CN105863031A - 一种高效雨水跌水弃流集水装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效雨水跌水弃流集水装置，它包括有井室、雨水进水管、弃流管、出水管和堰板，雨水进水管和出水管相对地安装在井室内壁上，雨水进水管位于井室内壁上部，出水管位于井室内壁下部，在雨水进水管与出水管之间的井室底面上竖直设立有堰板，堰板高度低于雨水进水管底部标高、高于出水管顶部标高，堰板中部顶端装有铰链式翻转挡板，铰链式翻转挡板靠出水管的一边上连接有两个浮球；在雨水进水管下方的井壁上装有橡胶缓冲装置。本发明具有如下的优点：实现了初期雨水与中、后期雨水完全分离，对间隔时间较短的两场雨不弃流，实现连续收集，并能涵养水源、保持地下水位，能够充分利用雨水。

Description

一种高效雨水跌水弃流集水装置

技术领域

本发明涉及一种雨水收集装置，具体涉及一种雨水跌水弃流集水装置。

背景技术

理想的雨水分流井满足以下条件：

1.在降雨初期的一段时间内进入分流井的雨水，水质较差，直接从出水管流出分流井，不进入收集管道，即分流井应当具有雨水的初期弃流功能；

2.在一场降雨中把一定量水质量较优的雨水收集起来，通过收集管道流入储水池，即分流井应当具有雨水的分流功能；

3.水池蓄满后,水位达到一定标高,分流井进入溢流状态,溢流水从出水管排出，即分流井应当具有溢流水的排出功能；

4.出水管应当具有接纳初期雨水和溢流雨水双重功效，且初期雨水的排水对区域的排水管线不应有特殊的技术要求，否则，排水管线的布置成本将会大大提高；

5.应避免因分流井造成的水流改变而需要增设新的雨水检查井，施工成本和难度较高；

6.分流井在降雨过程的工作状况能方便地实现自动转换；

7.在降雨过程中，应当有适当的措施避免下游管道淤泥堵塞；

8.中后期雨水收集利用率仍有待提高。

中国专利文献CN 103422566 A于2013年12月4日公开了一种多功能分流井，它将密封的井体用“Y”形隔板分为进水区、集水区和出水区，各分区对应安装有进水管、集水管和出水管，该第二隔板高度低于第一隔板、第三隔板和井壁，第一隔板下方与井底接触处开有污水口。该专利实现了初期弃流、分流、溢流水排出、清淤等功能，不需设置雨水检查井，且对区域的排水管道设置没有特殊要求。

该专利的不足之处在于：1、初期雨水与中、后期雨水未进行彻底分离，不利于初期雨水的后续处理；2、对间隔时间较短的两场雨水仍有弃流，不能连续收集雨水；3、未考虑采用涵养水源、保持地下水位的方式以提高雨水收集利用率，并减轻城市洪涝事故。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种高效雨水跌水弃流集水装置，它能够实现初期雨水与中、后期雨水完全分离；对间隔时间较短的两场雨水不弃流，实现连续收集，并能涵养水源、保持地下水位，能够充分利用雨水，减轻暴雨时城市雨水管网的排洪压力，减少内涝的发生。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括有井室、雨水进水管、弃流管、出水管和堰板，雨水进水管和出水管相对地安装在井室内壁上，雨水进水管位于井室内壁上部，出水管位于井室内壁下部，在雨水进水管与出水管之间的井室底面上竖直设立有堰板，堰板高度低于雨水进水管底部标高、高于出水管顶部标高；

在被堰板分隔的雨水进水管一侧的井室底部、与雨水进水管正交的井室内壁上设置有弃流管；堰板中部顶端装有铰链式翻转挡板，铰链式翻转挡板靠出水管的一边上连接有两个浮球；在雨水进水管下方与铰链式翻转挡板相对的井壁上装有橡胶缓冲装置；

井室底面从上到下依次设有透水面层、透水结构层、砂垫层、级配砂石基础垫层和渗透到土层。

本发明的工作原理是：降雨初期，雨水进水管流出的抛物线形射流被堰板阻隔，从弃流管流出，随着降雨过程径流量的增大，抛物线射流越过堰板，水位慢慢上升，雨水从出水管流出后被收集利用。浮球上升，推动铰链式翻转挡板的顶部旋转到橡胶缓冲装置，弃流管入口被关闭。

