折板消能竖井中的折板功能分析

王志刚，张 东，张宏伟，张 蕊

（中国水利水电科学研究院 水力学研究所，北京 100038）

折板消能竖井中的折板功能分析

王志刚，张 东，张宏伟，张 蕊

（中国水利水电科学研究院 水力学研究所，北京 100038）

折板是折板消能竖井的关键结构。本文以模型试验为依托，测试了折板消能竖井的水力特性，分析了不同典型位置折板的功能及布置准则，结果显示：首层折板的主要功能为承接和调节水流，使其平顺地跌向次层折板，首层折板与竖井入流口的间距是影响首层折板功能发挥的主要因素，该值过大易引起水流不能跌至首层折板或水流直接冲击中隔板等不利现象；中间层折板的主要功能为消能，折板间距是影响其功能发挥的主要因素，折板间距过大会影响消能效率，过小会影响过流能力；水下折板的主要功能为消能和除气，根据试验资料，当水下折板至少设置2～3层时，即可良好地满足其功能需求。

折板功能；模型试验；折板消能竖井；工程水力学

1 研究背景

随着我国工业的持续发展和城市化进程的加速推进，人类活动的产排污量不断增加，加之全球气候变化引起的暴雨频发，导致很多城市出现既有浅层管网排水排污能力不足的问题，城市雨污合流溢流（CSO）和城市内涝等问题日渐加剧［1-8］。城市深层排水系统，作为浅层排水管网的重要补充，可对降水径流起到分流、削峰和错峰等作用，有效地缓解城市内涝，从而越来越受到人们的关注［9-11］。折板消能竖井，作为一种重要的竖向输水结构［12-13］，具有可适应多高程、多角度和多数量的入流布置，可适应非恒定的入流过程和不同的竖向输水深度等［14-16］，满足城市深层隧洞排水系统入流结构输水的要求，因此将会伴随城市深层隧洞排水系统的建设得到广泛的应用。

折板消能竖井的基本结构如图1所示，竖井总体呈圆柱形，位于中部的中隔板将竖井空间分割成干区和湿区两部分，干区主要用来调节气流条件，提供检修维护通道等，湿区则用来过流。为改善水流条件，湿区中还交错布置有弧形折板。由于不同折板所处的位置及工作条件并不相同，因此在折板设计时需考虑的因素亦应有所差异。本文拟结合模型试验及理论分析，对折板消能竖井的折板功能进行分析，以期为折板消能竖井折板的设计提供技术参考。

2 试验模型及测试工况

图1 折板消能竖井结构

2.1 模型设计试验模型由地下水库、供水管道、折板消能竖井（包括模型主体及其入出流结构）和尾水管道4部分组成。其中，折板消能竖井模型主体的尺寸如下：总深度为2.23m，竖井内半径R为25.00 cm，折板边缘宽度B为25.00 cm，折板间距为h，如图2所示。竖井的入流口位于湿区一侧，距竖井底部2.07m，直接与入流结构衔接；由于入流角度对竖井中水流流态有一定影响，本文试验设计了2种入流的角度，一种为入流方向与中隔板板面相平行（入流方案一），一种为入流方向与中隔板板面成45°夹角（入流方案二），入流口宽度均为12.00 cm，如图2所示。出流口位于干区一侧，直接与尾水管道相连接。竖井模型主体和入流结构均采用有机玻璃制作，以便于对流态的观测。此外，在供水管道上安装有蝶阀和电磁流量计（型号为KROHNE OPTIFLUX2100C，精度等级＜0.3%），用来控制和显示来流量；在尾水管道上亦装有蝶阀，用来调节竖井模型中的水深。

图2 折板消能竖井模型及测压点布置（单位：cm）

为分析压力分布特征，选择竖井中典型折板进行板面压力测量，其中，典型折板的选择根据体型参数的不同而有所差别。在每一层折板上均布置4个测压点，具体布置方式如图2所示，测压点间距均为4.00 cm，测压点编号则从竖井中心向边壁顺序排列。压力数据采用压力传感器（型号为DJ800，精度等级为＜1%）进行测量。

