阶梯式泄水道竖井水力特性研究

It is necessary to construct the city's underground tunnel system of rain drainage for frequent waterlogging disasters resulted from rainstorm within Chinese cities. The hydraulic performance of a dropshaft, especially discharge capacity, energy dissipation and cavitation control, evidently affects the safety and operation of the city's underground tunnel system, due to the high structure, large discharge of the dropshaft. On the basis of the investigations of the existing dropshaft structures of five types and their hydraulics, the present research project develops a new form of dropshaft -- stepped spillway dropshaft (SSDT), investigates theoretically and experimentally the hydraulic characteristics of this dropshaft. The main contents includes: characteristics, classification and transition condition of flow regimes, discharge capacity, energy dissipation, cavitation performance, and air flow characteristics inside vent shafts. The SSDT, presented in the research project, is characterized by simple structure, high energy dissipation and effective cavitation control. The objectives of the research project are to investigate systematically the structures and hydraulics of the SSDT and to provide the theory and technology for construction and operation of the SSDT.

针对我国城市暴雨引起的严重内涝灾害，规划建设城市深层隧道雨水排水系统将是重要和有效的手段。竖井，作为排水系统的主要泄水部分，由于落差高、泄量大，其过流能力、消能效果和防空化空蚀性能，将直接关系到深层隧道雨水排水系统的安全运行。在目前国内外已建工程的五类竖井的水力特性的调研和分析基础上，本项申请提出了一种阶梯式泄水道竖井，运用理论分析和试验研究的方法，对其水力特性进行系统的研究，主要内容包括：阶梯式泄水道竖井的流态特征、流态分类和流态转变条件，不同结构和水力条件下，竖井的过流能力、消能特性、空化特性和排气通道气流特性等。就目前国内外建设现状来看，阶梯式泄水道竖井的提出尚属首创，其结构形式简单、有良好的消能和防空化性能。本项申请的研究目标是：通过阶梯式泄水道竖井的结构形式和相关水力特性的系统研究，从理论上和工程实践上，为我国城市深层隧道雨水排水系统的规划、建设和运行，提供理论和技术支撑。

近年来，我国城市市政建设进入高速发展时期，一批城市深层隧道排水系统工程正处在持续地规划和建设当中。在这些工程中，竖井结构越来越突出地体现出泄流流量大、泄水落差高等特点，消能和空蚀问题突出。而传统竖井结构在应对大泄量、高落差的泄水时往往消能不足、流态不佳且存在空蚀风险等问题，因此对新型竖井结构设计的探索及其水力特性的研究具有重要意义。.本项研究提出了一种新型的阶梯式泄水道竖井结构，主要由中部的排气通道和依附井壁的螺旋状阶梯泄水道组成，通过阶梯结构实施消能和形成掺气水流减免空化空蚀破坏。.研究内容包括：（1）高消能性能竖井结构开发。（2）竖井进口弯道驻波流态研究。（3）阶梯式泄水道竖井流态研究。（4）阶梯式泄水道竖井均匀流及消能特性研究。.取得的主要研究进展、重要结果、关键数据等及其科学意义或应用前景如下：.（1）开发了一种新型的阶梯式泄水道竖井结构，主要由中部的排气通道和依附井壁的螺旋状阶梯泄水道组成，通过阶梯结构实施消能和形成掺气水流减免空化空蚀破坏。.（2）根据竖井进口弯道驻波流态，定义并完善了弯道水流流态分类，论述了不同流态下弯道水面超高作用机理；在此基础上，得到了竖井进口驻波特征与来流水力参数和进口结构参数的关系。.（3）对阶梯式泄水道竖井的流态进行了定义和分类，论述了不同流态下的水流特征、消能和掺气机理；基于水力学经典方程，理论推导了传统二维阶梯泄水道流态界限计算方法；引入离心力系数的概念，建立了阶梯式泄水道竖井流态界限计算方法。.（4）定义了阶梯式泄水道竖井阶梯拟均匀流的概念，从欧拉方程出发推导并研究了拟均匀流掺气平均水深；定义并给出了阶梯式泄水道竖井理想运行流态下最大泄流能力的表达式；在拟均匀流基础上，引入了统一的消能体积的概念，建立了传统阶梯泄水道和阶梯式泄水道竖井的出流余能估算式。