王志剛，張 東，張宏偉，張 蕊

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)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(guó)水利水電科學(xué)研究院 水力學(xué)研究所，北京 100038）

折板是折板消能豎井的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。本文以模型試驗(yàn)為依托，測(cè)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(zhǔn)則，結(jié)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(huì)影響消能效率，過小會(huì)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(yàn)資料，當(dāng)水下折板至少設(shè)置2～3層時(shí)，即可良好地滿足其功能需求。

折板功能；模型試驗(yàn)；折板消能豎井；工程水力學(xué)

1 研究背景

隨著我國(guó)工業(yè)的持續(xù)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)，人類活動(dòng)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(dǎo)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(bǔ)充，可對(duì)降水徑流起到分流、削峰和錯(cuò)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(guān)注［9-11］。折板消能豎井，作為一種重要的豎向輸水結(jié)構(gòu)［12-13］，具有可適應(yīng)多高程、多角度和多數(shù)量的入流布置，可適應(yīng)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(jié)構(gòu)輸水的要求，因此將會(huì)伴隨城市深層隧洞排水系統(tǒng)的建設(shè)得到廣泛的應(yīng)用。

折板消能豎井的基本結(jié)構(gòu)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(hù)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(cuò)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(shè)計(jì)時(shí)需考慮的因素亦應(yīng)有所差異。本文擬結(jié)合模型試驗(yàn)及理論分析，對(duì)折板消能豎井的折板功能進(jìn)行分析，以期為折板消能豎井折板的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)試工況

圖1 折板消能豎井結(jié)構(gòu)

2.1 模型設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀傻叵滤畮?kù)、供水管道、折板消能豎井（包括模型主體及其入出流結(jié)構(gòu)）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(cè)，距豎井底部2.07m，直接與入流結(jié)構(gòu)銜接；由于入流角度對(duì)豎井中水流流態(tài)有一定影響，本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(cè)，直接與尾水管道相連接。豎井模型主體和入流結(jié)構(gòu)均采用有機(jī)玻璃制作，以便于對(duì)流態(tài)的觀測(cè)。此外，在供水管道上安裝有蝶閥和電磁流量計(jì)（型號(hào)為KROHNE OPTIFLUX2100C，精度等級(jí)＜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(cè)壓點(diǎn)布置（單位：cm）

為分析壓力分布特征，選擇豎井中典型折板進(jìn)行板面壓力測(cè)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(gè)測(cè)壓點(diǎn)，具體布置方式如圖2所示，測(cè)壓點(diǎn)間距均為4.00 cm，測(cè)壓點(diǎn)編號(hào)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(hào)為DJ800，精度等級(jí)為＜1%）進(jìn)行測(cè)量。

2.2 測(cè)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(guó)內(nèi)外折板消能豎井的應(yīng)用實(shí)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(shè)計(jì)如表1所示的3種折板消能豎井體型進(jìn)行測(cè)試，流量范圍2.0～6.0 L/s，對(duì)應(yīng)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(cè)壓點(diǎn)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(cè)壓點(diǎn)布置情況

3 結(jié)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(jìn)入豎井后經(jīng)過的第一層折板。本文設(shè)計(jì)了2種典型的入流方案（見圖2）對(duì)首層折板附近水流的水力特性進(jìn)行了測(cè)試，并對(duì)首層折板的功能及布置方法進(jìn)行分析。

3.1.1 入流方案一的水力特性分析 試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)首層折板與入流口間距ht（如圖2）取20.00 cm時(shí)，水流從入流口進(jìn)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(shí)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(jìn)入豎井后即跌落到首層折板上，而后順勢(shì)前流，在折板邊緣自然向下跌落至次層折板上，流動(dòng)銜接良好。