2.2 测试工况分别定义无量纲折板流量 Q*和无量纲折板间距 h*如下：

式中：Q为过流流量；g为重力加速度。

根据目前国内外折板消能竖井的应用实际［14-16］，无量纲折板间距 h*取值为0.40～0.85，无量纲流量Q*取值为0.020～0.060。为此，设计如表1所示的3种折板消能竖井体型进行测试，流量范围2.0～6.0 L/s，对应的无量纲流量Q*为0.020～0.056。此外，由于折板间距的不同，竖井中布置的折板数量及布置测压点的典型折板的选择等亦有不同，见表1。

表1 不同折板间距下折板数量及测压点布置情况

3 结果与讨论

3.1 首层折板功能分析首层折板指折板消能竖井中布置的最上一层折板，理论上是水流进入竖井后经过的第一层折板。本文设计了2种典型的入流方案（见图2）对首层折板附近水流的水力特性进行了测试，并对首层折板的功能及布置方法进行分析。

3.1.1 入流方案一的水力特性分析 试验结果显示，当首层折板与入流口间距ht（如图2）取20.00 cm时，水流从入流口进入竖井后大部分无法直接跌落至首层折板上，而是越过首层折板边缘直接跌向次层折板，最终直接冲击到次层折板与竖井边壁的交线附近。由于水流的跌落高度大，水流冲击次层折板的撞击力亦较大，水滴四散飞溅，且不时从中隔板上的通气孔溅入干区。减小首层折板与入流口的间距ht至1.73 cm后可以看到，水流从入流口进入竖井后即跌落到首层折板上，而后顺势前流，在折板边缘自然向下跌落至次层折板上，流动衔接良好。

次层折板上典型工况（Q=5.5 L/s）的压力测试结果如图3所示。由图3可知，当首层折板与入流口间距ht取20.00 cm时，次层折板上不同位置的时均压力相差较大，靠近竖井边壁一侧的时均压力最大可达2.0 kPa以上，而折板边缘附近的压力则仅约0.1 kPa，相差达20倍；而从脉动压力的测试结果亦可以看到，在竖井边壁附近的测压点测得的脉动压力均约1.0 kPa，折板边缘的脉动压力值则小很多。当减小首层折板与入流口间距ht至1.73 cm之后，虽时均压力与脉动压力在折板上的分布特征并未发生根本性变化，但位于竖井边壁附近测点测得的折板最大时均压力减小为原值的一半，水流的脉动压力亦有了明显的减小。因次层折板上的压力特征在一定程度上反映了水流经首层折板后跌落到次层折板上的流动型态，很明显，二者对比表明前一工况下水流在流向次层折板时更加平顺，且对次层折板冲击力相对较小。

3.1.2 入流方案二的水力特性分析 当入流方向与中隔板板面成45°夹角时，水流从入流口进入竖井后大部分直接跌向首层折板方向，仅有少部分跌向次层折板方向。当首层折板与入流口间距ht取3.73 cm时，水流几乎全部首先跌落到首层折板上，而后由于中隔板的阻挡作用，水流流动方向发生偏转跌至次层折板。进一步的分析认为，适当地增大首层折板与入流口之间的间距ht亦可保证大部分的水流首先跌落至首层折板；然而过大的间距则可能使得水流从入流口进入竖井后直接冲击对侧的中隔板，并不可取。

图3 入流方案一中次层折板上的时均压力和脉动压力（Q=5.5 L/s）

图4 入流方案二中次层折板上的时均压力和脉动压力（Q=5.5 L/s）

对次层折板上典型工况（Q=5.5 L/s）的压力进行测试结果如图4所示。由图4可见，折板上时均压力和脉动压力的分布特征与入流方案一的测试结果基本相同；时均压力与脉动压力的数值相对较小，说明水流在流向次层折板时较为平顺，未形成对次层折板局部的强烈冲击。

