一种跌水竖井的制作方法

本发明涉及一种跌水竖井，涉及一种排水工程和水利工程的水工消能构筑物。

背景技术：

1、随着城市的发展，大面积的建筑和土地硬化，使得地面径流加大，设计的排水管道流量增大，但下游现有的排水管道系统无法承担这么大的流量，造成局部地区内涝。为了解决内涝问题，在一些大城市，应用排水深邃作为错峰存蓄雨水的设施，暴雨时雨水排入深邃，暴雨结束后再采用排水设备将蓄水排出。排水深邃深度较深，设置在城市地下各种管线之下，排水深邃的深度一般都达到10m以上，甚至落差达到20m或更大。排水管道接入深邃时需要设置跌水装置。所谓的竖井就是深度大于平面的宽度或直径，在竖井中设置一些消能构造，避免水流直接落下较大的流水冲击对竖井的破坏。水利工程中，泄洪洞、导流洞也存在较大的落差，也需要设置消能设施。

2、现有技术的跌水井，大多数采用阶梯跌水、旋转跌水、折返跌水、多级跌水等，利用加长水流路径，逐级跌水消耗水流的能量。但上一级的水流能量并未消耗殆尽，剩余的能量与下一级的水流能量叠加，水流跌至最下一级仍有较大的能量，虽然比直接跌水大大消耗了水流能量，但用于超深的跌水构筑物，现有技术的跌水构造仍需通过增强构筑物的强度等措施抵抗水流的冲击。

技术实现思路

1、本发明的目的是：提供一种跌水竖井，适用于排水管道、水利工程中大流量、大落差的消能构筑物。主要由井体、进水管、出水管和井体内设置的消能通道组成。进入井体内水流分为两部分，通过阶梯坡道、消力池、消力坎的消能，两股水流剩余的能量对冲，两股水流的流量大小相等方向相反，对冲相互抵消了水流的动能，使得水流能量消耗殆尽，跌入下一级的能量仅剩下相对于下一级的势能，没能量叠加积累。

2、本发明是通过以下技术实现的：跌水竖井，主要包括井体1、进水管2、出水管3，井体1为圆环形，井体1的中心设有与井体1为同心圆的检修通道4，以水流进出井体1方向为基准，进水管2一端为后端，出水管3一端为前端，进水管2从井体1后端的上部接入，出水管3从井体1前端的下部引出。所述的井体1内进水管2与出水管3之间设置若干级消能通道，以水流在井体1内流动方向为准消能通道包括顺坡阶梯5和反坡阶梯6，最上一层消能通道的顺坡阶梯5的起点为分流区7，分流区7与进水管2衔接，顺坡阶梯5和反坡阶梯6分成两个半圆环沿检修通道4与井体1之间布置至井体1的前端，顺坡阶梯5和反坡阶梯6的衔接处为谷底区8，谷底区8的作用为消能池，两侧反坡阶梯6的衔接处为对冲区9。所述的反坡阶梯6和谷底区8在检修通道4与对冲区9之间设有导流板10，作用为引导水流至对冲区9，检修通道4的外壁与对冲区9和导流板10之间为跌水口11，对冲区9底面坡向跌水口11，跌水口11的下方为下一级消能通道的分流区7。所述的下一级消能通道的分流区7与两侧顺坡阶梯5连接，顺坡阶梯5和反坡阶梯6折返方向分成两个半圆环沿检修通道4与井体1之间布置至井体1的后端，两侧反坡阶梯6的衔接处为对冲区9，对冲区9底板坡向跌水口11；以此反复至最下一层消能通道的跌水口11下方为流槽12，流槽12与出水管3连接。

3、所述的跌水竖井的消能工况如下：水流从进水管2进入井体1，在分流区7分流至两侧的顺坡阶梯5，水流一分为二流量减半，两侧的顺坡阶梯5水的流量相同，流量减小过水断面的宽度增大，使得流入顺坡阶梯5的水深减小，水流流向井体1的前端处，利用底流消能，水流沿着顺坡阶梯5逐个阶梯跌水产生紊流，使得水流不能顺畅流动，从而削减水流的能量；当水流流至谷底区8时，谷底区8相当于一个消力池，水流从顺坡阶梯5的急流过渡到谷底区8缓流时，水面突然升高局部产生水跃，水跃包括底部的水流扩散区和表面旋滚区，水跃范围包括谷底区8和反坡阶梯6，水跃表面旋滚区掺有大量气泡，阻止水流分子间的运动，水流扩散区的水垫层和表面旋滚区的掺气形成紊动扩散作用，降低下泄水流的流速；在谷底区8与反坡阶梯6衔接处，反坡阶梯6相当于消力坎，水流流至谷底区8在向反坡阶梯6流动时，受到反坡阶梯6的阶梯立面阻挡再次消耗能量，一部分水流反向流动与顺坡阶梯5的水流形成对冲，消耗一部分能量，在顺坡阶梯5水流的推动下，在导流板10的引导下继续向对冲区9流动，水流在对冲区9两侧反坡阶梯6的两股水流的流量大小相等方向相反形成对冲，相互抵消了水流的能量；水流流向跌水口11跌至下一级消能通道的分流区7，此处只有跌水高差势能转变的动能，没有水流能量的叠加；水流再以相同的方式反复对冲、跌水至最下层消能通道的跌水口11处，水流跌至流槽12从出水管3排出。

