跌流式豎井結(jié)構(gòu)減少吸氣的方法研究

王立榮 郭軍 楊鵬 梁榮 蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)

1.引言

跌流式豎井是市政排水系統(tǒng)豎井結(jié)構(gòu)中使用時(shí)間最早、設(shè)計(jì)施工最簡(jiǎn)單、工程中最常用的結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)是將進(jìn)水管段與垂直管段直接相連而成，為了增大過(guò)流能力，往往也將進(jìn)水管與垂直管的連接段做成彎管形式。跌流式豎井因設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、施工方便，且具有良好的抗凍性能和消能效果，而被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外市政排水系統(tǒng)中。然而，跌流式豎井結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中會(huì)從外界卷吸大量氣體，引起豎井底部地下渠道中氣壓升高，影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行，并導(dǎo)致出現(xiàn)排污系統(tǒng)臭氣逸散等空氣污染問(wèn)題或排澇時(shí)的井噴問(wèn)題，對(duì)人們的財(cái)產(chǎn)安全與生活健康帶來(lái)極大威脅。

2.跌流式豎井吸氣原因分析

（1）落差的影響。學(xué)者們對(duì)跌流式豎井的吸氣情況進(jìn)行了一定研究，當(dāng)?shù)魇截Q井的落差為2.0m時(shí)，其吸氣量約為水流量的1.2倍，當(dāng)?shù)魇截Q井的落差為2.9m時(shí)，其吸氣量為水流量的1.4倍，當(dāng)?shù)魇截Q井的落差為8.0m時(shí)，其吸氣量為水流量的40倍。以上研究均表明，高差是造成跌流式豎井吸氣的重要因素之一，高差越大吸氣量也越大。

（2）水滴的拖拽作用。很早之前就有學(xué)者對(duì)不計(jì)周圍空氣作用時(shí)的圓柱形非粘性液體的破碎機(jī)理進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水柱表面的波狀擾動(dòng)幅度達(dá)到液柱半徑時(shí)，水柱便開始破碎。隨著科技的發(fā)展，學(xué)者們開始利用高速相機(jī)對(duì)水流的跌落過(guò)程進(jìn)行研究，馬一祎利用高速相機(jī)觀察到豎井內(nèi)的水流在下落過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)三種形態(tài)：豎井上部為大片完整水膜，中部為不規(guī)則的水團(tuán)與碎片,底部破碎為水滴（該區(qū)域也被稱為“似雨區(qū)”），測(cè)量出大多數(shù)水滴尺寸大小為2mm左右，在不同流量下，水滴在不同高度的平均下落速度約為6m/s。此外，該學(xué)者還給出了水柱表面開始破碎的判斷準(zhǔn)則及水柱破碎長(zhǎng)度的理論預(yù)測(cè)方法，并通過(guò)數(shù)值模型，預(yù)測(cè)了豎井水流的拖拽氣量。當(dāng)大量的水滴以一定的速度向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)拖拽空氣向下，形成向下運(yùn)動(dòng)的氣流，且水流破碎成水滴后，增大了水體的比表面積，增加了水氣之間的相互作用面積，從而增強(qiáng)了水氣之間的相互作用力，最終導(dǎo)致大量氣體被水體卷吸帶入豎井中。一般情況下，城市地下排水系統(tǒng)中的豎井結(jié)構(gòu)深度達(dá)幾十米，在如此大的落差下，進(jìn)入豎井的水流基本都會(huì)破碎成水滴，這大大增加了進(jìn)入豎井中的氣體量，水流破碎也是造成跌流式豎井大量卷吸空氣的主要原因。

（3）水流與管壁的碰撞作用。水流在跌流豎井內(nèi)跌落時(shí)，部分水體與豎井邊壁發(fā)生碰撞，碰撞后在接觸面上出現(xiàn)卷曲和涌高現(xiàn)象，在此過(guò)程中會(huì)卷入一定的空氣，并隨著水流一起到達(dá)豎井下游。此外，在水流與豎井邊壁發(fā)生碰撞時(shí)，還會(huì)形成飛濺的水花，水花的形成增大了水氣接觸面積，導(dǎo)致被卷吸的空氣量進(jìn)一步增大。