随着降雨量的减少，在井筒残余水量对浮球的施力作用下，弃流管入口仍被关闭，后期雨水通过铰链式翻转挡板的中间凹槽引流到出水管中，后期雨水被收集利用。随着雨量的停止，井室的水位慢慢下降，剩余水量通过透水面层渗透到透水结构层、砂垫层、级配砂石基础垫层，最后渗透到土层，在浮球的重力作用下而使铰链式翻转挡板下拉，铰链式翻转挡板绕铰支座转动至原始位置。

所以本发明具有如下的优点：实现了初期雨水与中、后期雨水完全分离，对间隔时间较短的两场雨不弃流，实现连续收集，并能涵养水源、保持地下水位，能够充分利用雨水。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的俯视图；

图2为图1中1-1的剖视图；

图3为图1中2-2的右侧剖视图；

图4为图1中2-2的左侧剖视图；

图5为射流抛物线参数的标注图；

图6为铰链式翻转挡板的临界状态的受力分析图。

图中：1.雨水进水管；2.弃流管；3.出水管；4.橡胶缓冲装置；5.堰板；6.筒壁；7.铰链式翻转挡板；8.浮球；9.底部透水面层；10.透水结构层；11.砂垫层；12.级配砂石基础垫层；13.土层；14.爬梯；15.井室；16.流槽；17.格栅。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、图2、图3和图4所示，本发明包括有井室15、雨水进水管1、弃流管2、出水管3和堰板5，雨水进水管1和出水管3相对地安装在井室15内壁上，雨水进水管1位于井室内壁上部，出水管3位于井室内壁下部，在雨水进水管1与出水管3之间的井室15底面上竖直设立有堰板5，堰板5高度低于雨水进水管1底部标高、高于出水管3顶部标高；

在被堰板5分隔的雨水进水管1一侧的井室底部、与雨水进水管1正交的井室内壁上设置有弃流管2；堰板5中部顶端装有铰链式翻转挡板7，铰链式翻转挡板7靠出水管3的一边上连接有两个浮球8；在雨水进水管1下方与铰链式翻转挡板相对的井壁6上装有橡胶缓冲装置4；

井室15底面从上到下依次设有透水面层9、透水结构层10、砂垫层11、级配砂石基础垫层12和渗透到土层13。

铰链式翻转挡板7与堰板5的连接处设置有橡胶垫圈，保证铰链式翻转挡板挡板关闭弃流管入口时，连接处的密闭性，有效收集后期雨水。如图1所示，铰链式翻转挡板7中心部为弧形凹槽，凹槽与雨水进水管1的1/3弧长相同，保证水流在凹槽中间流。

如图3和图4所示，在雨水进水管1的出水口和出水管3的进水口处设置有格栅17，以拦截大块污染物，并定期从爬梯14进入井室15进行清理，便于收集干净的雨水。如图1和图3所示，井室15底部设置流槽16，流槽16两侧具有一定的坡度，流槽流向出水管3的一端为收缩口，防止出现死水区域。井室15中两个爬梯14的中心的水平间距为350mm，竖直间距为300mm。

出水管3的底部标高大于透水面层9的标高，且等于铰链式翻转挡板7完全关闭弃流管入口时，浮球8底端所处的标高。

堰板5与雨水进水管1的水平距离和堰板的高度根据雨水进水管的管径和坡度而定；当雨水进水管管径确定时，根据不同的坡度以及季节(针对不同雨型)，可以适当调整堰板5的高度，保证前期雨水弃流量。但堰板5可调最低的高度比出水管3管顶高。浮球8与铰链式翻转挡板7相接的连杆是能伸缩的，配合堰板5的调节高度。

堰板5与雨水进水管1的水平距离和堰板5的高度计算，如图5所示：

射流抛物线外曲线方程：X＝0.36v^2/3+0.6y^4/7

射流抛物线内曲线方程：X＝0.18v^4/7+0.7y^3/4

式中v—雨水进水管中的流速(m/s)；

X—射流抛物线上任一点的横坐标(m)；

y—射流抛物线上任一点的纵坐标(m)；

公式适用条件：雨水进水管直径D≤3m，雨水进水管坡度i<0.025,流速v＝0.3～3m/s,雨水进水管通过最大初期雨水弃流量时的水流深度小于0.35m，内曲线纵坐标为0.15m，外曲线的纵坐标小于1.5m。

