一種解決城市低洼道路積水問題的真空應急排水系統(tǒng)

一種解決城市低洼道路積水問題的真空應急排水系統(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以上的大雨就會在市區(qū)形成街洪,地處低洼處積水嚴重,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,同時產(chǎn)生一定的安全隱患。為此,大多數(shù)城市在每個路橋低洼處一般都配套有專門的排水泵站負責排放積水,但因為有時水量太大、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間,在積水嚴重的地段,積水消退的時間少則需要2~3 h、多則需要1~2 d。針對上述情況,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,僅需較小的開挖預埋直徑相對較小的真空管路,對城市的運行影響很小,具有實用價值和推廣價值。

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,當集水池中積水達到一定液位時,泵站房中的污水泵將其排入市政排水管渠中。真空應急排水系統(tǒng)的原理:利用真空機組的自吸、正排工作原理,即在真空機組入口處形成負壓,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)具有較強的自吸能力,可以同時吸水和吸氣,低洼處只要有積水傾向即可開啟真空機組,排放積水。同時,產(chǎn)生的負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,雨季時進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)象時有發(fā)生,因此管道或真空泵機組入口處宜增設格柵。

1.2排水能力

對真空排水系統(tǒng)和重力系統(tǒng)作為應急排水時的排水能力進行粗略估算。以室外常見的直徑為300mm的塑料管為例,取坡度i=0.3%,管長L=100m,管道的排水能力可按下式近似計算: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為負壓造成的等效水力坡度,Δi=ΔP/ρgL,ΔP為管道兩端的負壓差,對于重力管取零。由此得到不同充滿度及負壓差時管道的排水能力,如圖1所示。可知,不論在降雨初期非滿管流還是中期滿管流條件下,管道兩端的負壓差均可顯著提升管道的排水能力。例如在負壓差為10 kPa時,管道的排水能力約為重力管道的2倍,可滿足應急排水需要。而該負壓差對于典型的在線式凸輪泵等真空設備(吸程可達5~7 m)也是易于達到的。

圖1：負壓差對管道排水能力的影響

相應地,可得到不同充滿度及負壓差時管道內(nèi)的流速,如圖2所示?？芍?span>,盡管負壓差對雨水流動加速明顯,但仍基本滿足規(guī)范中對于非金屬管最大設計流速為5.0 m/s的規(guī)定[1],不會對管壁造成過度沖刷。

圖2負壓差對管道流速的影響

1.3綜合比較

1原理

傳統(tǒng)排水方式:機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,實際運行中,重力管路長期運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,抽吸積水的同時將沉積在雨水井內(nèi)的淤泥及各種污物及時排走,較高的流速不會產(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,當積水中含有雜質(zhì)時易堵塞。真空排水方式:對排污介質(zhì)要求不高,可以通過的顆粒最大直徑可達70 mm;如有需要,在機組的入口處可以加切割機,確保機組無堵塞及損壞現(xiàn)象。

4施工建設。

傳統(tǒng)排水方式:機組放置到地面以下,占地面積較大;需要較大的施工量來建設機組泵房及各管路。真空排水方式:機組可安置在地上,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運行維修。

傳統(tǒng)排水方式:機組的配件出現(xiàn)問題時,需拆卸機組和通道,費時較多,維修成本較高。真空排水方式:可實現(xiàn)在線維護(采用可快速開啟的泵蓋,實現(xiàn)了機組的配件在線更換和維修,不需要拆卸機組或通道),維修較簡單,費時較少。

2真空應急排水系統(tǒng)的試驗驗證

在實驗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)過雨水管道進入泵站并被排走的過程,用以驗證真空應急排水系統(tǒng)的可行性,并比較傳統(tǒng)應急排水系統(tǒng)和真空應急排水系統(tǒng)的排水能力及應急反應速度。真空排水系統(tǒng)中通常采用真空泵(配真空罐)系統(tǒng)或在線式凸輪泵機組系統(tǒng)[2],由于一般雨水收集流量較大,在線式凸輪泵機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組。

2.1試驗裝置試驗裝置

如圖3所示,占地約為70 m2。凸輪泵:流量Q=60 m3/h,揚程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,為試驗提供雨水,容積較大,在試驗過程中可認為液位無明顯變化。泵站集水箱:容積為2 m3,模擬泵站內(nèi)集水池,內(nèi)設液位計,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,壓力等級為1.0 MPa,長度為56 m,以0.01的坡度坡向泵站集水箱,模擬雨水在管道內(nèi)的流動過程;排水管采用100 mm的HDPE管,壓力等級為1.0 MPa。另外還有配套閥門、儀表等。

圖3雨水排水試驗系統(tǒng)示意

2.2試驗方法與結果分析

2.2.1中等降水流量下的排水試驗

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現(xiàn),閥門開啟時間為3 min,經(jīng)測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)測算得到相應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,凸輪泵抽吸集水箱內(nèi)的空氣,使集水箱形成負壓狀態(tài),雨水管內(nèi)的雨水在壓差和高差雙重作用下迅速進入集水箱,經(jīng)凸輪泵加壓排放。在本試驗中,對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。當管徑過小時,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,則單純對雨水泵站的改造并不能提升整個系統(tǒng)的排水能力。相比之下,真空系統(tǒng)的收集能力對管徑的敏感性較低,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

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現(xiàn),經(jīng)測算得到等效的降水流量為35.6 L/s,積水量為0.9 m3。定義“積水時間”為從開始積水到積水高度為20 cm所需要的時間,以表征排水系統(tǒng)在超過設計排水流量情況下的臨時收納能力;排放時間為排除20 cm高度積水所需要的時間,以表征排水系統(tǒng)在降雨停止后的自我恢復能力。兩種系統(tǒng)的積水時間和排放時間見表2。