一种带螺旋阶梯与孔板跌水井的分流调蓄系统

1.本实用新型属于城市给排水工程排水建筑物技术领域，提供一种带螺旋阶梯与孔板跌水井的分流调蓄系统。


背景技术：

2.在现有技术中，竖井结构形式主要分为四种：螺旋坡道竖井、跌落式竖井、旋流式竖井和折板式竖井，其中螺旋坡道竖井的优势在于：
3.1)消能比较充分，水流下泄时经过坡道与边壁摩擦，消耗水头能量，可使竖井底部和深层管道受到保护。
4.2)历史悠久，技术成熟，结构简单，易于设计，造价经济，适应性强，且需要的通气量较少。
5.3)施工方便，易于检修，运行可靠，下游水流流态稳定，坡道的宽度及坡度可根据不同环境及洪水概率灵活变化。
6.螺旋坡道竖井在具备许多优点的同时，也存在自身或环境局限性，而目前螺旋坡道竖井在实际工程中存在的不足之处在于：
7.1)应用领域单一，总是局限在中、小水头的排水消能工程中，对于高水头的排水消能效果较差。
8.2)传统螺旋坡道竖井适用排放流量范围小，制约市政工程设施参与防洪力度与运行管理。
9.3)运行环境利用率不足，尚未达到工程预期效果。
10.同时，跌落式竖井在实际应用中存在的显著不足之处在于：
11.1)竖井内流态紊乱，其底部消力井受力复杂，易引起竖井与管道之间结构振动，影响其使用寿命和消能导流效果；
12.2)竖井底部消力井表面受压大，对竖井材料强度及开挖深度要求高，建造及维护成本高；
13.3)只适用于高差较小且地带坚实的地基。
14.为消除下泄水流到达深层管道前多余的能量并将其与之平顺连接，其间常设置竖井以增加消能率。受环境地形限制及技术水平等诸多因数影响，部分螺旋坡道竖井及跌落式竖井过洪能力较弱，导致地下市政工程无法在城市汛期防洪中达到预期的效果，导致地表排洪压力剧增，严重时甚至会造成城市内涝等危害的发生；单一式竖井无法针对不同流量做到分而治之，汛期大流量情况下水流依旧排入城市污水处理厂，导致处理厂运行负荷过大；不仅如此，不合理的竖井设计会使得消能率下降，导致其适用范围较窄，后期维护成本较高，带来较为沉重的城市经济损失。


