一種解決城市低洼道路積水問題的真空應(yīng)急排水系統(tǒng)

      目前全國各大城市均不同程度地被雨季內(nèi)澇問題所困擾,普遍面臨的問題是半小時(shí)以上的大雨就會(huì)在市區(qū)形成街洪,地處低洼處積水嚴(yán)重,特別是鐵路橋、立交道下積水量很大,造成行人和車輛無法通行,同時(shí)產(chǎn)生一定的安全隱患。為此,大多數(shù)城市在每個(gè)路橋低洼處一般都配套有專門的排水泵站負(fù)責(zé)排放積水,但因?yàn)橛袝r(shí)水量太大、雜物堵塞管道或排水泵故障維修等多種原因,積水消退需要一定的時(shí)間,在積水嚴(yán)重的地段,積水消退的時(shí)間少則需要2~3 h、多則需要1~2 d。針對(duì)上述情況,筆者提出采用真空排水系統(tǒng)解決城市低洼處積水問題,該系統(tǒng)具有效果良好、作用迅速,基本無需改變現(xiàn)有市政雨水管道,僅需較小的開挖預(yù)埋直徑相對(duì)較小的真空管路,對(duì)城市的運(yùn)行影響很小,具有實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

1真空排水系統(tǒng)與傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的比較

1.1原理傳統(tǒng)應(yīng)急排水系統(tǒng)的原理:

橋下積水通過雨水管流入集水池中,當(dāng)集水池中積水達(dá)到一定液位時(shí),泵站房中的污水泵將其排入市政排水管渠中。真空應(yīng)急排水系統(tǒng)的原理:利用真空機(jī)組的自吸、正排工作原理,即在真空機(jī)組入口處形成負(fù)壓,出口處形成正壓,直接抽吸積水下方的雨水井乃至雨水管內(nèi)的積水,并加壓排至后續(xù)管渠或水體中。真空系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自吸能力,可以同時(shí)吸水和吸氣,低洼處只要有積水傾向即可開啟真空機(jī)組,排放積水。同時(shí),產(chǎn)生的負(fù)壓也能加快與集水井相連的管線中的雨(污)水流速,加快雨(污)水收集。需注意的是,雨季時(shí)進(jìn)入管道的雜物通常較多,拆除雨水箅子以加速雨水排除的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,因此管道或真空泵機(jī)組入口處宜增設(shè)格柵。

1.2排水能力

對(duì)真空排水系統(tǒng)和重力系統(tǒng)作為應(yīng)急排水時(shí)的排水能力進(jìn)行粗略估算。以室外常見的直徑為300mm的塑料管為例,取坡度i=0.3%,管長(zhǎng)L=100m,管道的排水能力可按下式近似計(jì)算:Q=vA(1)其中,Q為雨水流量,m3;v為雨水流速,m/s;A為管道過流面積,m2。v=R2/3I1/2n(2)其中,n為管壁粗糙系數(shù),塑料管取0.009;R為水力半徑,m;I為水力坡度。I=i+Δi(3)其中,Δi為負(fù)壓造成的等效水力坡度,Δi=ΔP/ρgL,ΔP為管道兩端的負(fù)壓差,對(duì)于重力管取零。由此得到不同充滿度及負(fù)壓差時(shí)管道的排水能力,如圖1所示?？芍?span>,不論在降雨初期非滿管流還是中期滿管流條件下,管道兩端的負(fù)壓差均可顯著提升管道的排水能力。例如在負(fù)壓差為10 kPa時(shí),管道的排水能力約為重力管道的2倍,可滿足應(yīng)急排水需要。而該負(fù)壓差對(duì)于典型的在線式凸輪泵等真空設(shè)備(吸程可達(dá)5~7 m)也是易于達(dá)到的。

圖1：負(fù)壓差對(duì)管道排水能力的影響

相應(yīng)地,可得到不同充滿度及負(fù)壓差時(shí)管道內(nèi)的流速,如圖2所示?？芍?span>,盡管負(fù)壓差對(duì)雨水流動(dòng)加速明顯,但仍基本滿足規(guī)范中對(duì)于非金屬管最大設(shè)計(jì)流速為5.0 m/s的規(guī)定[1],不會(huì)對(duì)管壁造成過度沖刷。

圖2負(fù)壓差對(duì)管道流速的影響

1.3綜合比較

1原理

傳統(tǒng)排水方式:機(jī)組工作前需在泵腔內(nèi)注滿液體,自吸能力一般。真空排水方式:自吸、無閥、正排泵,流量與轉(zhuǎn)速成正比,可同時(shí)吸污和吸氣,具有一定的干轉(zhuǎn)能力。

