一种降低城市排水竖井井喷压力的新型结构的制作方法

本发明涉及城市排水技术领域，尤其涉及一种降低城市排水竖井井喷压力的新型结构。

背景技术：

近年来，我国城市化进程逐步加快，非透水材料的使用增加了强降雨期城市排水管网及内河行洪压力，导致内涝灾害频繁发生。内涝问题已成为城市发展面临的主要问题之一，而有效可靠的城市排水系统，则是解决该问题的主要途径。正常情况下城市排水管道内的水流状态为明渠流。当遭遇强降雨天气时，城市排水管道内的水流会在短时间内由明渠流动转变为有压流动，并伴随着巨大的压力脉动。

当发生强降雨等情况时，城市排水管道内水位急剧增加，极易出现明满流交替现象。在此瞬变过程中存在剧烈的压力交变作用，并伴随有大量空气进出管道，使管道排水能力下降，严重影响城市排水管网的运行效率。在排水管道由明渠流向有压流转变过程中极易截留空气形成气囊。截留气囊在水气交互作用下发生压缩、转移、膨胀和释放，将产生极大的压力峰值和压力振荡，轻则会影响到管道的排水效果，重则会发生“气爆”、“井喷”等公共安全事故，导致基础设施摧毁和管道爆裂等工程事故。

在排水系统管道设计时，为了避免大坡度管道的布设，通常设置一定的跌落水室。因此，在跌落水室内，上下游管道通常会存有一定的高度差。当经历暴雨天气时，由于排水管道内入流流量的快速增加，管内水流流态在短时间内由明渠流转变为有压流。增加的水流前波撞击在跌落水室壁上，随后沿曲线返回进入竖井，导致部分空气截留在跌落水室及上游管道末端。随后水流持续流入，这部分气囊被压缩，气体压力增大，随后将竖井内的水气混合物喷出，发生井喷。在目前的排水系统设计中，基本都具有采用相对高度差设计的跌落水室，无法避免上游管道流量在快速增加过程中折返水流封闭气囊的矛盾。在井喷发生过程中，下游管道的输运能力具有重要作用。在上游管道经历明满流过渡过程时，若下游管道内水流速度较小，入流涌波到达跌落水室后得不到及时排出，造成短时间内跌落水室压力急剧增大。基于此，本发明使用了一种新型导流壳板与节流板组合的结构设计，很好的解决了排水系统中折返水流封闭气囊的矛盾，在上游管道处于明满流过渡时及时增大下游管道中水流流速，降低最大井喷压力，保证排水系统的安全运行。

在强降雨天气下，排水管道入流的快速增加会引起空气/水混合物在竖井出口喷射，发生井喷。井喷现象不仅会造成较大的压力脉动，威胁排水管网公共安全，喷射出的水气混合物也易造成环境污染。本发明旨在提供一种能够降低强降雨期排水竖井井喷压力的防护结构，在满足排水管道安全运行的前提下，有效降低井喷过程中最大压力，避免高压水流对排水管道造成的破坏。

技术实现要素：

本发明为解决上述问题，而提出的一种降低城市排水竖井井喷压力的新型结构。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种降低城市排水竖井井喷压力的新型结构，包括：进水池、上游管道、跌落水室、下游管道和出水池，所述进水池、上游管道、跌落水室、下游管道和出水池从左到右依次连接，所述跌落水室顶部连接竖井，所述竖井与外面大气相通。

优选地，所述跌落水室内设置连接上游管道和下游管道的导流壳板，所述竖井顶部设置节流板，所述节流板与导流壳板之间形成组合方案。

优选地，所述导流壳板为半圆形渐扩的壳板，所述导流壳板上游侧内直径与上游管道相同且导流壳板下游侧内直径与下游管道相同，所述导流壳板横截面中心角为180°，所述导流壳板靠近上游管道一侧设置通气孔且通气孔与跌落水室连通。

优选地，所述导流壳板上的通气孔面积应大于上游管道横截面面积的20％以上。

优选地，所述竖井顶部节流板上的孔口面积设置为上游管道横截面面积的4％-6％。

与现有技术相比，本发明提供了一种降低城市排水竖井井喷压力的新型结构，具备以下有益效果：

1.本发明的有益效果是：本发明通过在输水系统跌落水室内设置导流壳板及在竖井出口设置节流板，可以有效解决强降雨期排水管道明满流过渡过程中竖井井喷压力过大及喷射水体对环境造成污染的问题。这对城市排水管道安全运行，具有十分重要的作用。

下面将以典型排水管道设计方案为例，说明导流壳板与节流板组合措施的工作原理和效果。

在排水管道设计中，为了降低管道坡度，通常在坡度较大的管道中间设置跌落水室，可以有效减小排水管道的坡度。在强降雨期，由于降雨量的增大，大量水体在短时间内进入排水管道，造成上游管道水流流态由明渠流动转变为有压流动。上游管道水流在快速增加的过程中，下游管道中的水流以较小的流速流动。在快速入流到达跌落水室之后，由于下游管道流速较小，输运能力较差，因此快速增加的水流迅速填满跌落水室，并沿竖井向外喷射，发生井喷，并伴随较大的压力脉动；