技术实现要素：

15.针对现有技术存在的问题，本实用新型提供一种设计新颖、受力合理、投资节约的
带螺旋阶梯与孔板跌水井的分流调蓄系统，以实现在不同水头和流量、不影响导流效果的条件下，加强防洪超泄能力，扩展水流二次利用范围，增加消能率，提高海绵城市安全系数。本实用新型结构兼具引导水流及消能的作用，在保证表层水流顺利进入深层管道，改善竖井内水流流态紊乱、流速过大现象的同时，利用其特有的体型特点，通过水力自控翻板闸门及嵌套式双筒结构重新分配水流的导向与应用范围；同时螺旋阶梯消能可减少水流势能，多级孔板消能既提高了超泄能力，也破除了竖井适用高差较小的限制。
16.为了达到上述目的，本实用新型技术方案：
17.一种带螺旋阶梯与孔板跌水井的分流调蓄系统，包括一个进水口管道1、一个螺旋阶梯竖井2、一个孔板跌水井3和两个出水口管道4；螺旋阶梯竖井2和孔板跌水井3均为筒状结构，孔板跌水井3位于螺旋阶梯竖井2内。
18.进水口管道1出口分为两个支路，分别为螺旋阶梯竖井进水口支管11和孔板跌水井进水口支管12；出水口管道4包括螺旋阶梯竖井出水口管道41和孔板跌水井出水口管道42。
19.螺旋阶梯竖井进水口支管11外侧与螺旋阶梯竖井璧体21相切连接，且螺旋阶梯竖井2上部没有阶梯一侧布置进水口隔板23，孔板跌水井进水口支管12途径螺旋阶梯竖井璧体21且与孔板跌水井璧体32相切连接，水力自控翻板闸门13位于孔板跌水井进水口支管12进口端且与之固定连接，螺旋阶梯竖井进水口支管11与孔板跌水井进水口支管12利用导流装置固定连接。
20.螺旋阶梯竖井璧体21与孔板跌水井璧体32之间利用螺旋阶梯22连接；孔板跌水井3中中等间距设置水平的孔板33，通气篦子31覆盖于孔板跌水井3顶部，通气检修口34为正方形且位于孔板跌水井进水口支管12与通气篦子31之间；螺旋阶梯竖井出水口管道41与螺旋阶梯竖井2底部固定连接，且没有阶梯一侧布置出水口隔板24，且螺旋阶梯竖井进出水口支管直径d1与阶梯宽度l3相等；消力井43设置在孔板跌水井3下方，孔板跌水井出水口管道42与孔板跌水井3底部及消力井43固定连接，且孔板跌水井进出水口支管直径d2与孔板跌水井直径d3相等，且孔板跌水井出水口管道42处于螺旋阶梯竖井出水口管道41下方。
21.所述的螺旋阶梯22，阶梯内径面221及阶梯外径面222为圆弧状，且阶梯外径弧长l1大于阶梯内径弧长l2，阶梯面板223为迎水面，尺寸根据螺旋阶梯竖井2而定，阶梯背板224为背水面，各参数取值原则为：阶梯宽度l3与螺旋阶梯竖井2同宽，阶梯高度l4取值范围为0.6m～1.0m，阶梯外径弧长l1根据螺旋阶梯竖井半径r1确定，阶梯内径弧长l2根据孔板跌水井半径r2确定，分流调蓄系统高度h1依据螺旋阶梯竖井出水口管道41出口方向确定。
22.所述的孔板33，为圆形带孔状，其上均匀布置多个孔板圆孔332，孔板外径面331与孔板跌水井璧体32固定连接，孔板33过水率为40％～60％，孔板圆孔半径r3、数量及孔板圆孔圆心与孔板圆心距离a1依据孔板33过水率设置，相邻孔板33之间孔板圆孔332排列方式相错，即顺时针或逆时针旋转一定角度至相邻孔板33的孔板圆孔332俯视投影不重合，孔板间距h2为5m～7m，孔板33数量依据分流调蓄系统高度h1确定。
23.本实用新型的有益效果在于：
24.1)螺旋阶梯可灵活调整尺寸，适用于小流量消能，夹带空气的下泄水流在阶梯隅角处小尺度的漩滚、掺气、摩擦，既有利于水流的平稳导流，也利于水流的充分掺气，防止空化空蚀现象产生，同时通过阶梯消杀多余机械能，提高消能率，改善下游水流流态，使水流
对竖井底部和深层管道的危害降到最小，由此减轻下游市政设施的防护工作，带来较大的经济效益。
25.2)孔板跌水井摒弃以往传统跌落式竖井较难控制大高差下消力井内水垫层厚度的缺点，其孔径、孔距及孔板间距处于临界量级，适用于高差与流量较大的竖井，可让下泄水流通过多级孔板消能，减轻孔板及消力井的防护工作负担，同时其超强的超泄能力，也可为城市市政排水系统带来较为可观的效益。
26.3)水力自控翻板闸门能够在一定水位高度时自动启动，汛期大流量时无需处理水流，即刻排放至排洪泵站，缓解支管及污水处理厂压力，减轻地表排水工作负担。
27.4)分流调蓄系统设计合理、工程施工方便、造价经济、易于检修。
附图说明
28.图1为本实用新型的平面示意图；
29.图2为本实用新型的俯视图；
30.图3为本实用新型的螺旋阶梯三维示意图；
31.图4为本实用新型的孔板三维示意图。
32.图中：1进水口管道；2螺旋阶梯竖井；3孔板跌水井；4出水口管道；
33.11螺旋阶梯竖井进水口支管；12孔板跌水井进水口支管；13水力自控翻板闸门；
34.21螺旋阶梯竖井壁体；22螺旋阶梯；23进水口隔板；24出水口隔板；
