折板竖井，作为一种重要的竖向消能构筑物，具有可适应多高程、多角度和多入流管等情况，还可适应非恒定的入流过程和不同的竖向输水深度等，满足城市深隧排水系统进水竖向消能的要求，将会伴随城市深隧排水系统的推广得到广泛的应用。

折板竖井最早出现在国外，1914年美国俄亥俄州的克利夫兰市市政污水管道就使用了折板跌水竖井结构的排水系统。但由于早期设计采用全断面方式过流，缺少通气设施，导致折板产生不利震动，最终使竖井损毁。近代的折板竖井对其结构进行了改进，由竖向中隔墙和一系列水平折板构成，水流在折板间往复运送至井底，通过折板间的跌落、掺气和冲撞达到消能的目的。竖向中隔墙把竖井分隔成“干区”和“湿区”两部分。水流进入竖井“湿区”后，经第一层折板承接跌落至第二层折板上，经过水流的掺气、跌落、碰撞、摔碎后，紊动水流调转方向，继续向下一层折板跌落，最终达到消能的效果。“干区”则用作机械吊装通道及气体通道。折板竖井结构如图4-25所示。鉴于折板式竖井具有易于安装维护、能有效避免空化、建造工艺简便等优点，近年来在深隧排水系统中得到应用。

图4-25　折板竖井结构布置图

4.3.2.1　折板竖井中折板的功能

折板是折板竖井中最关键的结构。折板所处的位置和工作条件不同，折板竖井的最大过流流量和消能效果都会受到影响。按照折板在竖井中的相对位置，可将折板分为首层折板、中间折板和水下折板。

首层折板指折板消能竖井中最上一层折板，理论上是水流进入竖井后经过的第一层折板。首层折板的主要功能是承接并调节水流，使其平顺地跌向次层折板而不引起次层折板上出现冲击压力过大的不良水力现象。决定首层折板功能发挥的关键因素是首层折板与入口管中心间距，取值不宜过大，否则可能引起水流进入竖井后直接冲击垂直分隔墙或直接跌落到次层折板。

中间折板指折板消能竖井中首层折板与竖井底部水面之间的折板，是折板消能竖井中的主体部分。在不同的折板间距和进水流量下，折板消能竖井中可能形成S形贴壁流动或往复跌流，如图4-26所示。当折板间距较小且流量较小时利于往复跌流的形成，而折板间距的增大或过流流量的增大均易引起流动形态向S形贴壁流的转变。试验表明，当折板间距较大时，折板上所受压力较小，利于折板安全，但折板间水流形成了“S”形贴壁流动，折板间消能不足，水流流速较大，对竖井边壁及底部冲击较大，且易引起竖井底部水流剧烈波动及气流卷吸进入深隧。相比较而言，折板间距较小时形成的往复跌流的流态稳定，流速相对较小且恒定，对竖井边壁的冲击作用较小，利于竖井结构的安全。因此，综合认为中间折板的主要功能应为消能，进而促进折板间往复跌流形态的形成。中间折板间距在设计过程中应使折板间水流跌落时势能减少，释放的能量能够在下层折板的水垫上得以完全消除，从而保证动能不随水流的向下输运而增大。

图4-26　中间折板典型流态

水下折板指折板消能竖井中位于底部水面以下的折板。竖井中水垫的深度均可淹没至少3～4层折板。根据折板消能竖井底部水垫中水流及气泡运动规律，水下折板的布置不但改变了水体的流动路径，延长了水流的流程，还促成了一些间歇性漩涡的生成，增加了水流的沿程阻力和局部阻力，利于水流更快地趋于平稳。同时折板的布置亦增加了水流的横向流动距离，利于随流气泡在浮力作用下上浮，减小了气泡向水垫更深处及下游管涵的输移。可见，水下折板的主要功能应为消能和除气。试验表明，气泡的下潜深度通常不深于水下两层折板以下，考虑到水下折板的消能作用，水下折板应至少设置2～3层。而对于水下折板的折板间距，为方便施工，通常可采用与中间折板相同的取值。