（4）水躍作用。跌流式豎井出流管處恰好處于水流由急流過(guò)渡為緩流的位置，水流出現(xiàn)局部突變現(xiàn)象，故在出流管處很容易形成水躍，水躍區(qū)的水流由上下兩部分組成，上部水流在流動(dòng)中發(fā)生翻騰旋滾，下部水流為主流，是流速急劇變化的區(qū)域，這兩部分交界面上的流速梯度較大，紊動(dòng)混摻強(qiáng)烈，液體質(zhì)點(diǎn)不斷穿越交界面進(jìn)行交換，在此過(guò)程中，極易摻入大量空氣。

（5）水柱的破碎作用。水流在跌流豎井中下泄時(shí)，在水柱表面與氣流接觸面上，會(huì)受到表面張力與空氣阻力的相互作用，空氣源源不斷進(jìn)入到水柱當(dāng)中，最終致使水柱發(fā)生破碎，破碎的水體會(huì)攜帶氣體進(jìn)入豎井中，尤其是在形成袋狀破碎時(shí)，水膜包裹氣囊，氣體卷吸現(xiàn)象十分嚴(yán)重。

3.跌流式豎井水氣兩相作用機(jī)理

水流進(jìn)入跌流豎井后與豎井壁面發(fā)生碰撞，部分水流緊貼壁面流動(dòng)，形成壁面射流，部分水流從壁面反彈后自由下落，在下落過(guò)程中發(fā)生撞擊、破碎，對(duì)空氣產(chǎn)生劇烈的卷吸作用，大量空氣隨水流一起帶至豎井內(nèi)部。高速相機(jī)拍攝到的豎井中的水流起初為光滑的水膜及水流碎片，隨著下泄深度的增加，最終幾乎全部破碎為像雨滴一樣的水滴，水滴的存在大大增加了水氣間的相互作用面積和水流對(duì)空氣的拖拽力，造成大量空氣被卷吸進(jìn)入豎井中，這也導(dǎo)致豎井頂部的氣壓不斷下降，底部的氣壓逐漸增大，頂部和底部之間出現(xiàn)壓差，在壓差作用下，外界空氣通過(guò)通風(fēng)口又被不斷吸入豎井內(nèi)部，最終導(dǎo)致豎井頂部出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。同時(shí)，這種壓差隨著豎井深度的變化而變化，在整個(gè)豎井中形成了氣壓梯度，而造成氣壓梯度的根本原因是由水流在下落中變?yōu)樗魏髮?duì)空氣的拖拽力和拖拽量不斷增大所導(dǎo)致的，故氣壓梯度能較好地反映豎井內(nèi)水流對(duì)空氣的拖拽能力，由此分析可知，當(dāng)水滴尺寸越小、水流量越大、水流速度越大時(shí)，水流對(duì)空氣的拖拽力和拖拽量就越大，氣壓梯度值也越大。此外，有學(xué)者通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，跌流式豎井中進(jìn)氣量的大小還受到豎井上下游邊界條件及豎井直徑大小的影響，因這些條件的改變對(duì)豎井中水流的破碎情況，如對(duì)水滴形成的數(shù)量、大小等具有較大影響，尤其是當(dāng)豎井中的流量較大時(shí)，這種影響更為顯著。

4.跌流式豎井減少吸氣的措施

4.1 下游設(shè)置擋板形成水池效應(yīng)

通?？稍谪Q井下游出流管底部設(shè)置一定高度的擋板，擋板的存在使得豎井底部水位涌高，形成具有一定深度的水池，既能減少豎井的吸氣量，還可以起到減小下落水流能量，減緩水流對(duì)豎井底部的沖擊破壞作用。一方面，被水流卷吸進(jìn)入豎井的部分氣泡在遇到下游水池時(shí)獲得釋放，避免了該部分氣泡被水流帶至下游。另一方面，當(dāng)水池水位升高時(shí)，出水管內(nèi)水位也隨之升高，允許氣流通過(guò)的管道上方截面減小，導(dǎo)致氣體進(jìn)入下游的通道減小，隨水流進(jìn)入下游的氣體量減小，當(dāng)豎井中流量較大時(shí)，出水管被躍起的水流和飛濺的水花所堵塞，通氣量減小。有學(xué)者對(duì)豎井下游設(shè)置擋板后的氣壓氣量進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在豎井下游設(shè)置擋板后，豎并內(nèi)氣壓值增大，進(jìn)氣量減少，所設(shè)置擋板高度不同，氣壓值和吸氣量減少程度不同，擋板設(shè)置高度越高，氣壓值越大，氣量減小程度越大，當(dāng)在出流管處設(shè)置1/2擋板（擋板垂直高度為出流管直徑的1/2）時(shí)，豎井的吸氣量能減少70%左右。也有在出流管管口處設(shè)置蓋板以減少吸氣量的，其做法是用一塊較大的矩形擋板垂直向下遮住出流管的上部氣流通道，但需注意的是，距離出流管底部的余留尺寸一定要保證蓋板底部不接觸出水主流的水流表面，也不會(huì)形成水位涌高，通過(guò)蓋板的遮擋作用減小出流氣體量，增大下游出流管處的氣壓值。幾種不同形式的擋板如圖1所示。

