跌流式竖井结构减少吸气的方法研究

王立荣 郭军 杨鹏 梁荣 兰州石化职业技术大学

1.引言

跌流式竖井是市政排水系统竖井结构中使用时间最早、设计施工最简单、工程中最常用的结构形式，该结构是将进水管段与垂直管段直接相连而成，为了增大过流能力，往往也将进水管与垂直管的连接段做成弯管形式。跌流式竖井因设计简单、施工方便，且具有良好的抗冻性能和消能效果，而被广泛应用于国内外市政排水系统中。然而，跌流式竖井结构在运行中会从外界卷吸大量气体，引起竖井底部地下渠道中气压升高，影响系统的安全运行，并导致出现排污系统臭气逸散等空气污染问题或排涝时的井喷问题，对人们的财产安全与生活健康带来极大威胁。

2.跌流式竖井吸气原因分析

（1）落差的影响。学者们对跌流式竖井的吸气情况进行了一定研究，当跌流式竖井的落差为2.0m时，其吸气量约为水流量的1.2倍，当跌流式竖井的落差为2.9m时，其吸气量为水流量的1.4倍，当跌流式竖井的落差为8.0m时，其吸气量为水流量的40倍。以上研究均表明，高差是造成跌流式竖井吸气的重要因素之一，高差越大吸气量也越大。

（2）水滴的拖拽作用。很早之前就有学者对不计周围空气作用时的圆柱形非粘性液体的破碎机理进行了研究，研究发现，当水柱表面的波状扰动幅度达到液柱半径时，水柱便开始破碎。随着科技的发展，学者们开始利用高速相机对水流的跌落过程进行研究，马一祎利用高速相机观察到竖井内的水流在下落过程中会出现三种形态：竖井上部为大片完整水膜，中部为不规则的水团与碎片,底部破碎为水滴（该区域也被称为“似雨区”），测量出大多数水滴尺寸大小为2mm左右，在不同流量下，水滴在不同高度的平均下落速度约为6m/s。此外，该学者还给出了水柱表面开始破碎的判断准则及水柱破碎长度的理论预测方法，并通过数值模型，预测了竖井水流的拖拽气量。当大量的水滴以一定的速度向下运动时，就会拖拽空气向下，形成向下运动的气流，且水流破碎成水滴后，增大了水体的比表面积，增加了水气之间的相互作用面积，从而增强了水气之间的相互作用力，最终导致大量气体被水体卷吸带入竖井中。一般情况下，城市地下排水系统中的竖井结构深度达几十米，在如此大的落差下，进入竖井的水流基本都会破碎成水滴，这大大增加了进入竖井中的气体量，水流破碎也是造成跌流式竖井大量卷吸空气的主要原因。

（3）水流与管壁的碰撞作用。水流在跌流竖井内跌落时，部分水体与竖井边壁发生碰撞，碰撞后在接触面上出现卷曲和涌高现象，在此过程中会卷入一定的空气，并随着水流一起到达竖井下游。此外，在水流与竖井边壁发生碰撞时，还会形成飞溅的水花，水花的形成增大了水气接触面积，导致被卷吸的空气量进一步增大。

（4）水跃作用。跌流式竖井出流管处恰好处于水流由急流过渡为缓流的位置，水流出现局部突变现象，故在出流管处很容易形成水跃，水跃区的水流由上下两部分组成，上部水流在流动中发生翻腾旋滚，下部水流为主流，是流速急剧变化的区域，这两部分交界面上的流速梯度较大，紊动混掺强烈，液体质点不断穿越交界面进行交换，在此过程中，极易掺入大量空气。

（5）水柱的破碎作用。水流在跌流竖井中下泄时，在水柱表面与气流接触面上，会受到表面张力与空气阻力的相互作用，空气源源不断进入到水柱当中，最终致使水柱发生破碎，破碎的水体会携带气体进入竖井中，尤其是在形成袋状破碎时，水膜包裹气囊，气体卷吸现象十分严重。

3.跌流式竖井水气两相作用机理

水流进入跌流竖井后与竖井壁面发生碰撞，部分水流紧贴壁面流动，形成壁面射流，部分水流从壁面反弹后自由下落，在下落过程中发生撞击、破碎，对空气产生剧烈的卷吸作用，大量空气随水流一起带至竖井内部。高速相机拍摄到的竖井中的水流起初为光滑的水膜及水流碎片，随着下泄深度的增加，最终几乎全部破碎为像雨滴一样的水滴，水滴的存在大大增加了水气间的相互作用面积和水流对空气的拖拽力，造成大量空气被卷吸进入竖井中，这也导致竖井顶部的气压不断下降，底部的气压逐渐增大，顶部和底部之间出现压差，在压差作用下，外界空气通过通风口又被不断吸入竖井内部，最终导致竖井顶部出现负压区。同时，这种压差随着竖井深度的变化而变化，在整个竖井中形成了气压梯度，而造成气压梯度的根本原因是由水流在下落中变为水滴后对空气的拖拽力和拖拽量不断增大所导致的，故气压梯度能较好地反映竖井内水流对空气的拖拽能力，由此分析可知，当水滴尺寸越小、水流量越大、水流速度越大时，水流对空气的拖拽力和拖拽量就越大，气压梯度值也越大。此外，有学者通过模型实验研究发现，跌流式竖井中进气量的大小还受到竖井上下游边界条件及竖井直径大小的影响，因这些条件的改变对竖井中水流的破碎情况，如对水滴形成的数量、大小等具有较大影响，尤其是当竖井中的流量较大时，这种影响更为显著。

