小底坡大旋转角阶梯泄水道竖井的制作方法

本实用新型涉及城市给排水工程排水建筑物中的一种小底坡大旋转角的阶梯泄水道竖井，主要用于满足在较大的落差和排水泄量的条件下，保持高的消能率、防止泄水道过水表面的空化空蚀破坏，实现工程安全运行的需要。

背景技术：

随着我国城市化进程的快速发展、城市人口规模的不断扩大加之现有的雨水污水排水能力的不足、以及全球气候变化的进一步加剧，极端天气已经成为制约我国城市发展的重要因素。一些强降雨天气，使得城市陷入严重的内涝，对社会生产、生活造成极大的影响。自2008年到2010年间，有62％的城市发生过不同程度的内涝。城市暴雨内涝已经是亟待解决的重大问题。

国内外城市雨水排水系统的建设和运用表明，城市深层雨水调蓄隧道系统，作为浅层排水管网的重要补充，能够有效缓解传统城市建设模式带来的如城市内涝造成的危害等一系列问题。

竖井，作为城市深层雨水调蓄隧道系统的重要组成部分，是一种把地表水输入到深层隧道同时排出深层隧道内空气的结构。由于城市深层雨水调蓄隧道系统从地表到深层隧道空间的落差大，雨水流动中将产生较高的流速，携带巨大的水流能量，由此可能产生强烈空化空蚀破坏，对结构安全运行带来严重的威胁，消能和防止空化空蚀是此类竖井建设的主要问题。因此，研究和设计一种能同时满足消能和防空化空蚀要求的竖井是十分必要的。

技术实现要素：

本实用新型提出一种能使下泄水流形成跌落流态加水跃流态的小底坡大旋转角阶梯泄水道竖井。

本实用新型采用如下技术方案：

一种小底坡大旋转角阶梯泄水道竖井，包括：圆柱状排气通道及围绕在排气通道外部的环形阶梯泄水道，所述环形阶梯泄水道由逐级下降的阶梯构成，阶梯的踏板长度为120～350弧度。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

本实用新型所述的小底坡大旋转角阶梯水道竖井，在竖井中间为排气通道，在边壁为旋转下降的泄水道，在旋转下降的泄水道表面为阶梯结构，并且这种阶梯结构具有小的底坡和大的旋转角，即本实用新型选择了120～350弧度长的阶梯的踏板长度，构成了大旋转角的阶梯平面，大泄流量和高落差下的水流在这大旋转角的阶梯面上，可以形成水跃流态，而水跃流态是本实用新型具有高效的消能效果，并可以获得良好的表面自掺气效果用以防止空化空蚀。

现有技术是利用跌落水流流态、过渡水流流态和滑行水流流态进行消能，不会形成水跃流态。而本实用新型是小坡度、大平面转角(不小于120弧度)，相应的延长了平面，这样就可以形成水跃流态，利用水跃消能，可以有效地消除高落差条件下竖井水流的能量，消能率可以达到90％以上，其有效性由图3的试验得到验证。

因此，本实用新型的这种120～350弧度长的阶梯选择，转变了下泄水流的流态即转变为水跃流态，并由此提高了消能效果和防空化空蚀效果，取得了预料不到的积极效果。

此外，本实用新型提出的小底坡大旋转角阶梯泄水道竖井的有效性已得到试验验证，结构简单易行，为城市排水系统泄水消能问题提供了一种新的思路及解决方案。

附图说明

图1是小底坡大旋转角阶梯泄水道竖井俯视图；

图2是小底坡大旋转角阶梯泄水道竖井剖视图；

图3是消能率η与来流量Q的关系；

图4是小单宽流量时流态示意图；

图5是大单宽流量时流态示意图；

具体实施方式

一种小底坡大旋转角阶梯泄水道竖井，包括：圆柱状排气通道3及围绕在排气通道3外部的环形阶梯泄水道4，所述环形阶梯泄水道4由逐级下降的阶梯构成，阶梯的踏板长度θ为120～350弧度。在本实施例中，下泄水流由进水渠1流经环形阶梯泄水道4，进入深层隧道2。

泄水道过流表面为阶梯结构，其其他结构参数，包括泄水道外径和内径、底坡、阶梯个数和台阶尺寸可根据工程实际情况选定；泄水道在不同位置的阶梯，其尺寸可以不同；泄水道竖井，其竖井可以是垂直的，也可以是不垂直的；竖井的内径上下可以相同的，也可以不相同的；泄水道竖井，其竖井形式可以是圆的，也可以是其他形状的形式。

本实用新型提出一种小底坡大旋转角阶梯泄水道竖井的结构形式，利用中间通道排气，通过旋转下降的阶梯结构泄水道过水。

小底坡大旋转角阶梯泄水道有其独特的特点：

由于小底坡大转角，形成较大的阶梯平面，当单宽流量较小泄流时，阶梯面上的水流流动呈跌落+水跃流动(见图4)；当单宽流量增加后，基于流动的不同，阶梯面上的流动呈过渡+水跃流动，或完全旋滚+水跃的流动(见图5)。与传统的阶梯泄水道的跌落流动、过渡流动和滑行流动不同，本实用新型小底坡大旋转角阶梯泄水道，在泄水流动过程中，在阶梯面的后部区域，均可形成水跃流动，这种水跃流动的存在，一方面通过水跃旋滚，水体中掺入大量的空气，这种掺气水流可以达到减免空化空蚀破坏的作用；另一方面，水跃旋滚，可以消耗大量的水体能量，减免水体携带的能量对结构产生破坏作用。

本实用新型提出的小底坡大旋转角阶梯泄水道竖井的结构形式，即在泄水道竖井的过水面设置的小底坡大旋转角阶梯，设计其泄水道单宽流量控制在60m²/s 之内，都有良好的消能效果和防止空化空蚀破坏的效果。