3.1.3 折板功能解析及布置方法 根据模型试验结果知，不论入流方向与中隔板板面平行抑或成一定的角度，合理的首层折板布置均能良好地承接水流，并能与中隔板配合调整水流的流向及流态，使得水流可以平顺地跌落至次层折板而不会使得次层折板上出现压力集中和冲击压力过大的现象。即首层折板的功能应定位为承接并调节来流，使之平顺地跌向次层折板而不引起不良的水力现象。

进一步的分析认为，首层折板与入流口间距ht的取值是影响首层折板功能发挥的关键因素。当入流方向与中隔板板面夹角较小时，过大的ht取值易引起水流因水平跌距过大而直接跌落到次层折板的问题；当入流方向与中隔板板面夹角较大时，过大的ht取值则易出现水舌直接冲击中隔板的现象。可见，首层折板与入流口间距ht的取值应限定在一定的范围内，相应地水流的水平跌距应小于特征长度L，通常L≤R，如本文试验中入流方案一的L约为0.85 R，入流方案二的L约为R，于是有：

式中：vh为来流的水平流速，根据来流渠槽的特征，可近似为临界流速；t为跌流时间，由于水流在垂向上近似呈自由落体运动，因此可藉此计算跌流时间t。

其中：

将式（4）和式（5）代入式（3）并进行整理得：

3.2 中间层折板功能分析中间层折板指折板消能竖井中首层折板与水面之间的折板，是折板消能竖井中的主体部分。为分析折板消能竖井中中间层折板的流态特征，分别对3种体型下水流的流态进行了测试和分析。

3.2.1 水力特性分析 试验结果显示，在不同的工况下折板消能竖井中可能形成S型贴壁流动或往复跌流，如图5所示。当折板间距较小且流量较小时利于往复跌流的形成，而折板间距的增大或过流流量的增大均易引起流动型态向S型贴壁流的转变。测试结果如表2所示。

图5 中间层折板典型流态

表2 折板消能竖井流态测试结果

分析发现，流动型态与消能特征密切相关。在S型贴壁流动中，水舌在脱离折板后直接冲击对侧竖井边壁，而后贴壁下流至下一层折板上表面滑略而出，整个过程以平滑流动为主，消能效率较低，水流在向下输运过程中动能会不断积累，因而造成折板边缘流速随着水流的向下输运而不断增大，对竖井结构安全不利；而在往复跌流中，水舌在脱离折板后大部分水流可直接跌落在下一层折板上，水流在折板上与板上水垫形成强烈的对冲，混掺作用强烈，消能效果良好，因此竖井中水流的动能不因为水流的向下输运而明显增大。

中间层折板典型工况（Q=5.5 L/s）的压力分布如图6所示，由图6知：对于体型Ⅰ，4个测压点的时均压力均较小，约为0～0.2 kPa；而比较各测点的脉动压力值可知，测点1～3的脉动压力均较小，仅靠近竖井边壁的测点4附近的脉动压力较大，达0.2 kPa。体型Ⅱ和体型Ⅲ的压力分布特征则比较相似，两者的时均压力均较体型Ⅰ为大，最大值出现于测点4附近，达1.0 kPa，且呈现出从测点4到测点1逐渐减小的特征；两者的脉动压力亦呈现从测点4到测点1逐渐减小的趋势，相比较而言，达到0.2 kPa以上的区域较体型Ⅰ有所增大，扩展为测点3和测点4附近的区域。