4.跌流式竖井减少吸气的措施

4.1 下游设置挡板形成水池效应

通常可在竖井下游出流管底部设置一定高度的挡板，挡板的存在使得竖井底部水位涌高，形成具有一定深度的水池，既能减少竖井的吸气量，还可以起到减小下落水流能量，减缓水流对竖井底部的冲击破坏作用。一方面，被水流卷吸进入竖井的部分气泡在遇到下游水池时获得释放，避免了该部分气泡被水流带至下游。另一方面，当水池水位升高时，出水管内水位也随之升高，允许气流通过的管道上方截面减小，导致气体进入下游的通道减小，随水流进入下游的气体量减小，当竖井中流量较大时，出水管被跃起的水流和飞溅的水花所堵塞，通气量减小。有学者对竖井下游设置挡板后的气压气量进行了研究，结果表明，在竖井下游设置挡板后，竖并内气压值增大，进气量减少，所设置挡板高度不同，气压值和吸气量减少程度不同，挡板设置高度越高，气压值越大，气量减小程度越大，当在出流管处设置1/2挡板（挡板垂直高度为出流管直径的1/2）时，竖井的吸气量能减少70%左右。也有在出流管管口处设置盖板以减少吸气量的，其做法是用一块较大的矩形挡板垂直向下遮住出流管的上部气流通道，但需注意的是，距离出流管底部的余留尺寸一定要保证盖板底部不接触出水主流的水流表面，也不会形成水位涌高，通过盖板的遮挡作用减小出流气体量，增大下游出流管处的气压值。几种不同形式的挡板如图1所示。

图1 几种不同形式的挡板

4.2 回收至处理站实施集中处理

对已被吸入至下游管道内的气体，工程中可利用风机将该部分气体抽取后，输送至专门的回收处理站进行集中处理。该种措施能在一定程度上减少水流中所携带的气体，但整个处理系统的建设耗能又耗工，为输送气体还需专门设置通风管道，对通风管道的密闭性要求较高。此外，污水管道中的臭气分布不均匀，且受温度和季节变化的影响较大，工况的运行稳定性较差。当竖井在某些位置的吸气量十分严重时，可在这些吸气严重的“高危点”附近设置流动的污水管道处理站，或在污水管道检修时设置临时性处理站，这种处理方式灵活性强，处理效果好，但流动性大，不适宜在位置要求固定且需要长期运行的工作环境中使用。

4.3 利用气腔室进行消纳释放

为有效排出下游管道中的气体，可在竖井出流管的起始端设置一个大的气腔室，并在气腔室上方安装一气管，当竖井中气体经过时，首先进入气腔室，再通过气腔室中的气管直接排放至外界或输送至气体处理站进行处理，气腔室的存在可使卷吸进入竖井中的气泡得到较大程度地释放。通常跌水结构下游出流管内的气压值远大于上游入水口处的气压值，因此可将上述气腔上方的气管与竖井上游进气口附近某一位置直接相连，迫使卷吸进入竖井下游的部分气体能够回流至上游进口处附近，该部分气体允许被下泄水流再次卷吸，通过这种气流循环释放作用，可有效缓解下游管道中的卷吸气体量，如图2所示。此外，也有在竖井出流管上单独开挖一条平行于原竖井的气流井，并通过若干水平管使其与原竖井相连，从而形成外部气流循环，当竖井下游有压时，该种方法的减气效果十分显著，但在工程实际中再单独开挖一个气流井，工程量大，开挖成本高，耗时耗工，对臭气逸散问题严重且覆盖范围较广的城市，使用此法进行竖井改良显然不现实。

图2 气流循环式的跌流竖井

5.结语

跌流式竖井虽然结构简单，但其在运行过程中卷吸气体问题十分严重，目前，学者们普遍认同边界条件对跌流竖井的卷吸气体量影响较大，结合目前跌流竖井的发展和研究现状，今后可进一步开展通过优化边界条件来减少竖井卷吸气体的相关研究。在实际工程中，只有结合工程自身的条件和特点，采取适宜的措施，对症下药，才能有效控制竖井中的卷吸气量，确保跌流式竖井安全稳定运行。