2排污效率。

傳統(tǒng)排水方式:機(jī)組只能排放集水池中的積水,而集水池中的積水是雨水井中的積水通過重力管路排入的,實(shí)際運(yùn)行中,重力管路長(zhǎng)期運(yùn)行存在沉淀一些淤泥及污物的可能,從而影響積水的排放效率。真空排水方式:機(jī)組直接抽吸雨水井中的積水,排積水的效率高;利用真空系統(tǒng)的自吸能力,抽吸積水的同時(shí)將沉積在雨水井內(nèi)的淤泥及各種污物及時(shí)排走,較高的流速不會(huì)產(chǎn)生淤積。

3堵塞情況。

傳統(tǒng)排水方式:污水泵大多數(shù)選用的是清水泵,只用來排放清水,當(dāng)積水中含有雜質(zhì)時(shí)易堵塞。真空排水方式:對(duì)排污介質(zhì)要求不高,可以通過的顆粒最大直徑可達(dá)70 mm;如有需要,在機(jī)組的入口處可以加切割機(jī),確保機(jī)組無堵塞及損壞現(xiàn)象。

4施工建設(shè)。

傳統(tǒng)排水方式:機(jī)組放置到地面以下,占地面積較大;需要較大的施工量來建設(shè)機(jī)組泵房及各管路。真空排水方式:機(jī)組可安置在地上,占地小;真空管路管徑小,開挖量小;施工過程中可不影響交通。

5運(yùn)行維修。

傳統(tǒng)排水方式:機(jī)組的配件出現(xiàn)問題時(shí),需拆卸機(jī)組和通道,費(fèi)時(shí)較多,維修成本較高。真空排水方式:可實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)(采用可快速開啟的泵蓋,實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的配件在線更換和維修,不需要拆卸機(jī)組或通道),維修較簡(jiǎn)單,費(fèi)時(shí)較少。

2真空應(yīng)急排水系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室搭建了一套小型模擬系統(tǒng),模擬降雨過程中雨水從路面匯集到雨水口、經(jīng)過雨水管道進(jìn)入泵站并被排走的過程,用以驗(yàn)證真空應(yīng)急排水系統(tǒng)的可行性,并比較傳統(tǒng)應(yīng)急排水系統(tǒng)和真空應(yīng)急排水系統(tǒng)的排水能力及應(yīng)急反應(yīng)速度。真空排水系統(tǒng)中通常采用真空泵(配真空罐)系統(tǒng)或在線式凸輪泵機(jī)組系統(tǒng)[2],由于一般雨水收集流量較大,在線式凸輪泵機(jī)組采用即抽即排方式,無需較大的真空罐[3],故本系統(tǒng)采用在線式凸輪泵機(jī)組。

2.1試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置

如圖3所示,占地約為70 m2。凸輪泵:流量Q=60 m3/h,揚(yáng)程H=30 m(300 kPa),功率P=11 kW,模擬真空排水泵站。污水泵:流量Q=60 m3/h,揚(yáng)程H=13 m(130 kPa),功率P=4kW,模擬傳統(tǒng)排水泵站。模擬雨水箱:容積為9 m3,為試驗(yàn)提供雨水,容積較大,在試驗(yàn)過程中可認(rèn)為液位無明顯變化。泵站集水箱:容積為2 m3,模擬泵站內(nèi)集水池,內(nèi)設(shè)液位計(jì),控制污水泵及凸輪泵的啟閉。雨水口箱:容積為0.2 m3,安裝雨水箅子,收集雨水,用以模擬路面及雨水井。雨水箅子:灰口鑄鐵材質(zhì),尺寸為750 mm×450 mm,泄水能力為20 L/s。配套管路:吸水管采用160 mm的HDPE管,壓力等級(jí)為1.0 MPa,長(zhǎng)度為56 m,以0.01的坡度坡向泵站集水箱,模擬雨水在管道內(nèi)的流動(dòng)過程;排水管采用100 mm的HDPE管,壓力等級(jí)為1.0 MPa。另外還有配套閥門、儀表等。

圖3雨水排水試驗(yàn)系統(tǒng)示意

2.2試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

2.2.1中等降水流量下的排水試驗(yàn)

保持恒定的降水流量(小于兩種泵站的排水能力),比較不同排水管徑下兩種泵站的排水情況及路面積水情況。其中,降水流量均通過開啟模擬雨水箱底部閥門實(shí)現(xiàn),閥門開啟時(shí)間為3 min,經(jīng)測(cè)算得到等效的降水流量為18.4 L/s。

1傳統(tǒng)排水系統(tǒng)

模擬雨水經(jīng)過路面徑流進(jìn)入雨水管道,在重力作用下匯流至集水箱,經(jīng)污水泵排放,記錄在此過程中雨水口箱內(nèi)的最大積水高度,經(jīng)測(cè)算得到相應(yīng)的最大積水量和系統(tǒng)的排水能力,見表1。