35.221阶梯内径面；222阶梯外径面；223阶梯面板；224阶梯背板；
36.31通气篦子；32孔板跌水井壁体；33孔板；34通气检修口；
37.331孔板外径面；332孔板圆孔；
38.41螺旋阶梯竖井出水口管道、42孔板跌水井出水口管道、43消力井；
39.l1阶梯外径弧长；l2阶梯内径弧长；l3阶梯宽度；l4阶梯高度；
40.d1螺旋阶梯竖井进出水口支管直径；d2孔板跌水井进出水口支管直径；d3孔板跌水井直径；d4进水口管道直径；
41.r1螺旋阶梯竖井半径；r2孔板跌水井半径；r3孔板圆孔半径；
42.h1分流调蓄系统高度；h2孔板间距；a1孔板圆孔圆心与孔板圆心距离；a2进水口支管水平间距；a3出水口支管轴线垂直间距。
具体实施方式
43.以下结合附图和技术方案，进一步说明本实用新型的具体实施方式。
44.如图1所示，本实用新型的带螺旋阶梯与孔板跌水井的分流调蓄系统包括进水口管道1、螺旋阶梯竖井2、孔板跌水井3和出水口管道4。
45.如图2～图4所示，本实施例的带螺旋阶梯与孔板跌水井的分流调蓄系统包括一个进水口管道1(螺旋阶梯竖井进水口支管11、孔板跌水井进水口支管12、水力自控翻板闸门13)、一个螺旋阶梯竖井2(螺旋阶梯竖井璧体21、螺旋阶梯22、进水口隔板23、出水口隔板24)、一个孔板跌水井3(通气篦子31、孔板跌水井璧体32、孔板33、通气检修口34)和两个出水口管道4(螺旋阶梯竖井出水口管道41、孔板跌水井出水口管道42、消力井43)。进水口管道1与螺旋阶梯竖井进水口支管11及孔板跌水井进水口支管12水平连接，螺旋阶梯竖井进
水口支管11外侧与螺旋阶梯竖井璧体21相切连接，孔板跌水井进水口支管12途径螺旋阶梯竖井璧体21且与孔板跌水井璧体32利用90
°
导流管相切连接，水力自控翻板闸门13位于孔板跌水井进水口支管12进口端且与之固定连接，螺旋阶梯竖井进水口支管11与孔板跌水井进水口支管12利用90
°
导流装置固定连接。阶梯旋转一圈的级数为12级，每阶旋转角度为30
°
，总台阶数为36阶；孔板跌水井进水口支管12轴线至通气篦子31垂直距离为3m，通气检修口为尺寸1.5m
×
1.5m的正方形且位于孔板跌水井进水口支管12与通气篦子31之间；孔板级数为4级，孔板间距h2为6m，最后一级孔板至消力井底部高度为9m，孔板圆孔数量为4个，过水率为50％，相邻孔板33之间孔板圆孔332排列方式相错，即顺时针或逆时针旋转45
°
；分流调蓄系统高度h1为37m。其余各结构参数如表1所示：
46.表1一种带螺旋阶梯与孔板跌水井的分流调蓄系统结构参数表
47.[0048][0049]
本实用新型结合实例的工作过程如下：
[0050]
小流量泄流时，水流沿着螺旋阶梯竖井进水口支管11流入螺旋阶梯竖井2，在抵达螺旋阶梯竖井出水口管道41前，流经螺旋阶梯22时形成滑掠水流，通过水体水平轴、向内的漩滚、碰撞、强烈紊动和充分掺气等，在消耗、分散大量水能量后，水流进入深层管道至污水处理厂，减少了深层管道负担。
[0051]
大流量泄洪时，高水头洪水开启水力自控翻板闸门13并进入孔板跌水井3，洪水跌落至孔板33且被332孔板圆孔分散为4股支流下泄至下一级孔板33，此4股支流在空中扩散摩擦，极大增加了洪水与空气的接触面积，既减少下一级孔板33承受过大水流应力，又能在空中消除部分多余势能，同时洪水经过多级消能，可减少消力井开挖深度，降低工程造价。
[0052]
两种不同流量的水流分别消能、处理，大大增强了消能效果，提高了市政资源利用率，降低了造价、维护成本，减少了下游市政设施压力，极大削弱了上游高速水流流速，确保管道、竖井等免遭冲刷破坏，有效地解决了市政建筑物下游消能防冲的问题。
[0053]
试验研究表明，在不同流量时，按照本实施例的设计，实测在相同测量断面下，将竖井不同部分的消能率列于表1，每个部分测量6组，一共12组试验。
[0054]
表1竖井两部分设施消能效果表
[0055][0056]
结果发现，采用本实用新型的带螺旋阶梯与孔板跌水井的分流调蓄系统底部水流流速小，消能效果极佳；观测发现，在一定流量及水位下，水力自控翻板闸门13能够自动开启过流，该系统排洪分流效果良好，消能效果显著。
[0057]
本实用新型的分流调蓄系统可用于城市浅层排水管网与深隧系统及其下游污水处理厂及排洪泵站之间的防洪、分流、消能，能够有效缓解传统城市建设模式带来的诸如城市内涝等造成的危害，同时可根据不同降雨量利用水力自控翻板闸门及嵌套式双筒结构重新分配水流的导向与应用范围，提高超泄能力，此外亦能降低下泄水流流速，改善深层管道水流流态，防止竖井底部冲刷破坏以及避免因下游水流流态紊动幅度剧烈、流速过大而导致的管道破坏，具有较高的市政工程应用价值。