次層折板上典型工況（Q=5.5 L/s）的壓力測(cè)試結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)首層折板與入流口間距ht取20.00 cm時(shí)，次層折板上不同位置的時(shí)均壓力相差較大，靠近豎井邊壁一側(cè)的時(shí)均壓力最大可達(dá)2.0 kPa以上，而折板邊緣附近的壓力則僅約0.1 kPa，相差達(dá)20倍；而從脈動(dòng)壓力的測(cè)試結(jié)果亦可以看到，在豎井邊壁附近的測(cè)壓點(diǎn)測(cè)得的脈動(dòng)壓力均約1.0 kPa，折板邊緣的脈動(dòng)壓力值則小很多。當(dāng)減小首層折板與入流口間距ht至1.73 cm之后，雖時(shí)均壓力與脈動(dòng)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(cè)點(diǎn)測(cè)得的折板最大時(shí)均壓力減小為原值的一半，水流的脈動(dòng)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(dòng)型態(tài)，很明顯，二者對(duì)比表明前一工況下水流在流向次層折板時(shí)更加平順，且對(duì)次層折板沖擊力相對(duì)較小。

3.1.2 入流方案二的水力特性分析 當(dāng)入流方向與中隔板板面成45°夾角時(shí)，水流從入流口進(jìn)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(dāng)首層折板與入流口間距ht取3.73 cm時(shí)，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(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)跌至次層折板。進(jìn)一步的分析認(rèn)為，適當(dāng)?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(jìn)入豎井后直接沖擊對(duì)側(cè)的中隔板，并不可取。

圖3 入流方案一中次層折板上的時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力（Q=5.5 L/s）

圖4 入流方案二中次層折板上的時(shí)均壓力和脈動(dòng)壓力（Q=5.5 L/s）

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

3.1.3 折板功能解析及布置方法 根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)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(huì)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(yīng)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(jìn)一步的分析認(rèn)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(guān)鍵因素。當(dāng)入流方向與中隔板板面夾角較小時(shí)，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(dāng)入流方向與中隔板板面夾角較大時(shí)，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(yīng)限定在一定的范圍內(nèi)，相應(yīng)地水流的水平跌距應(yīng)小于特征長(zhǎng)度L，通常L≤R，如本文試驗(yàn)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(shí)間，由于水流在垂向上近似呈自由落體運(yùn)動(dòng)，因此可藉此計(jì)算跌流時(shí)間t。

其中：

將式（4）和式（5）代入式（3）并進(jìn)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(duì)3種體型下水流的流態(tài)進(jìn)行了測(cè)試和分析。

3.2.1 水力特性分析 試驗(yàn)結(jié)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(dòng)或往復(fù)跌流，如圖5所示。當(dāng)折板間距較小且流量較小時(shí)利于往復(fù)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(dòng)型態(tài)向S型貼壁流的轉(zhuǎn)變。測(cè)試結(jié)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(cè)試結(jié)果

分析發(fā)現(xiàn)，流動(dòng)型態(tài)與消能特征密切相關(guān)。在S型貼壁流動(dòng)中，水舌在脫離折板后直接沖擊對(duì)側(cè)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(gè)過程以平滑流動(dòng)為主，消能效率較低，水流在向下輸運(yùn)過程中動(dòng)能會(huì)不斷積累，因而造成折板邊緣流速隨著水流的向下輸運(yùn)而不斷增大，對(duì)豎井結(jié)構(gòu)安全不利；而在往復(fù)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(qiáng)烈的對(duì)沖，混摻作用強(qiáng)烈，消能效果良好，因此豎井中水流的動(dòng)能不因?yàn)樗鞯南蛳螺斶\(yùn)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(duì)于體型Ⅰ，4個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的時(shí)均壓力均較小，約為0～0.2 kPa；而比較各測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力值可知，測(cè)點(diǎn)1～3的脈動(dòng)壓力均較小，僅靠近豎井邊壁的測(cè)點(diǎn)4附近的脈動(dòng)壓力較大，達(dá)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(shí)均壓力均較體型Ⅰ為大，最大值出現(xiàn)于測(cè)點(diǎn)4附近，達(dá)1.0 kPa，且呈現(xiàn)出從測(cè)點(diǎn)4到測(cè)點(diǎn)1逐漸減小的特征；兩者的脈動(dòng)壓力亦呈現(xiàn)從測(cè)點(diǎn)4到測(cè)點(diǎn)1逐漸減小的趨勢(shì)，相比較而言，達(dá)到0.2 kPa以上的區(qū)域較體型Ⅰ有所增大，擴(kuò)展為測(cè)點(diǎn)3和測(cè)點(diǎn)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(cè)試結(jié)果可以看到，當(dāng)折板間距較大時(shí)（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(dòng)，折板間消能不足，水流流速較大，對(duì)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(dòng)及氣流卷吸進(jìn)入深隧。相比較而言，折板間距較?。ㄈ珞w型Ⅲ）時(shí)形成的往復(fù)跌流的流態(tài)穩(wěn)定，流速相對(duì)較小且恒定，對(duì)豎井邊壁的沖擊作用較小，利于豎井結(jié)構(gòu)的安全；雖其折板承受壓力較大，但尚在結(jié)構(gòu)安全允許范圍內(nèi)且易通過工程措施進(jìn)行彌補(bǔ)。因此，綜合認(rèn)為中間折板的主要功能應(yīng)為消能，進(jìn)而促進(jìn)折板間往復(fù)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(yīng)使得折板間水流跌落時(shí)勢(shì)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(yùn)而增大。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［15］假設(shè)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(yàn)測(cè)試約為0.55。

