大落差竖井式跌水在城市排水系统中的应用

张家口市宣化区北部城区位于京藏高速以北，草帽山脚下，雨季直接承受山洪冲击，为确保北部城区的安全，有必要修建防洪排水工程。

该跌水井位于2号排洪沟，设计流量7.4m3/s，跌差6m。跌水上下游均为DN1600mm钢筋混凝土管道，设计纵坡10.7‰。

1.结构布置

常规意义上的竖井式跌水多用于严寒地区的输水工程，是一种抗冻功能重于跌水功能的建筑物。本工程作为城区雨水管网的一部分，对于流态稳定和运行安全的要求较高。因此，本工程将消能设计放在更重要的位置上。

1.1 井身布置

井身采用钢筋混凝土矩形结构，上下游管道落差6m。根据现场地形条件，将井室宽度定为5m，井室的长度和深度需要根据消能计算确定。

1.2 消能布置

竖井式跌水的消能设施由消能筛网、消能池、反坡段组成。

消能筛网布置:筛网的型式分为筛格式、横梁式、纵梁式3种，考虑到跌水井下泄的是山洪，洪水中携带大量树枝等杂物，为减少淤堵问题，决定采用纵梁式筛网。

根据工程经验，当落差≥4m时，就应当设置双层或多层筛网，下层筛网除了可以进一步分散水流外，还能够在筛网上层形成水垫，起到一定的消能作用，避免在井底设置过深的消能池，使工程更加经济。本工程落差4m，应当设置双层筛网。

上层筛网的顶面与进口管道底部平齐。纵梁宽度d与纵梁间距δ的关系一般是δ=d或δ=d，取纵梁截面尺寸0.3×0.3m，每根间距0.3m，长度由消能计算确定。

下层筛网的位置不宜过低，否则将使下层筛网消能效果不佳，同时下层筛网结构容易损坏。综合考虑，下层筛网与下游设计水位之间的距离不应小于1m，应当布置在上层筛网与下游渠底之间处。下层筛网与上层筛网交错布置，每根下层纵梁都布置在上侧的筛眼处。

消能池布置:消能池由竖井底部和低于下游管底的井壁组成。本工程的消能池宽度5m，长度和深度根据消能计算确定。由于泄流初期井底没有水垫用于消能，故在井底设置块石护底厚300mm，起到保护井底的作用，实践证明其运行效果良好。

反坡段布置:跌流经筛网、消能池的消能后，往往还有少量的剩余能量，对下游管道产生冲击震动。本工程将下游6m长管道设为反坡，坡比1∶10，并在该段管道外包裹混凝土镇墩以保持稳定。

2.消能计算

消能计算主要包括各级消能筛网沿水流方向长度计算和消能池尺寸计算。

2.1 筛网长度计算

筛网长度的设计需要满足：全部水流由筛网的孔隙分散跌入下游渠道中，形成缓流衔接。筛网纵梁沿水流方向长度的计算公式如下：

考虑到筛网运行时可能存在漂浮物堵塞的情况，应在计算结果的基础上再除以漂浮物堵塞系数，一般取0.65～0.80，对纵梁式筛网应取0.80。

2.2 消能池尺寸计算

应按单位水体消能率计算水垫深度及池深，公式如下:

需要注意的是，对于单级筛网，V单指消能池中的水垫，但对于多级筛网，V不单指消能池中的水垫，还包括所有消能筛网上的水垫总体积；各级筛网上的水垫厚度可按如下公式计算：

使用消能水垫总体积V减去各级筛网的水垫体积V1，即得到消能池的总体积，使用总体积除以拟定的面积，得到消能池深度。

2.3 计算实例

张家口宣化区北部城区排水竖井，跌差 6m，设计流量 7.4m3/s，布置 2层纵梁式筛网，每层7根纵梁，尺寸0.3×0.3m，间距0.3m，井室（消能池）尺寸5×5m。经计算，得到筛网纵梁最小长度4.44m，消能池最小池深1.43m，实际工程中筛网纵梁设计长度5m，消能池设计池深1.7m。

3.结语

竖井式跌水原本是一种在我国北方灌区输水工程中常用的跌水建筑物，本文根据张家口宣化区北部城区排水工程中的工程实例，通过比较分析，论证了将竖井式跌水应用到山区城市排水系统中的可行性和优越性，描述了其结构布置特点和注意事项，介绍了具体的消能计算方法。该种建筑物具有过流能力大、跌差大、消能效果好、经济性好等优点，对于非平原地区的城市排水管网均有一定的使用价值，值得大力推广。