圖1 幾種不同形式的擋板

4.2 回收至處理站實(shí)施集中處理

對(duì)已被吸入至下游管道內(nèi)的氣體，工程中可利用風(fēng)機(jī)將該部分氣體抽取后，輸送至專門的回收處理站進(jìn)行集中處理。該種措施能在一定程度上減少水流中所攜帶的氣體，但整個(gè)處理系統(tǒng)的建設(shè)耗能又耗工，為輸送氣體還需專門設(shè)置通風(fēng)管道，對(duì)通風(fēng)管道的密閉性要求較高。此外，污水管道中的臭氣分布不均勻，且受溫度和季節(jié)變化的影響較大，工況的運(yùn)行穩(wěn)定性較差。當(dāng)豎井在某些位置的吸氣量十分嚴(yán)重時(shí)，可在這些吸氣嚴(yán)重的“高危點(diǎn)”附近設(shè)置流動(dòng)的污水管道處理站，或在污水管道檢修時(shí)設(shè)置臨時(shí)性處理站，這種處理方式靈活性強(qiáng)，處理效果好，但流動(dòng)性大，不適宜在位置要求固定且需要長(zhǎng)期運(yùn)行的工作環(huán)境中使用。

4.3 利用氣腔室進(jìn)行消納釋放

為有效排出下游管道中的氣體，可在豎井出流管的起始端設(shè)置一個(gè)大的氣腔室，并在氣腔室上方安裝一氣管，當(dāng)豎井中氣體經(jīng)過(guò)時(shí)，首先進(jìn)入氣腔室，再通過(guò)氣腔室中的氣管直接排放至外界或輸送至氣體處理站進(jìn)行處理，氣腔室的存在可使卷吸進(jìn)入豎井中的氣泡得到較大程度地釋放。通常跌水結(jié)構(gòu)下游出流管內(nèi)的氣壓值遠(yuǎn)大于上游入水口處的氣壓值，因此可將上述氣腔上方的氣管與豎井上游進(jìn)氣口附近某一位置直接相連，迫使卷吸進(jìn)入豎井下游的部分氣體能夠回流至上游進(jìn)口處附近，該部分氣體允許被下泄水流再次卷吸，通過(guò)這種氣流循環(huán)釋放作用，可有效緩解下游管道中的卷吸氣體量，如圖2所示。此外，也有在豎井出流管上單獨(dú)開挖一條平行于原豎井的氣流井，并通過(guò)若干水平管使其與原豎井相連，從而形成外部氣流循環(huán)，當(dāng)豎井下游有壓時(shí)，該種方法的減氣效果十分顯著，但在工程實(shí)際中再單獨(dú)開挖一個(gè)氣流井，工程量大，開挖成本高，耗時(shí)耗工，對(duì)臭氣逸散問(wèn)題嚴(yán)重且覆蓋范圍較廣的城市，使用此法進(jìn)行豎井改良顯然不現(xiàn)實(shí)。

圖2 氣流循環(huán)式的跌流豎井

5.結(jié)語(yǔ)

跌流式豎井雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其在運(yùn)行過(guò)程中卷吸氣體問(wèn)題十分嚴(yán)重，目前，學(xué)者們普遍認(rèn)同邊界條件對(duì)跌流豎井的卷吸氣體量影響較大，結(jié)合目前跌流豎井的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，今后可進(jìn)一步開展通過(guò)優(yōu)化邊界條件來(lái)減少豎井卷吸氣體的相關(guān)研究。在實(shí)際工程中，只有結(jié)合工程自身的條件和特點(diǎn)，采取適宜的措施，對(duì)癥下藥，才能有效控制豎井中的卷吸氣量，確保跌流式豎井安全穩(wěn)定運(yùn)行。