3.2.2 折板功能解析及布置方法 根据流态及压力的测试结果可以看到，当折板间距较大时（如体型Ⅰ），折板上所受压力较小，利于折板安全，但折板间水流形成了“S”型贴壁流动，折板间消能不足，水流流速较大，对竖井边壁及底部冲击较大，且易引起竖井底部水流剧烈波动及气流卷吸进入深隧。相比较而言，折板间距较小（如体型Ⅲ）时形成的往复跌流的流态稳定，流速相对较小且恒定，对竖井边壁的冲击作用较小，利于竖井结构的安全；虽其折板承受压力较大，但尚在结构安全允许范围内且易通过工程措施进行弥补。因此，综合认为中间折板的主要功能应为消能，进而促进折板间往复跌流型态的形成。

鉴于以上分析，中间层折板间距的取值应使得折板间水流跌落时势能减少释放的能量能够在下层折板的水垫上得以完全消杀，从而保证水能不随水流的向下输运而增大。在此基础上，文献［15］假设折板边缘为临界流，提出了折板间距上限的取值建议，见下式。

上限：

图6 典型中间层折板压力分布（Q=5.5 L/s）

式中：D为竖井内直径；β为一系数，经试验测试约为0.55。

需要说明的是，由于折板消能竖井中特殊的结构特征，使得竖井中水流的掺气量较大，折板边缘流速亦较临界流速大，因此，根据式（9）计算得到的折板间距的取值上限相对松弛，虽亦可为折板消能竖井折板间距的取值提供参考，但尚需进一步改进。

此外，折板间距的取值亦应满足最基本的过流功能，基于此，文献［15］根据工程经验拟合得到中间层折板间距的下限取值建议，见式（10）。

下限：

式中：hv为板上跌落水舌最高点与上一层折板底部的间距；h0为折板厚度，如图2所示。

3.3 水下折板功能分析水下折板指折板消能竖井中位于水面以下的折板。在本文试验中，分别对表1中的3种竖井体型进行了测试，测试时竖井中水垫的深度均可淹没至少3～4层折板，同时水垫水深的选择亦考虑了水垫水面与折板之间的相对位置关系，包括水垫水面处于相邻折板中间位置、水垫水面与某折板表面近似平齐位置等。

3.3.1 水力特性分析 测试结果显示，在各种测试工况中，由于受跌水的影响，水面附近的波动均较剧烈。而随着水流在竖井中沿折板交错布置形成的“S”型流道的向下运动，水流会逐渐趋于平稳。此外，在水下折板板下水域可以观测到间歇性的横轴漩涡的生成，而且主要发生在水面下位置靠上折板的下表面附近。

此外，对气泡运动规律的观测发现，气泡的运动与分布特征与水流密切相关。由于跌流作用，大量的气泡会随着水流卷吸进入竖井底部水垫中；随着水流的向下运动，气泡亦呈现向竖井深处运动的趋势。但由于交错布置的折板形成的“S”型流道的影响，很多气泡在水流横向运动时会由于浮力作用上浮，从而呈现出气泡浓度在水垫表面浓度较大，而沿水深向下浓度迅速衰减的分布规律。根据所有试验工况的测试结果发现，气泡的下潜深度通常不会深于水下两层折板以下。

3.3.2 折板功能解析及布置方法 根据折板消能竖井底部水垫中水流及气泡运动规律的模型试验结果可知，水下折板的布置不但改变了水体的流动路径，延长了水流的流程，促成了一些间歇性漩涡的生成，增加了水流的沿程阻力和局部阻力，利于水流更快地趋于平稳；同时折板的布置亦增加了水流的横向流动距离，利于随流气泡在浮力作用下上浮，减小了气泡向水垫更深处及下游管涵的输移。可见，水下折板主要的功能应为消能和除气。

结合模型试验结果知，气泡的下潜深度通常不深于水下两层折板以下，考虑到水下折板的消能作用，水下折板应至少设置2～3层。而对于水下折板的折板间距，为方便施工，通常可采用与中间层折板相同的取值。