需要說明的是，由于折板消能豎井中特殊的結(jié)構(gòu)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(jì)算得到的折板間距的取值上限相對(duì)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(jìn)一步改進(jìn)。

此外，折板間距的取值亦應(yīng)滿足最基本的過流功能，基于此，文獻(xiàn)［15］根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)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(yàn)中，分別對(duì)表1中的3種豎井體型進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試時(shí)豎井中水墊的深度均可淹沒至少3～4層折板，同時(shí)水墊水深的選擇亦考慮了水墊水面與折板之間的相對(duì)位置關(guān)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(cè)試結(jié)果顯示，在各種測(cè)試工況中，由于受跌水的影響，水面附近的波動(dòng)均較劇烈。而隨著水流在豎井中沿折板交錯(cuò)布置形成的“S”型流道的向下運(yùn)動(dòng)，水流會(huì)逐漸趨于平穩(wěn)。此外，在水下折板板下水域可以觀測(cè)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(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)規(guī)律的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，氣泡的運(yùn)動(dòng)與分布特征與水流密切相關(guān)。由于跌流作用，大量的氣泡會(huì)隨著水流卷吸進(jìn)入豎井底部水墊中；隨著水流的向下運(yùn)動(dòng)，氣泡亦呈現(xiàn)向豎井深處運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。但由于交錯(cuò)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(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)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(yàn)工況的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，氣泡的下潛深度通常不會(huì)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(yùn)動(dòng)規(guī)律的模型試驗(yàn)結(jié)果可知，水下折板的布置不但改變了水體的流動(dòng)路徑，延長(zhǎng)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(shí)折板的布置亦增加了水流的橫向流動(dòng)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(yīng)為消能和除氣。

結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)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(yīng)至少設(shè)置2～3層。而對(duì)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(jié)論

本文通過模型試驗(yàn)對(duì)折板消能豎井的水力特性進(jìn)行了測(cè)試，在此基礎(chǔ)上探討了不同典型位置折板的主要功能，并對(duì)其布置方法進(jìn)行了分析，結(jié)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(dǎo)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(duì)豎井結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行不利，需避免；基于此，本文推導(dǎo)了確定首層折板位置的數(shù)學(xué)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(jí)消殺水能，使得豎井中的水流流速不至過大。進(jìn)一步的分析認(rèn)為折板間距是影響過流和消能的主要因素，當(dāng)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(shí)，影響折板間距確定的上下限公式可作為中間層折板設(shè)置的指導(dǎo)準(zhǔn)則；（3）水下折板的主要功能為消能和除氣。結(jié)合流態(tài)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，當(dāng)水下折板至少布置2～3層時(shí)，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(jìn)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(zé)任編輯：王成麗）

2015-03-31

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院科研專項(xiàng)（HY0145B16201500000）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51279216）

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