次層折板上的壓力特征在一定程度上反映了水流經(jīng)首層折板后跌落到次層折板上的流動型態(tài)，很明顯，二者對比表明前一工況下水流在流向次層折板時更加平順，且對次層折板沖擊力相對較小。

3.1.2 入流方案二的水力特性分析 當入流方向與中隔板板面成45°夾角時，水流從入流口進入豎井后大部分直接跌向首層折板方向，僅有少部分跌向次層折板方向。當首層折板與入流口間距ht取3.73 cm時，水流幾乎全部首先跌落到首層折板上，而后由于中隔板的阻擋作用，水流流動方向發(fā)生偏轉跌至次層折板。進一步的分析認為，適當?shù)卦龃笫讓诱郯迮c入流口之間的間距ht亦可保證大部分的水流首先跌落至首層折板；然而過大的間距則可能使得水流從入流口進入豎井后直接沖擊對側的中隔板，并不可取。

圖3 入流方案一中次層折板上的時均壓力和脈動壓力（Q=5.5 L/s）

圖4 入流方案二中次層折板上的時均壓力和脈動壓力（Q=5.5 L/s）

對次層折板上典型工況（Q=5.5 L/s）的壓力進行測試結果如圖4所示。由圖4可見，折板上時均壓力和脈動壓力的分布特征與入流方案一的測試結果基本相同；時均壓力與脈動壓力的數(shù)值相對較小，說明水流在流向次層折板時較為平順，未形成對次層折板局部的強烈沖擊。

3.1.3 折板功能解析及布置方法 根據(jù)模型試驗結果知，不論入流方向與中隔板板面平行抑或成一定的角度，合理的首層折板布置均能良好地承接水流，并能與中隔板配合調(diào)整水流的流向及流態(tài)，使得水流可以平順地跌落至次層折板而不會使得次層折板上出現(xiàn)壓力集中和沖擊壓力過大的現(xiàn)象。即首層折板的功能應定位為承接并調(diào)節(jié)來流，使之平順地跌向次層折板而不引起不良的水力現(xiàn)象。

進一步的分析認為，首層折板與入流口間距ht的取值是影響首層折板功能發(fā)揮的關鍵因素。當入流方向與中隔板板面夾角較小時，過大的ht取值易引起水流因水平跌距過大而直接跌落到次層折板的問題；當入流方向與中隔板板面夾角較大時，過大的ht取值則易出現(xiàn)水舌直接沖擊中隔板的現(xiàn)象?？梢?，首層折板與入流口間距ht的取值應限定在一定的范圍內(nèi)，相應地水流的水平跌距應小于特征長度L，通常L≤R，如本文試驗中入流方案一的L約為0.85 R，入流方案二的L約為R，于是有：

式中：vh為來流的水平流速，根據(jù)來流渠槽的特征，可近似為臨界流速；t為跌流時間，由于水流在垂向上近似呈自由落體運動，因此可藉此計算跌流時間t。

其中：

將式（4）和式（5）代入式（3）并進行整理得：

3.2 中間層折板功能分析中間層折板指折板消能豎井中首層折板與水面之間的折板，是折板消能豎井中的主體部分。為分析折板消能豎井中中間層折板的流態(tài)特征，分別對3種體型下水流的流態(tài)進行了測試和分析。

3.2.1 水力特性分析 試驗結果顯示，在不同的工況下折板消能豎井中可能形成S型貼壁流動或往復跌流，如圖5所示。當折板間距較小且流量較小時利于往復跌流的形成，而折板間距的增大或過流流量的增大均易引起流動型態(tài)向S型貼壁流的轉變。測試結果如表2所示。

圖5 中間層折板典型流態(tài)

表2 折板消能豎井流態(tài)測試結果

分析發(fā)現(xiàn)，流動型態(tài)與消能特征密切相關。在S型貼壁流動中，水舌在脫離折板后直接沖擊對側豎井邊壁，而后貼壁下流至下一層折板上表面滑略而出，整個過程以平滑流動為主，消能效率較低，水流在向下輸運過程中動能會不斷積累，因而造成折板邊緣流速隨著水流的向下輸運而不斷增大，對豎井結構安全不利；而在往復跌流中，水舌在脫離折板后大部分水流可直接跌落在下一層折板上，水流在折板上與板上水墊形成強烈的對沖，混摻作用強烈，消能效果良好，因此豎井中水流的動能不因為水流的向下輸運而明顯增大。