4 结论

本文通过模型试验对折板消能竖井的水力特性进行了测试，在此基础上探讨了不同典型位置折板的主要功能，并对其布置方法进行了分析，结论如下：（1）首层折板的主要功能为承接并调节来流，使之可平顺地跌向次层折板。过大的首层折板与入流口间距易导致水流无法直接跌落至首层折板或直接冲击竖井中隔板的现象，对竖井结构的安全运行不利，需避免；基于此，本文推导了确定首层折板位置的数学公式；（2）中间层折板的主要功能为消能，即在保证过流能力的条件下逐级消杀水能，使得竖井中的水流流速不至过大。进一步的分析认为折板间距是影响过流和消能的主要因素，当无量纲折板间距h*为0.40～0.85，无量纲流量Q*为0.020～0.060时，影响折板间距确定的上下限公式可作为中间层折板设置的指导准则；（3）水下折板的主要功能为消能和除气。结合流态试验测试结果，当水下折板至少布置2～3层时，水流即可比较平稳，气泡亦可在竖井湿区得到释放，而不至于进入水垫更深处及下游管涵内。

［1］ Chanson H.Hydraulics of rectangular dropshafts［J］.Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2004，130（6）：523-529.

［2］ 谢华，黄介生.城市化地区市政排水与区域排涝关系研究［J］.灌溉排水学报，2007，26（5）：10-13，26.

［3］ Grimm N B，Faeth S H，Golubiewski N E，et al.Global change and the ecology of cities［J］.Science，2008，319：756-760.

［4］ 刘延恺.解决城市排水问题需要新思路［J］.中国防汛抗旱，2011，21（6）：31-32.

［5］ 邢薇，赵冬泉，陈吉宁，等.基于低影响开发（LID）的可持续城市雨水系统［J］.中国给水排水，2011，27（20）：13-16.

［6］ 辛玉玲，张学强.城市内涝的成因浅析［J］.城镇供水，2012（3）:92-93，91.

［7］ 张炜，李思敏，时真男 .我国城市暴雨内涝的成因及其应对策略［J］.自然灾害学报，2012，21（5）：180-184.

［8］ 韩璐，曹阳，常静，等.近50年来辽宁省气温和降水突变特征分析［J］.中国水利水电科学研究院学报，2014，12（3）：310-315.

［9］ Scalise C，Fitzpatrick K.Chicago deep tunnel design and construction［C］//Proc.Structures Congress 2012，ASCE.US，2012.

［ 10］ 鲁朝阳，车伍，唐磊，等.隧道在城市洪涝及合流制溢流控制中的应用［J］.中国给水排水，2013，29（24）：35-40，48.

［11］ 林文杰，赵俊凤，吴慧英.东濠涌深隧工程对初雨污染的减排效果初探［J］.人民珠江，2014（5）：72-75.

［12］ Anderson SH.Model studies of storm-sewer drop shafts［R］.University ofM innesota，1961.

［13］ W illiamson S.Drop structure design for wastewater and stormwater collection systems［M］.Parsons Brinckerhoff，2001.

［14］ Margevicius A，Schreiber A，Switalski R，et al.A baffling solution to a complex problem involving sewage drop structures［C］//Proc.33rd IAHR Congress：Water Engineering for a Sustainable Environment，IAHR.Madrid，Spain，2009.

［15］ Odgaard A J，Lyons T C，Craig A J.Baffle-drop structure design relationships［J］.ASCE Journal of Hydraulic Engineering，2013，139（9）：995-1002.

［16］ Odgaard A J，Lyons TC，Craig A J，etal.Baffle drop structures for division of storm water to underground tunnels［C］//Proc.35th IAHR Congress：Water Engineering and Civilization，IAHR.Chengdu，China，2013.

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

（责任编辑：王成丽）

2015-03-31

中国水利水电科学研究院科研专项（HY0145B16201500000）；国家自然科学基金项目（51279216）

王志刚（1985-），男，山西晋中人，博士，工程师，主要从事水力学与水环境研究。E-mail：bimonbird@163.com