高落差小管径工况的双入流口对流式消能跌水井的制作方法

本发明涉及一种消能井，特别是一种高落差小管径工况的双入流口对流式消能跌水井。

背景技术：

在落差大的排水、给水或者泄洪等水流管线阶段中，水流落差蕴含的巨大势能会带给出水口难以想象的冲击力，尤其是在高山峡谷地区建筑水利水电工程时，仅凭出水口的水力限制难以消除这部分能量，消能跌水井结构应运而生，现行的跌水井多应用于城市的排水管道工程中，普遍采用标准图，国家标准图《06ms201市政排水管道工程及附属设施》中的跌水井，管径700～1650mm的跌水井采用阶梯式跌水井，最大跌差2m，2m跌差的阶梯式跌水井，井内长度达到4m，市用跌水井全长普遍不会超过10m，当其应用到高山峡谷地区时，需要适当增加阶数与跌差，当落差超过15m时，单纯地增加阶数与跌差难以抵消高落差带来的水体势能，而高山峡谷地区需要应对的多是15m以上乃至20m以上的工况，现行的跌水井显然难以满足此工况。

由于消能跌水井是埋藏在地下的狭长结构体，只能考虑在自身结构中消除水流挟带的能量，当其长度超过15m乃至20m以上时，从耗材成本、结构强度、使用寿命、安装难度、后续维护成本来看，其管径不宜制造的过大或过小，一般以600-700mm为宜，相比于市政跌水井也即小管径，小管径下意味着内部可操作的安装空间也小，如何在高落差小管径工况下实现对管道排水的消能是目前亟待解决的一大难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种高落差小管径工况的双入流口对流式消能跌水井。它具有可适用于15m以上的高落差环境，消能效果好，可有效保障下流出水口的安全、安装便捷、具有较长的使用寿命的优点。

本发明的技术方案：高落差小管径工况的双入流口对流式消能跌水井，包括入流段，入流段向下连接有若干节跌水段，位于最底端的跌水段连接有出流段，所述入流段呈筒状，入流段的外筒壁上设有两个相对设置的入流口，入流段的中心设有与其同轴布置且中通的溢水柱，溢水柱的外壁底部与入流段的内壁之间设有环形的筒底，筒底的上平面与入流口内圈的最底部相持平，溢水柱外壁上正对入流口的部位设有分流堰，溢水柱的中上部位设有若干个环形围绕布置在溢水柱外壁的溢水口。

前述的高落差小管径工况的双入流口对流式消能跌水井中，所述跌水段包括由上至下依次设置的一级消能层和二级消能层。

前述的高落差小管径工况的双入流口对流式消能跌水井中，所述一级消能层主体为一块厚圆板结构，厚圆板中心正对溢水柱底部豁口的部分向下内凹，内凹深度从边缘至中心逐渐增大；所述厚圆板的外边缘设有若干个呈环形分布的跌水槽。

前述的高落差小管径工况的双入流口对流式消能跌水井中，所述二级消能层包括由上至下依次设置的上挡水片、消能筛套和下挡水片；所述的上挡水片和下挡水片均为圆板结构，圆板的中心设有通孔；所述的消能筛套为上下两层的金属栏栅，两层金属栏栅之间填充有碎石，碎石的尺寸均大于上下两层金属栏栅的筛孔间隙。

前述的高落差小管径工况的双入流口对流式消能跌水井中，所述上下两层金属栏栅中，上层金属栏栅上与上挡水片中心通孔对应的部位为实心结构，其余部位为金属筛网；下层金属栏栅上与下挡水片中心通孔对应的部位为金属筛网，其余部位为实心结构。

前述的高落差小管径工况的双入流口对流式消能跌水井中，所述上挡水片的中心通孔由上至下逐渐拓宽，下挡水片的中心通孔由上至下逐渐收窄。

前述的高落差小管径工况的双入流口对流式消能跌水井中，所述出流段包括筒状的金属套壳，金属套壳内部浇注有呈“l”型的混凝土流道，混凝土流道的竖直段由上至下逐渐拓宽，混凝土流道的竖直段和水平段之间由光滑的弧面过渡。

前述的高落差小管径工况的双入流口对流式消能跌水井中，所述分流堰呈“凸”字形，分流堰中部外凸部位由上至下逐渐收窄。

前述的高落差小管径工况的双入流口对流式消能跌水井中，所述溢水口的最高点距离溢水柱顶部10-20cm，溢水口的数量为偶数个且均匀布置于溢水柱外壁。

前述的高落差小管径工况的双入流口对流式消能跌水井的使用方法：跌水井工作的起始阶段，两个入流口先后进水，其中一个入流口先进水，间隔3-5s后另一入流口再进水，此后保持两个入流口同步进水。