中間層折板典型工況（Q=5.5 L/s）的壓力分布如圖6所示，由圖6知：對于體型Ⅰ，4個測壓點的時均壓力均較小，約為0～0.2 kPa；而比較各測點的脈動壓力值可知，測點1～3的脈動壓力均較小，僅靠近豎井邊壁的測點4附近的脈動壓力較大，達0.2 kPa。體型Ⅱ和體型Ⅲ的壓力分布特征則比較相似，兩者的時均壓力均較體型Ⅰ為大，最大值出現(xiàn)于測點4附近，達1.0 kPa，且呈現(xiàn)出從測點4到測點1逐漸減小的特征；兩者的脈動壓力亦呈現(xiàn)從測點4到測點1逐漸減小的趨勢，相比較而言，達到0.2 kPa以上的區(qū)域較體型Ⅰ有所增大，擴展為測點3和測點4附近的區(qū)域。

3.2.2 折板功能解析及布置方法 根據(jù)流態(tài)及壓力的測試結果可以看到，當折板間距較大時（如體型Ⅰ），折板上所受壓力較小，利于折板安全，但折板間水流形成了“S”型貼壁流動，折板間消能不足，水流流速較大，對豎井邊壁及底部沖擊較大，且易引起豎井底部水流劇烈波動及氣流卷吸進入深隧。相比較而言，折板間距較?。ㄈ珞w型Ⅲ）時形成的往復跌流的流態(tài)穩(wěn)定，流速相對較小且恒定，對豎井邊壁的沖擊作用較小，利于豎井結構的安全；雖其折板承受壓力較大，但尚在結構安全允許范圍內(nèi)且易通過工程措施進行彌補。因此，綜合認為中間折板的主要功能應為消能，進而促進折板間往復跌流型態(tài)的形成。

鑒于以上分析，中間層折板間距的取值應使得折板間水流跌落時勢能減少釋放的能量能夠在下層折板的水墊上得以完全消殺，從而保證水能不隨水流的向下輸運而增大。在此基礎上，文獻［15］假設折板邊緣為臨界流，提出了折板間距上限的取值建議，見下式。

上限：

圖6 典型中間層折板壓力分布（Q=5.5 L/s）

式中：D為豎井內(nèi)直徑；β為一系數(shù)，經(jīng)試驗測試約為0.55。

需要說明的是，由于折板消能豎井中特殊的結構特征，使得豎井中水流的摻氣量較大，折板邊緣流速亦較臨界流速大，因此，根據(jù)式（9）計算得到的折板間距的取值上限相對松弛，雖亦可為折板消能豎井折板間距的取值提供參考，但尚需進一步改進。

此外，折板間距的取值亦應滿足最基本的過流功能，基于此，文獻［15］根據(jù)工程經(jīng)驗擬合得到中間層折板間距的下限取值建議，見式（10）。

下限：

式中：hv為板上跌落水舌最高點與上一層折板底部的間距；h0為折板厚度，如圖2所示。

3.3 水下折板功能分析水下折板指折板消能豎井中位于水面以下的折板。在本文試驗中，分別對表1中的3種豎井體型進行了測試，測試時豎井中水墊的深度均可淹沒至少3～4層折板，同時水墊水深的選擇亦考慮了水墊水面與折板之間的相對位置關系，包括水墊水面處于相鄰折板中間位置、水墊水面與某折板表面近似平齊位置等。

3.3.1 水力特性分析 測試結果顯示，在各種測試工況中，由于受跌水的影響，水面附近的波動均較劇烈。而隨著水流在豎井中沿折板交錯布置形成的“S”型流道的向下運動，水流會逐漸趨于平穩(wěn)。此外，在水下折板板下水域可以觀測到間歇性的橫軸漩渦的生成，而且主要發(fā)生在水面下位置靠上折板的下表面附近。

