4.3.1.1　旋流竖井概述

旋流式竖井最早出现在1947年，由Drioil在大坝水工结构中提出。1995年正式应用于城市地下排水系统并逐步得到推广。排水系统中的竖井流量多在100m3／s以下。近代旋流竖井结合以往工程经验，得出了旋流竖井完整的设计方案，并对其体型进行了优化，解决了超临界流入流等问题。国内主要针对高水头、大流量的导流洞改建竖井式溢洪道进行研究，流量最大可达到1000m3／s以上。国内对导流洞改建为旋涡式溢洪道进行了综合研究，系统地研究了其设计方法和水力学特性，提出超临界流的涡室优化体型，给出确定竖井结构尺寸的经验公式。随后，又结合公伯峡水电站改建泄洪洞试验研究，通过收缩墩形成水垫塘的技术，不但缩短了旋流洞的长度，也提高了水平旋流泄洪洞的消能效率。国内研究中，对竖井进流水平旋转内消能泄洪洞等的基本水力特性进行了系统分析，并提出了水平旋转泄洪洞设计方法，同时对阻塞内消能工的设计、布置也进行了深入研究。

旋流式竖井过流能力强，适用范围广，最大过流流量可达1000m3／s，低水头的排水系统和高水头的水工溢洪道均可使用。旋流竖井占地面积小，适用于坚实地基区域，但同时由于过流流量大，夹带的空气较多，集中消能带来冲蚀、臭气、噪声与震动问题，须设置气液分离室、通风井等。不论是城市排水管网还是水工溢洪道，在设计建设中应重点考虑竖井空蚀现象与隧道排气，尽可能减少进入隧道的夹带空气量。

图4-15　旋流竖井结构布置图

如图4-15所示，旋流式竖井结构主要包括进水渠、起旋器、竖井、气液分离室、通风管等。起旋器的特殊构造使进入竖井的水流沿着井壁螺旋下落，利用旋流的离心力作用在壁面上形成正压力，使结构不易产生空化现象，并形成较稳定的空腔，减轻了竖井空蚀现象。

4.3.1.2　起旋器类型

旋流竖井的主要构件是起旋器。经过多年的水力学实验研究和工程实践，多种起旋器在深隧工程中得到应用，包括锥形起旋器（图4-16）、螺旋形起旋器（图4-17）、圆涡形起旋器等。无论使用哪种类型的起旋器，使用物理模型检验设计数据的步骤都是必要的，建议物理模型比例一般为1∶10～1∶15。

图4-16　锥形起旋器构造示意图

图4-17　螺旋形起旋器构造示意图

在国内外城市排水深隧工程中应用最广泛的是锥形起旋器和螺旋形起旋器。

4.3.1.3　旋流竖井的设计

旋流竖井起旋器设计参数如图4-18所示。

图4-18　旋流竖井和锥形起旋器参数示意图

（1）旋流竖井的直径

式中 Q——设计流量（m3／s）；

　　 g——重力加速度（m／s2），一般取9.81。

（2）入流渠道宽度

（3）气水分离室直径

（4）除气室长度

式中 D2——气水分离式直径（m）；

　　 F——佛劳德数，

（5）连接支隧直径

（6）通风管直径

当F ＞0.17，D4=0.27D2；当F ＜0.17，D4=0.20D2。

（7）通风管与竖井之间的距离

4.3.1.4　锥形起旋器设计

锥形起旋器结构简单、紧凑，能够在竖井中产生稳定的旋流和足够大的空气核，与其他构造的起旋器相比，可以起到同样效果的消能和减少夹杂空气的作用。锥形起旋器设计参数示意图，如图4-18所示。

（1）竖井入口喉部宽度

式中 DDS——旋流竖井直径（m）。

一般为保持水流顺畅，避免堵塞，e最小取0.4m。

（2）锥形入口长度

式中 B——入流渠道宽度（m）；

　　 θ——锥形入口水平角度，一般取16°～33°。

（3）锥形入口高度

式中 β——锥形入口垂直角度，一般取20°～35°。

（4）锥形入口设计约束条件

①控制点变换流量

物理模型试验表明，水流在锥形下坡段为超临界流，水深和流态比较平滑地进入竖井。在进水流量较低的情况下，锥形构件内水深和流态的关键控制点在于锥形渠道的入口处。随着流量的增加，其水深和流态关键控制点移至锥形渠道的出口处。