与现有技术相比，本发明为入流段、若干节跌水段和出流段的组合式结构，视安装场地的长度要求可选择跌水段节数，安装便捷，可有效适应高落差环境；进一步地，入流段设有两个相对设置的入流口，排水在入流段对冲，稳定后形成内部对流，相互抵消进水的冲力，相比于单入流口的跌水井所形成的对流更加稳定，有效抵消部分水体动能；更进一步地，入流段中心的溢水柱使得两个入流口一级对流后的水上升一段距离再从溢水口溢出，而非直接下落，这个过程中进水的动能转换为势能，进水在入流段停留时间更长，在能量的转换过程中以及与入流段内壁碰撞的过程中产生水头损失，消除一部分能量，消能效果好。

本发明的另一亮点在于，跌水段进行了两级消能层的设计，实现对溢水口落水的两级式消能，落水在一级消能层扩散，在二级消能层重新汇集，加之跌水段多节式设计，也即排水经多节的跌水段不断实现扩散与汇集的动作，加长了水体的整体流程，也增加了水体与两级消能层结构以及跌水段内壁的碰撞机会，水体在多次紊乱到相对稳定的转换过程中实现消能，消能效果好，可有效保障下流出水口的安全。

本发明的出流段为金属套壳内部浇注混凝土流道的结构，出流段为跌水井的最后一道，常规跌水井的出流段普遍为金属套壳结构，忽视了出流段的结构强度，本发明浇注混凝土流道后出流段结构强度高，出水口不容易遭到冲击损坏，有效提高了跌水井的使用寿命。

综上，本发明具有可适用于15m以上的高落差环境，消能效果好，可有效保障下流出水口的安全、安装便捷、具有较长的使用寿命的优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是入流段的结构示意图；

图3是跌水段的结构示意图；

图4是出流段的结构示意图；

图5是图1在a-a向的剖视图；

图6是图1在b-b向的剖视图；

图7是图1在c-c向的剖视图；

图8是图1在d-d向的剖视图；

图9是图1在e-e向的剖视图；

图10是图1在f-f向的剖视图；

图11是图1在g-g向的剖视图；

图12是图1在h-h向的剖视图。

附图标记：1-入流段，2-跌水段，3-出流段，11-入流口，12-溢水柱，13-筒底，14-分流堰，15-溢水口，21-一级消能层，22-二级消能层，31-金属套壳，32-混凝土流道，211-跌水槽，221-上挡水片，222-消能筛套，223-下挡水片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例：高落差小管径工况的双入流口对流式消能跌水井，结构如图1至图4所示，包括入流段1，入流段1向下连接有若干节跌水段2，位于最底端的跌水段2连接有出流段3，所述入流段1呈筒状，入流段1的外筒壁上设有两个相对设置的入流口11，入流段1的中心设有与其同轴布置且中通的溢水柱12，溢水柱12的外壁底部与入流段1的内壁之间设有环形的筒底13，筒底13的上平面与入流口11内圈的最底部相持平，溢水柱12外壁上正对入流口11的部位设有分流堰14，溢水柱12的中上部位设有若干个环形围绕布置在溢水柱12外壁的溢水口15。

所述跌水段2包括由上至下依次设置的一级消能层21和二级消能层22。

所述一级消能层21主体为一块厚圆板结构，厚圆板中心正对溢水柱12底部豁口的部分向下内凹，内凹深度从边缘至中心逐渐增大，其中内凹最深处的一级消能层21的厚度为一级消能层21最大厚度的1/2；所述厚圆板的外边缘设有若干个呈环形分布的跌水槽211。

所述二级消能层22包括由上至下依次设置的上挡水片221、消能筛套222和下挡水片223；所述的上挡水片221和下挡水片223均为圆板结构，圆板的中心设有通孔；所述的消能筛套222为上下两层的金属栏栅，两层金属栏栅之间填充有碎石，碎石的尺寸均大于上下两层金属栏栅的筛孔间隙。

本发明在两层金属栏栅之间的碎石填充量为两层金属栏栅之间体积的1/3，保证在排水流经二级消能层22时，在排水的冲击下碎石能在两层金属栏栅之间紊乱地运动，相互碰撞吸收排水蕴含的能量。