此外，對氣泡運動規(guī)律的觀測發(fā)現(xiàn)，氣泡的運動與分布特征與水流密切相關。由于跌流作用，大量的氣泡會隨著水流卷吸進入豎井底部水墊中；隨著水流的向下運動，氣泡亦呈現(xiàn)向豎井深處運動的趨勢。但由于交錯布置的折板形成的“S”型流道的影響，很多氣泡在水流橫向運動時會由于浮力作用上浮，從而呈現(xiàn)出氣泡濃度在水墊表面濃度較大，而沿水深向下濃度迅速衰減的分布規(guī)律。根據(jù)所有試驗工況的測試結果發(fā)現(xiàn)，氣泡的下潛深度通常不會深于水下兩層折板以下。

3.3.2 折板功能解析及布置方法 根據(jù)折板消能豎井底部水墊中水流及氣泡運動規(guī)律的模型試驗結果可知，水下折板的布置不但改變了水體的流動路徑，延長了水流的流程，促成了一些間歇性漩渦的生成，增加了水流的沿程阻力和局部阻力，利于水流更快地趨于平穩(wěn)；同時折板的布置亦增加了水流的橫向流動距離，利于隨流氣泡在浮力作用下上浮，減小了氣泡向水墊更深處及下游管涵的輸移?？梢?，水下折板主要的功能應為消能和除氣。

結合模型試驗結果知，氣泡的下潛深度通常不深于水下兩層折板以下，考慮到水下折板的消能作用，水下折板應至少設置2～3層。而對于水下折板的折板間距，為方便施工，通?？刹捎门c中間層折板相同的取值。

4 結論

本文通過模型試驗對折板消能豎井的水力特性進行了測試，在此基礎上探討了不同典型位置折板的主要功能，并對其布置方法進行了分析，結論如下：（1）首層折板的主要功能為承接并調(diào)節(jié)來流，使之可平順地跌向次層折板。過大的首層折板與入流口間距易導致水流無法直接跌落至首層折板或直接沖擊豎井中隔板的現(xiàn)象，對豎井結構的安全運行不利，需避免；基于此，本文推導了確定首層折板位置的數(shù)學公式；（2）中間層折板的主要功能為消能，即在保證過流能力的條件下逐級消殺水能，使得豎井中的水流流速不至過大。進一步的分析認為折板間距是影響過流和消能的主要因素，當無量綱折板間距h*為0.40～0.85，無量綱流量Q*為0.020～0.060時，影響折板間距確定的上下限公式可作為中間層折板設置的指導準則；（3）水下折板的主要功能為消能和除氣。結合流態(tài)試驗測試結果，當水下折板至少布置2～3層時，水流即可比較平穩(wěn)，氣泡亦可在豎井濕區(qū)得到釋放，而不至于進入水墊更深處及下游管涵內(nèi)。

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Functions of baffles in baffle-drop shaft

WANG Zhigang，ZHANG Dong，ZHANG Hongwei，ZHANG Rui
（Departmentof Hydraulics，IWHR，Beijing 100038，China）

The baffles are the key structure of the baffle-drop shafts.With the help of physical model tests，the flow patterns in the baffle-drop shafts were tested，and the functions of the baffles with its de?signing considerations were analyzed.The results were shown as follows：the top baffle was designed for car?rying and ad justing inflow，then making it flow down to the second baffle naturally.The distance between the top baffle and the shaft inlet was the chief factor which influences the top baffle arrangement and its too large evaluating could make the flow strike on the central dividing wall or the second baffle directly. The main baffles lying between the top baffle and the bottom water surface were designed for energy dissi?pation.Baffle spacing would be the chief influence factor；being too large would reduce energy dissipation while being too small would influence the flow capacity.The functions of underwater baffles were energy dis?sipation and de-aeration.According to the test results，2～3 baffles could meet the requirements.

baffle function；physical model test；baffle-drop shaft；engineering hydraulics

TV131；TU992

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.04.005

11672-3031（2015）04-0270-07

（責任編輯：王成麗）

2015-03-31

中國水利水電科學研究院科研專項（HY0145B16201500000）；國家自然科學基金項目（51279216）

王志剛（1985-），男，山西晉中人，博士，工程師，主要從事水力學與水環(huán)境研究。E-mail：bimonbird@163.com