4.3.2.2　折板竖井设计的约束条件

（1）首层折板与入口管中心间距

首层折板与入口管中心间距ht 不宜过大，否则可能引起水流进入竖井后直接冲击垂直分隔墙或直接跌落到次层折板，一般需满足下式条件：

式中 Q——设计流量（m3／s）；

　　 d0——入口管直径（m）；

　　 L——水流跌落距离（m），不大于折板竖井半径。

（2）支隧直径

支隧入口设置在竖井干区侧底部，为减少空气被夹带进入深隧，支隧入口尽可能远离最低折板边缘方向，支隧直径一般需满足下式：

式中 d——支隧直径（m）；

　　 A——连接支隧截面面积（m2），若为圆管则

　　 H——竖井水深（m），一般为2～3倍折板间距；

　　 Cd——流量系数，取0.68。

图4-27　最大过流流量工况

（3）最大过流流量的限制条件

在最大过流流量下，折板上方水面距离上一层折板底面有一定高度空间hv（图4-27），用于空气的流通。试验表明，为保证最大流量下不阻碍空气流动、拥堵通气孔，结合通气孔的位置与尺寸，得到水面距离上一层折板底面的空间高度hv 应满足：

式中 B——折板边缘宽度（m）。

（4）最大过流流量

在满足最大过流流量限制条件的基础上，不同折板间距限制下，最大过流流量均须满足式（4-27），且折板竖井运行期间的流量不能超过其最大过流流量。

式中 B——折板边缘宽度（m）；

　　 h——折板间距（m）；(www.daowen.com)

　　 t——折板厚度（m）；

图4-28　稳定消能临界工况

（5）竖井稳定消能边界

随着流量的增大，水流的跌落距离L（水流中心线跌落点到折板末端的水平距离，如图4-28所示）随之增大。当L 增大并超越折板长度后，水舌不能直接跌落在折板上，而是冲向竖井边壁，并沿壁面向下流动，之后贴着折板表面水平射出，跌向下一层折板。折板竖井的消能方式是将水流直接引入折板上的水垫层中，并在水垫层中进行消能。而贴壁流态使水流直冲向井壁，不仅冲击井壁，还不利于消能。因此需要了解稳定消能边界，当在实际设计中满足：

折板竖井既满足最大过流流量条件，又满足稳定消能条件。当F 或值偏大时，折板竖井不能获得稳定的消能，对折板及竖井产生危害；反之，折板竖井不能达到最大的过流流量，会造成不必要的浪费。

（6）折板间距界限

中间折板指折板消能竖井中首层折板与水面之间的折板，是折板消能竖井中的主体部分，所以这里主要确定中间折板的间距界限。中间折板间距的取值应使折板间水流跌落时势能减少释放的能量能够在下层折板的水垫上得以完全消除，从而保证水能不随水流的向下输运而增大。在此基础上，折板间距上限取值应满足：

式中 D——竖井内直径（m）；

　　 β——无量纲系数，，取0.55；

　　 δ——有效宽度系数；

　　 α——水舌膨胀系数。

此外，折板间距的取值亦应满足最基本的过流功能。基于此，中间折板间距的下限取值应满足：

式中 hv——板上跌落水舌最高点与上一层折板底部的间距（m），如图4-27所示，一般取0.04B。

（7）通气口

通气孔主要用来保持干区、湿区之间的气压平衡，同时，可以作为检查孔使用。通气孔可设计为长3m、高1m 的矩形孔或直径1m 的圆孔，为尽量减小折板底面空气空间高度，检查口应设置于挡板正下方，且同时满足检查孔与井壁距离不小于0.5倍折板长度。

4.3.2.3　折板竖井的设计

（1）折板竖井的直径

式中 Q——设计流量（m3／s）。

（2）折板边缘宽度

式中 E——“干区”宽度（m），取值需满足用于干区机械吊装和人员检修的最小空间限制，一般为D／4～D／2。

（3）折板间距

式中 t——折板厚度（m）；

　　 β——无量纲系数，取0.55；

　　 F——折板弗劳德数，

　　 hv——板上跌落水舌最高点与上一层折板底部的间距（m），一般取0.04B。

在实际工程中，需要根据折板竖井深度，以及入口和支隧位置调整折板间距h。

（4）验算校核

根据调整后的折板间距h，重新计算折板边缘宽度B 及折板竖井直径D。利用新得出的h、B 及D 进行式（4-27）、式（4-28）的上下限校核，检验是否满足要求；若不满足，再次调整h，直到满足上下限要求。