表1中等流量下傳統(tǒng)系統(tǒng)的排水能力

2真空排水系統(tǒng)

真空排水泵站的集水箱為密閉式,在降雨初期雨水量不足時(shí),凸輪泵抽吸集水箱內(nèi)的空氣,使集水箱形成負(fù)壓狀態(tài),雨水管內(nèi)的雨水在壓差和高差雙重作用下迅速進(jìn)入集水箱,經(jīng)凸輪泵加壓排放。在本試驗(yàn)中,對(duì)于上述不同的排水管徑,雨水口箱內(nèi)均無積水。

綜上,在相同的降水流量下,傳統(tǒng)系統(tǒng)的排水能力受管徑等管道阻力因素影響較大。當(dāng)管徑過小時(shí),即使泵站排水能力有所剩余,系統(tǒng)的排水能力仍可能不能滿足路面排水要求,這就意味著,在雨水系統(tǒng)改、擴(kuò)建工程中,如果排水的瓶頸發(fā)生在收集管網(wǎng)上,則單純對(duì)雨水泵站的改造并不能提升整個(gè)系統(tǒng)的排水能力。相比之下,真空系統(tǒng)的收集能力對(duì)管徑的敏感性較低,僅需較小的管徑即能夠迅速排水。

2.2.2極端降水流量下的排水試驗(yàn)

保持恒定的降水流量(大于兩種泵站的排水能力),比較不同排水管徑下兩種泵站的排水情況及路面積水情況。其中,降水流量均通過開啟模擬雨水箱底部閥門實(shí)現(xiàn),經(jīng)測(cè)算得到等效的降水流量為35.6 L/s,積水量為0.9 m3。定義“積水時(shí)間”為從開始積水到積水高度為20 cm所需要的時(shí)間,以表征排水系統(tǒng)在超過設(shè)計(jì)排水流量情況下的臨時(shí)收納能力;排放時(shí)間為排除20 cm高度積水所需要的時(shí)間,以表征排水系統(tǒng)在降雨停止后的自我恢復(fù)能力。兩種系統(tǒng)的積水時(shí)間和排放時(shí)間見表2。

表2極端流量下兩種系統(tǒng)的積水時(shí)間和排放時(shí)間

由表2可知,在相同的降水強(qiáng)度和排水管徑下,傳統(tǒng)排水系統(tǒng)的積水時(shí)間較短,而真空排水系統(tǒng)在降雨初期就能夠降低路面積水程度。同時(shí),如前所述,真空系統(tǒng)的排水能力對(duì)管徑參數(shù)的敏感性較低,而取決于凸輪泵的排量。

2.2.3集水箱對(duì)真空系統(tǒng)排水能力的影響試驗(yàn)

試驗(yàn)中模擬真空系統(tǒng)在有集水箱和無集水箱(旁路管道替代集水箱)兩種工作狀態(tài)下的排水能力。其中,降水流量通過改變模擬雨水箱底閥門的開度調(diào)節(jié),記錄相應(yīng)的積水時(shí)間和排放時(shí)間,結(jié)果見表3。

表3不同流量下真空系統(tǒng)的積水時(shí)間和排放時(shí)間

由表3可知,有集水箱的真空系統(tǒng)在暴雨初期具有一定的臨時(shí)調(diào)蓄能力,但對(duì)于應(yīng)急使用情況下,排放能力無顯著差異,可不必設(shè)立較大的集水箱,將集水井或雨水管道直接與凸輪泵連接,在管道內(nèi)形成真空,對(duì)路面積水進(jìn)行排放。

3結(jié)論

真空應(yīng)急排水系統(tǒng)有益于提升市政服務(wù)水平,可用于城市低洼地區(qū)路面、隧道、需重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域等的雨洪排水,具有潛在的應(yīng)用價(jià)值和如下優(yōu)點(diǎn):

1真空系統(tǒng)管徑小(至少比重力管小1~2個(gè)規(guī)格),排水能力大,鋪設(shè)靈活,可適應(yīng)復(fù)雜的地下情況;

2系統(tǒng)在降雨初期即可工作,有效減緩路面積水程度;

3在路面已經(jīng)積水的情況下,排水迅速,在發(fā)生大雨、暴雨時(shí)排澇效果尤為明顯;

4真空泵站選址靈活、占地小、地下或地上均可。目前,真空應(yīng)急排水系統(tǒng)已在某市市政工程中實(shí)施,試運(yùn)行良好,成功解決了所在路段的暴雨積水問題。一種解決城市低洼道路積水問題

鄭重申明:本文是轉(zhuǎn)載內(nèi)容,原作者信息如下:

唐晶，女，山東梁山人，高級(jí)工程師，主要從事以真空排水為核心技術(shù)的產(chǎn)品研發(fā)。