发生控制点转换的流量大小称为控制点变换流量QCS。

式中 e——竖井入口喉部宽度（m）；

　　 g——重力加速度（m／s2），一般取9.81；(www.daowen.com)

　　 z——锥形入口高度（m）；

　　 β——锥形入口垂直角度，一般取20°～35°；

　　 B——入流渠道宽度（m）。

②自由入流流量

水流在竖井内旋转360°的跌落高度为Δz，在一定流量条件下，由于竖井几何尺寸限制导致跌落高度Δz 小于锥形构件内水深，进入竖井的部分水会返回锥形构件，造成锥形入口产生水跃，影响入流量。我们把不影响锥形构件内水流流态的最大入流量称为自由入流流量。自由入流流量由锥形入口和竖井几何尺寸决定，见图4-19。

图4-19　旋流竖井入流口形成 旋流示意图

物理模型实验表明，当控制点变换流量大于自由入流流量时，水流会在锥形渠道中发生水跃。这种水跃会导致水流过度充气，从而堵塞旋流竖井入口，并产生不稳定的涡流，对竖井造成破坏。

因此，一般要满足自由入流流量QF大于控制点转换流量QCS，如下式：

式中 e——竖井入口喉部宽度（m）；

　　 DDS——旋流竖井直径（m）；

　　 g——重力加速度（m／s2），一般取9.81；

　　 β——锥形入口垂直角度，一般取20°～35°。

如果出现QF ＜QCS 的情况，则需要调整旋流竖井锥形入口高度z 直至满足QF ＞QCS。

③旋流空气区横截面积

旋流竖井中心的空气核会随着流量的增加而减少，其关键因素则是空气核与旋流竖井各横截面积的比值λ。

图4-20　旋流竖井喉部气核计算参数示意图

式中 a——旋流竖井半径（m），如图4-20所示；

　　 b——空气区半径（m）。

λ 的取值必须要保证旋流竖井中涡流的稳定运行，因此一般需满足λ≥0.25。另外，随着流量的增加，空气区的横截面积是不断减小的，空气区过小会影响空气在旋流竖井中自由通行，因此引入无量纲流量系数Fa：

当确定λ 值以后，Fa需满足：

式中 Q——设计流量（m3／s）；

　　 e——竖井入口喉部宽度（m）；

　　 g——重力加速度（m／s2），一般取9.81；

　　 DDS——旋流竖井直径（m）；

　　 β——锥形入口垂直角度，一般取20°～35°。

4.3.1.5　螺旋形起旋器设计

螺旋形起旋器最早出现于1947年，由意大利设计师Drioil发明设计，被应用于墨西哥城排水深隧。经过Jeanpierre和Lachal（1966）、Jeanpierre、Lachal和Thienen（1966）、Drioli（1969）以及Zhao（2001）的不断研究，证明螺旋形起旋器无论在雨水分流或泄洪隧道工程，都具有诸多优势，见图4-21。

Pica（1970）和Hager（1985）做了进一步实验分析，螺旋形起旋器内水深和流量计算如下面经验公式：

式中 Q0——设计流量（m3／s）；

　　 a——入流渠与竖井轴心的距离（m）；

　　 g——重力加速度（m／s2），一般取9.81；

　　 R——旋流竖井半径（m）；

　　 DC——入流渠宽度（m）。

图4-21　螺旋形起旋器结构示意图

为了进一步研究起旋器内水位和流量的关系，墨西哥大学工程学会实验室按弗劳德相似率搭建了1∶10旋流竖井物理模型，见图4-22。

图4-22　螺旋形起旋器实拍照片

入流量最大到90m3／s，对DL／DC（竖井直径／入流渠宽度）比值为1、0.833、0.667三个相似模型做了入流量、水位测量实验。根据实验统计数据，以无量纲法，统计入流量、水位关系图表，如图4-23所示。图表曲线数据可以为起旋器室内高度设计做参考。

图4-23　螺旋形起旋器入流量-旋流室高度关系图

图4-24　螺旋形起旋器结构尺寸与跌水竖井直径DL 的关系图

GabrielEchávez和GerardoRuiz于2008年整合了之前的研究成果，整理出螺旋形起旋器各部位设计尺寸／竖井直径比值与入流渠宽度／竖井直径比值的无量纲关系图表。螺旋形起旋器各部位尺寸如图4-24所示。该图应用范围最大流量到90m3／s。

图4-21中螺旋形通道转变半径为：

螺旋形起旋器结构尺寸与跌水竖井直径DL 的关系，参考图4-24。