4、所述的井体1底部为底板13，顶部为盖板14。

5、所述的检修通道4正对进水管2的位置设有分流堰15，引导流入分流区7的水流向两侧顺坡阶梯5流动。

6、所述的顺坡阶梯5和反坡阶梯6组成的消能通道宽度b为进水管2管径d的1~2倍，消能通道长度w等于顺坡阶梯5长度l与水跃长度lj之和，水跃范围包括谷底区8和反坡阶梯6，谷底区8长度为水跃长度lj的（0.4~0.6）倍，对冲区9到下一级分流区7的层间跌差z为1~2m。

7、所述的谷底区8设有泄水孔16，用于排空谷底区8的积水。

8、所述的检修通道4的底部设有通道门17。所述的检修通道4对应消能通道谷底区8的位置上方设有观察口18。

9、跌水竖井的井体构造尺寸计算方法，是根据流量和进水管2与出水管3的高差，确定消能通道级数、每级消能通道的跌差、消能通道宽度、井筒1直径的方法：

10、步骤一，根据进水管2与出水管3的高差h确定消能通道级数m，m取整数，对冲区9到下一级分流区7的层间跌差z，z取1~2米，出水管3管径d，计算每级消能通道跌差x，h=m(x+z)+d，每级消能通道的跌差x=[h-(mz+d)]/m。

11、步骤二：拟定消能通道宽度b，b取1~2倍的进水管2管径d，确定检修通道4内径φ，φ取0.7~1米，检修通道4壁厚δ取0.2~0.3米，检修通道4外径为φ+2δ。

12、步骤三：计算消能通道中心长度w，分流区7长度取0.7d，对冲区9长度取d，则：w=[(φ+2δ)π-(0.7d+d)]/2。

13、步骤四：顺坡阶梯5阶梯长度l取值0.5~0.7倍的w，分流区7与谷底区8的高差y取值1.2~1.5倍消能通道跌差x。

14、步骤五：确定谷底区8长度和反坡阶梯6长度，谷底区8长度与反坡阶梯6长度之和为水跃长度lj，lj=w-l，取谷底区8长度为（0.4~0.6）lj，反坡阶梯6长度为lj减谷底区8长度。

15、步骤六：计算井体1的内径n，n=φ+2δ+2b。

16、步骤七：进行消能通道水力验算，拟定一个l和y值，根据谢才曼宁流量公式：

17、 q=(1/n) r 2/3i 1/2a

18、其中：n为粗糙系数，r为水力半径，i为水面坡降，a为有效过水断面面积。顺坡阶梯5的水力半径r=2h1+b，h1为顺坡阶梯5的水跃前水深，b为顺坡阶梯5宽度，水面坡降i按顺坡阶梯5的坡度计，i=y/l，y为分流区7与谷底区8的高差，顺坡阶梯5阶梯长度l以弧形消能通道的中心线计，过水断面面积a=bh1，进水管2的流量为q，分流至一侧顺坡阶梯5的流量为q/2，则流量公式可改写为：q=2(1/n)(2h1+b)2/3(y/l)1/2bh1，采用最小二乘法求解h1，顺坡阶梯5的底面粗糙系数n取0.05~0.1；每一侧消能通道的单宽流量q=q/2b，将q、h1代入水跃方程计算跃后水深h2：h2=(h1/2)[(1+8q2/g(h1)3)-1]1/2 ，h1和h2为一对共轭水深，g为重力加速度；根据水跃长度经验公式，依据共轭水深h1和h2，计算水跃长度lj：lj=6.9（h2-h1）。

19、步骤八：根据拟定的l和计算的lj，与消能通道中心长度w比较，如果l+lj＞1.1w，减小l加大y，重新进行步骤七~步骤八；如果l+lj＜0.9w，加大l减小y，重新进行步骤七~步骤八。

20、如果步骤八的比较结果偏差较大，重新拟定消能通道宽度b，重复进行步骤二~步骤八。

21、本发明的有益效果是：在竖井内设置多级消能通道，利用水流一分为二，消能通道内的流量减少，过水断面加宽水深较浅，阶梯状的底面有较大的摩擦阻力，水流产生的水跃底部水流扩散区和表面旋滚区，掺气作用和消力池水垫层的紊动扩散作用，降低下泄水流的流速，提高竖井消能效果的同时有效抑制竖井局部区域的空化空蚀。克服了现有技术跌水构筑物水流残存能量不断叠加，跌水落差受限的缺陷。利用水流自身作用消减水流的能量，没有能量叠加积累，适应于排水管道、水利工程大落差等工程中应用。