在跌落水室设置导流壳板之后，在上游管道入流快速增加过程中，下游管道中的水流也在加速。当入流涌波到达跌落水室时，下游管道中的水流具有了一定的速度，因此在跌落水室填充过程中，更多水流进入下游管道，缓解了跌落水室内的压力上升。无孔导流壳板与下游水体形成了密封空间，在缓解跌落水室井喷压力的同时，将上游管道中的气体导入到下游管道中，增加了后续竖井发生井喷的风险。因此，在导流壳板靠近上游管道一侧增设通气孔后，释放了部分上游管道的气体，但是导流壳板对井喷压力的缓解效果也降低了。在设置导流壳板的基础上，在竖井出口处设置节流板。当上游管道入流快速增加时，在导流壳板的作用下下游管道流速开始增大，增强下游管道的输运能力。上游管道内储存的气体通过导流壳板上的通气孔进入跌落水室。由于竖井出口处节流板的限制，气体被滞留在导流壳板上方，发挥缓冲作用。在导流壳板和节流板的协同作用下，下游管道中的水体速度处于缓慢增大的趋势，在水流涌波到达跌落水室时具有较大的输运能力，避免了较大的压力峰值，有效缓解了井喷压力。

附图说明

图1为本发明提出的一种降低城市排水竖井井喷压力的新型结构的一具体实施例的现有的无防护措施的排水竖井示意图；

图2为本发明提出的一种降低城市排水竖井井喷压力的新型结构的一具体实施例的增设无孔导流壳板的排水竖井示意图；

图3为本发明提出的一种降低城市排水竖井井喷压力的新型结构的一具体实施例的增设导流壳板的排水竖井示意图；

图4为本发明提出的一种降低城市排水竖井井喷压力的新型结构的一具体实施例的增设导流壳板与节流板的排水竖井示意图；

图5为本发明提出的一种降低城市排水竖井井喷压力的新型结构的一具体实施例的导流壳板与节流板的排水竖井俯视图；

图6为本发明提出的一种降低城市排水竖井井喷压力的新型结构的一具体实施例的四种结构方案下跌落水室内井喷压力随时间变化趋势图；

图7为本发明提出的一种降低城市排水竖井井喷压力的新型结构的一具体实施例的四种结构方案下下游管道水体流速随时间变化趋势图；

图8为本发明提出的一种降低城市排水竖井井喷压力的新型结构的一具体实施例的四种结构方案下竖井气体速度随时间变化趋势图。

图号说明：

进水池1，上游管道2，竖井3，节流板4，跌落水室5，导流壳板6，通气孔7，下游管道8，出水池9。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

一种降低城市排水竖井井喷压力的新型结构，包括：进水池1、上游管道2、跌落水室5、下游管道8和出水池9，进水池1、上游管道2、跌落水室5、下游管道8和出水池9从左到右依次连接，跌落水室5顶部连接竖井，竖井3与外面大气相通。

跌落水室5内设置连接上游管道2和下游管道8的导流壳板6，竖井3顶部设置节流板4，节流板4与导流壳板6之间形成组合方案。

导流壳板6为半圆形渐扩的壳板，导流壳板6上游侧内直径与上游管道2相同且导流壳板6下游侧内直径与下游管道8相同，导流壳板6横截面中心角为180°，导流壳板6靠近上游管道2一侧设置通气孔且通气孔7与跌落水室5连通。

导流壳板6上的通气孔7面积应大于上游管道横截面面积的20％以上。

竖井3顶部节流板4上的孔口面积设置为上游管道横截面面积的4％-6％。

实施例2：基于实施例1，但又有所不同的是；

本实施例适用于有效降低排水竖井井喷压力的防护结构方案。常规排水管道设计如图1所示，为了降低管道坡度，通常设置跌落水室5。跌落水室5连接上游管道2和下游管道8，跌落水室5上方与竖井3相连。当发生强降雨天气时，上游管道2内的水流由明渠流转变为有压流，快速增加的水流在惯性作用下快速填充跌落水室5，由于下游管道8水流流速较小，输运能力差，因此快速增加的水流在填充满跌落水室5后沿竖井3喷出，形成井喷，并伴随着较大的压力脉动。在跌落水室5设置无孔导流壳板6，如图2所示。在上游管道2经历明满流过渡过程时，上游管道2水流在导流壳板6作用下进入下游管道8，增大下游管道8流速。当入流涌波到达跌落水室5之后，下游管道8水体具有了一定的输运能力，可以缓解快速入流对跌落水室5的填充，降低井喷压力。但是导流壳板6与跌落水室5内的水体形成密闭空间，在将水流导入下游管道8的同时，将上游管道2内预存的气体也导流入下游管道8，增加了后续竖井3发生井喷的风险。为了降低进入到下游管道8中的气体体积，在导流壳板6靠近上游管道的一侧开设通气孔7，如图3所示。当上游水流快速增加过程中，上游管道2内的气体通过通气孔7进入到了跌落水室5，并通过竖井3排出。此种方案虽然降低了进入下游管道8气体的体积，但是对井喷的缓解效果变差。为了发挥管道内预存气体的缓冲作用，在设置导流壳板6的基础上，在竖井出口设置节流板4，如图4和图5所示。在上游管道内气体通过通气孔7进入到跌落水室5后，由于节流板4的限制，气体被滞留在跌落水室5内。跌落水室5通过通气孔7与上游管道2连通，因此滞留气体仍可以发挥缓冲作用，避免较大压力峰值的产生，保证排水管道的安全运行。

