发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种跌流竖井与旋流竖井转换的流态自适应性立面衔接导流结构，以克服大流量下跌水竖井衔接段封堵，小流量下旋流竖井衔接段边墙需过高设计，增大工程投资的问题，保障市政工程中排水管渠立面水流衔接安全高效运行。

本发明提供的跌流竖井与旋流竖井转换的流态自适应性立面衔接导流结构，设置在矩形截面管渠与圆形截面竖井的立面转弯衔接区域，包括依次衔接的衔接区水平段、竖井进口可旋转导流结构、衔接区竖井段；所述竖井进口可旋转导流结构由与衔接区竖井段直径相同的二分之一圆筒和与二分之一圆筒相切且呈一体结构的两面可变侧墙构成；所述二分之一圆筒与竖井段顶部边缘通过具有阻尼结构的转轴连接，使竖井进口可旋转导流结构随衔接区水平段的来流冲击作用强弱自适应性地向来流方向转动，实现跌流竖井向旋流竖井的转换；所述可变侧墙通过止水结构与衔接区水平段侧墙衔接，且可变侧墙的面积大小满足在旋转过程中保持完全覆盖衔接区水平段与衔接区竖井段的衔接口，避免漏空漏水。

进一步地，竖井进口可旋转导流结构的二分之一圆筒与衔接区竖井段的衔接边缘设置有向竖井段内部延伸的止水挡板，以在竖井进口可旋转导流结构旋转过程中封堵二分之一圆筒与竖井顶部分离之后的空隙，防止漏空漏水。优选地，所述止水挡板的形状与竖井段的圆筒壁面匹配的圆弧面。

进一步地，所述衔接区水平段的底板宽度与衔接区竖井段的直径相等，衔接区水平段的底板与衔接区竖井段顶部壁面相接。

进一步地，竖井进口可旋转导流结构的二分之一圆筒高度为1～3倍竖井段直径，衔接区竖井段的高度为0.5～1.5倍竖井段直径。

进一步地，所述竖井进口可旋转导流结构的可变侧墙为扇形或半圆形。

进一步地，连接竖井进口可旋转导流结构与衔接区竖井段的转轴保证二分之一圆筒可转动角度范围为30°～45°。

进一步的，所述止水结构为设置在可变侧墙边缘与衔接区水平段侧墙上的两条止水胶条，水平段侧墙上的的胶条与可变侧墙的滑动轨迹吻合，在可变侧墙转动过程中两胶条保持紧密接触，且接触面密实，保证止水，同时又不影响转动过程。优选的，所述两条止水胶条选用弹性较好的橡胶制作。

进一步地，所述具有阻尼结构的转轴优选为安装有弹簧的转轴，使竖井进口可旋转导流结构在受来流冲击时顺应力作用大小发生转动，当水流冲击作用消失时，自动恢复到初始状态。也可以选用其他具有相同作用的材料或结构替代。

本发明中，所述跌流竖井与旋流竖井转换的流态自适应性立面衔接导流结构通常设置在距离地面较低高程的矩形截面管渠与圆形截面竖井衔接处，将水从靠近地面的位置通过该导流结构和竖井衔接输送到地下更深的位置。

本发明所述跌流竖井与旋流竖井转换的流态自适应性立面衔接导流结构运行时水流流态如下：

在初始条件下，竖井进口转换段断面尺寸与下游竖井断面一致，当水流流量较小时，水流经过衔接区水平段，以跌水水流流态，进入竖井进口转换段，在惯性作用下冲击至对向竖井区域(二分之一圆筒面)，由于水流流量较小，往往速度较低，作用力较小，因此，可转动竖井边墙能够承受响应的水流冲击，位置保持不变，衔接区竖井进口内呈现跌流竖井特征，水流在不形成封堵竖井进口条件下，随垂直竖井向下运动，排出竖井。随着水流流量的增加，水流进入衔接区域流速随着增大，导致水流冲击作用增大，竖井对向面(二分之一圆筒面)在垂直形态下，无法能够承受响应的水流冲击，竖井进口可旋转导流结构产生转动，以来流对向最外侧点作为转轴支点，在水流冲击作用下带动二分之一圆筒以及可变侧墙整体转动，由于弧形可变侧墙扇形区域较大，能够保证侧墙与底板不出现漏空区域，水流依然在底板和弧形可变侧墙的约束下，进入竖井段，而下部设置止水挡板在竖井对向面旋转过程中，能够随结构移动，填补竖井段旋转形成的侧面漏空区域，保障水流不会冲出竖井，竖井进口转换段形成一个上部断面大，末端断面小的类似倒锥形结构，自然带动下部止水挡板向上移动，形成在这个区域内的止水效果，避免结构整体结构出现漏空区域。在这种结构的作用下，两侧水流随水平段直墙的引导，侧向进入倒锥形结构，在竖向收缩的作用下，形成贴壁运动的旋流流态，而中部水流随惯性作用冲击至倾斜的倒锥形结构壁面，由于受倾斜结构的顶托作用，水流可以顺着倾斜竖井壁面向下运动，这样，水流在竖井空间内形成跌水与环形旋流两种流态共存的流动特征；随着水流流量的持续增大，上端与端的截面面积差异越大，这种类似倒锥形结构对于水流旋流的约束性越强，当对向边墙倾斜达到30°～45°时，中部水流部分冲击倾斜壁面后，同样形成向两侧扩散并旋转的水流流态，这样，竖井中完全形成旋流流态的水流，通过自适应性调节形成完全的旋流竖井。随着管渠泄流的完成，衔接段在阻尼恢复的作用下，竖井进口可旋转导流结构恢复至原形态。

在这种自适应性立面衔接导流结构转变过程中，衔接区水平段边墙高度保持不变，避免了设计旋流竖井的边墙高度空间，同时竖井进口上部区域大断面的变化，有效地保证了大流量水流不出现封堵进口的不利水力现象。水流进一步的旋转环形运动，充分利用了竖井原有的过水断面空间，提升泄水流量与排水能力，实现“小流量跌水竖井运行、大流量旋流竖井运行”的自适应性调节目的，有效减轻水流在经过立面转弯过程中管渠雍水、阻塞、高边墙设计的问题，保证管渠立面水力衔接的顺畅运行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的跌流竖井与旋流竖井转换的流态自适应性立面衔接导流结构，在初始设计时可设计为跌水竖井形式，这样，衔接区水平段边墙较低，竖井圆形结构断面较小，降低设计难度，节约施工工程量与建设投资。

2、本发明提供的跌流竖井与旋流竖井转换的流态自适应性立面衔接导流结构，竖井进口可旋转导流结构随水流冲击作用的强度而调节，自主式地实现立面竖井衔接结构由跌水竖井向旋流竖井的转换，保证小流量以跌水竖井运行，大流量以旋流竖井运行，在不封堵竖井进口的条件下，能够适应于不同水流流量的下泄要求，大大提升衔接段水力安全运行效率。

3、本发明提供的跌流竖井与旋流竖井转换的流态自适应性立面衔接导流结构，施工容易，工程量小，成本低，既能够适应于新建管渠结构设计，也可以用于已有立面转弯管道中的提升改造，适应面广，实用性强。