所述上下两层金属栏栅中，上层金属栏栅上与上挡水片221中心通孔对应的部位为实心结构，其余部位为金属筛网，如图9所示；下层金属栏栅上与下挡水片223中心通孔对应的部位为金属筛网，其余部位为实心结构，如图10所示；两层金属栏栅的结构设计使得排水流程增加，水流在一次扩散-汇集的大循环之中实现额外一次的扩散-汇集的小循环，提升消能效果。

所述上挡水片221的中心通孔由上至下逐渐拓宽，下挡水片223的中心通孔由上至下逐渐收窄，辅助实现水流扩散-汇集的循环。

所述出流段3包括筒状的金属套壳31，金属套壳31内部浇注有呈“l”型的混凝土流道32，混凝土流道32的竖直段由上至下逐渐拓宽，混凝土流道32的竖直段和水平段之间由光滑的弧面过渡，这个结构当排水流速较快时，内转角处会形成一个小旋流，作为落水排出前的最后一次消能。

出流段3的“l”型的混凝土流道32其高度高出外部金属套壳31的端口，混凝土流道32顶部与最底部跌水段2的下挡水片223相贴住，混凝土流道32的入口与下挡水片223的圆形通孔上下对应。

所述分流堰14呈“凸”字形，分流堰14中部外凸部位由上至下逐渐收窄，分流堰14的最高处低于溢水口15高度，当排水进入入流口11时，这种结构的分流堰14不仅可以将水流分成两路，还能实现水流在从下至上的能量转换过程中，仍能保证一定的流速，接近溢水口15的水流不至于完全丧失动能，排水在溢水口15形成一个“喷射”的状态，而偶数个溢水口15的排水相互“喷射”有助于消能。

作为优选，所述溢水口15的最高点距离溢水柱12顶部15cm，溢水口15的数量为偶数个且均匀布置于溢水柱12外壁，具体为4个。

所述入流段1、若干节跌水段2和出流段3之间通过焊接的方式进行连接。

所述入流段1的顶部设有通气孔，平衡内外气压。

作为优选，每段跌水段2的长度为3.2m，选用3节跌水段2。

作为优选，跌水槽211的数量为偶数个，具体为4个。

本发明的总长度为16.4m，管径为650mm。

高落差小管径工况的双入流口对流式消能跌水井的使用方法：跌水井工作的起始阶段，两个入流口先后进水，其中一个入流口先进水，间隔3-5s后另一入流口再进水，此后保持两个入流口同步进水，间隔几秒进水的目的是为了防止同时进水两路水流对冲过于激烈，有一定的可能性会导致从溢水柱顶部直接落水，从而丧失溢水口的消能作用。

本发明的工作原理：水体流向参见图1以及图5-图12(箭头代表流向)，在排水工作的起始阶段，一个入流口先进水，一路水流在分流堰14作用下分成两路，两路水流迅速充满环形的筒底13，形成对流之势，同时入流段1水位稳步上升，从溢流口溢水，间隔4s后另一入流口再进水，与前一入流口的进水对冲，稳定后形成一股更强的新对流，至此溢水口15的水流得到一定的提速，排水在溢水口15形成一个“喷射”的状态，偶数个溢水口15的排水相互“喷射”消能，入流段1落下的水在跌水段2进行两级消能，一级消能层21的内凹可以使水流下落更长的距离，再以内凹为中心四向发散，在发散过程中，排水部分回升，从跌水槽211落下，至此，落水在一级消能层21完成了扩散，二级消能层22将落水重新汇集，具体是落水从上挡水片221的通孔汇集落下，上层金属栏栅上与上挡水片221中心通孔对应的部位为实心结构，其余部位为金属筛网，这一结构使得水重新扩散，流经两层金属栏栅，在排水的冲击下两层金属栏栅之间的碎石紊乱地运动，相互碰撞吸收排水蕴含的能量，下层金属栏栅上与下挡水片223中心通孔对应的部位为金属筛网，其余部位为实心结构，与下挡水片223配合再次将水汇集，至此，落水在二级消能层22完成了汇集，由于跌水段2有多节，也即排水经多节的跌水段2不断实现扩散与汇集的动作，加长了水体的整体流程，也增加了水体与两级消能层结构以及跌水段2内壁的碰撞机会，水体在多次紊乱到相对稳定的转换过程中实现消能，出流段3接跌水井的最后一道跌水段2，落水从“l”型的混凝土流道32落下，在“l”型的混凝土流道32的内转角处会形成一个小旋流，作为落水排出前的最后一次消能。

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。