某排水管道水气两相流的物理实验模型主要包括以下部分：上游管道2的长度为5.80m，直径为0.20m，管道坡度为0.01；下游管道8为水平管道，长度为5.95m，直径为0.28m；中部跌落水室5连接上下游管道，尺寸为0.30m×0.30m×0.45m(长×宽×高)；跌落水室5上方与竖井3连接，竖井3长度为1.22m，直径为0.06m。下游管道8末端为出水池9，出水口直径为0.3m。水流由进水池1进入上游管道2，经跌落水室5进入下游管道8，最后由出水池9流出。

本实施例针对下列结构方案进行分析：(1)常规设计方案：无导流措施，模拟上游管道2明满流过渡过程中的井喷，对井喷过程中跌落水室5内的压力脉动情况、水气相互作用以及下游管道8内流速变化情况进行分析；(2)无孔导流壳板6方案：在跌落水室5内设置无孔导流壳板6，无孔导流壳板6横截面中心角为180°，分析无孔导流壳板6对井喷过程中压力脉动和水气相互作用的影响；(3)导流壳板6方案：在无孔导流壳板6靠近上游管道2一侧开设通气孔7，分析导流壳板6上通气孔7释放上游管道2截留气体对井喷过程中压力脉动和气囊运动状态的影响；(4)导流壳板6与节流板4方案：在跌落水室5设置导流壳板6的基础上，在竖井3出口处设置节流板4，缩减竖井3出口面积，分析导流壳板6和节流板4的组合措施对削减井喷压力的协同作用。

本应用实例中对四种不同的结构方案，即常规设计方案，无孔导流壳板6方案，导流壳板6方案和导流壳板6与节流板4组合方案进行对比分析，具体计算结果如图6～图8所示。

图6为四种结构方案下跌落水室5底部压力变化过程。常规设计方案下，井喷过程最大压力为32.7kpa，出现时间约为2.03s；无孔导流壳板6设计方案下最大井喷压力为16.9kpa，出现时间为2.15s。显然，无孔导流壳板6可以有效降低井喷过程中的最大压力，同时，最大井喷压力出现时间滞后，说明上游管道2中的气囊发挥了缓冲作用，延缓了跌落水室5的填充过程。开设通气孔7的导流壳板6方案下，最大井喷压力为28.9kpa，出现时间为2.06s。导流壳板6上的通气孔7将上游管道2中的气囊释放到跌落水室5，最后从竖井3中释放，降低了气囊的气垫效果。在导流壳板6与节流板4组合方案下，最大井喷压力为11.5kpa，出现时间为2.29s。组合方案下，导流壳板6发挥导流作用，通气孔7和节流孔4协同作用下气体被截留在导流壳板6上方的跌落水室5内，发挥缓冲作用，实现降低井喷压力的效果的同时，避免气体进入下游管道8危害下游结构安全。

图7为四种设计方案下下游管道8内水体速度变化过程。由图可以看出，设置无孔导流壳板6之后，相同条件下下游管道8的水体速度要大于无导流设置方案中水体的速度，证明了无孔导流壳板6对下游管道8水体增速的作用。在无孔导流壳板6上设置通气孔7后，下游管道8流速的增加速度明显低于无孔导流壳板6，略大于常规设计方案。无孔导流壳板6开设通气孔7后释放了上游管道2中的气体，无法发挥气体的缓冲作用。在设置导流壳板6与节流板4之后，上游管道8中与跌落水室5内预存的气体共同发挥气垫作用，因而下游管道8水体的速度增加最快。在入流涌波到达跌落水室5时，下游管道8具有了较大的输运能力，因而并没有出现急剧的速度提升情况，同时避免了水室内极大井喷压力的出现。

图8为四种设计方案下竖井内气体的速度变化过程。由图可以看出，常规设计方案下，随着上游管道2水流的快速增加，竖井3出口处气体流速短时间内达到最大值38.2m/s，随后出现了降低，在水流到达跌落水室5后，气体流速急剧下降。设置无孔导流壳板6之后，气体流速的最大值为32.3m/s，低于常规设计方案。可见无孔导流壳板6实现了对上游管道2内气体的截留，发挥了气垫效应。在无孔导流壳板6开设通气孔7后，气体速度最大值为38.4m/s，与常规设计方案相近。导流壳板6通气孔7将上游管道2内的气体进行释放，削弱了气垫效应。导流壳板6与节流板4协同作用下，气体最大流速为26.2m/s，明显出现了降低。气体被滞留在导流壳板6上方的跌落水室5内，发挥缓冲作用，避免了较大井喷压力的出现，保障了排水管道的安全运行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。