实施例

以重庆沙坪坝区为例，其暴雨强度公式

式中q表示设计暴雨强度(L/s·ha)，t表示降雨历时(min)，P表示设计重现期(年)。按照经验，一般建筑密度大、地形较陡、雨水口分布较密的地区和街区内设置的雨水管，宜采用较小的地面集水时间t₁值，可取t₁＝5～8min，本设计中取t₁＝8min，管内雨水流行时间式中L表示雨水管长、v表示雨水流速。根据经验t₂取5min，则t＝t₁+t₂＝13min，当两年一遇的频率计算暴雨强度q＝287.58(L/s·ha)，无资料时，屋面顶初期弃流的雨水径流厚度采用2～3mm，地面弃流采用2～5mm。根据重庆市沙坪坝区的情况，根据经验取ψ＝0.8；若汇水面积F＝1ha，则雨水进水管的雨水设计流量为Q＝ψqF＝230.06L/s式中ψ表示径流系数，q表示设计暴雨强度(L/s·ha)，F表示汇水面积(hm²)，雨水进水管采用HDPE，粗糙系数为0.009，按照雨水进水管满流计算得：

雨水进水管管径DN1＝400mm，雨水进水管的雨水设计流速v＝1.83m/s，雨水进水管设计坡度i＝5.849‰。

弃流雨水取初期10min，弃流量Q’＝230.06×10/13＝176.97L/s。弃流管2采用HDPE，粗糙系数为0.009，按照弃流雨水管满流计算得：弃流管管径DN2＝350mm，弃流管雨水设计流速v＝1.84m/s，弃流管设计坡度i＝7.055‰。

由于弃流管弃流的初期雨水量并未达到峰值，所以为了安全起见，出水管3的管径＝雨水进水管1管径＝450mm。计算出水管的相对尺寸如下：

进水管管顶标高H₀＝±0.000m，进水管管底标高H₁＝-0.450m。取进水管出口与外管壁的距离L₅＝100mm，进水管出口与堰板的水平距离L₆＝350mm，根据射流公式X＝0.18v^4/7+0.7y^3/4，计算得进水管内射流曲线的纵坐标y＝53mm，则翻转挡板顶部标高H₇＝-0.503m。

铰链式翻转挡板7翻转的角度为30°计算得挡板长度L＝300/sin30°＝600mm，取挡板厚度30mm，则堰板顶部标高H₂＝-1.103m，保证中后期雨水按满流且安全，出水管顶部标高H₃＝-1.303m，则出水管底部标高H₄＝-1.753m。

根据铰链式翻转挡板7关闭弃流管入口时的几何关系，可以计算得铰链式翻转挡板顶端到浮球底端的总长度为{[-0.503-(-1.753)]-0.6×(1-cos30°)}/cos30°＝1.35m。则井室透水面层标高H₅为-1.800m。弃流管的管底标高H₆控制在-1.800～1.753m之间即可。将y＝0.000-(-1.800)＝1.800m带入射流公式X＝0.36v^2/3+0.6y^4/7得X＝1.300m。取安全距离300mm，所以井室的长度L₄＝100+1300+300＝1700m。堰板到出水管井壁的距离L₃＝1700-50-350-50-50＝1250mm，井室宽度E3＝50+150+450+150+50＝850mm。井室上部尺寸进水管到井口的水平距离L₁＝700mm，出水管到井口的水平距离L₂＝500mm。根据铰链式翻转挡板采用的材料是HDPE塑料，资料得ρ＝0.941～0.965g/cm³，取0.950g/cm³。近似计算得挡板塑料质量m₁＝0.950×60×3×45＝7695g，浮球采用加工黄铜，密度是8.5-8.8g/cm³，取8.5g/cm³。

如图6所示，后期降雨变小即将停止时(即浮球的浮力F＝0)，铰链式翻转挡板7的临界状态的受力分析：

G₂×Lsin30°/2＝G₁×(H₂-H₄)/tan30°(式中G2表示翻转挡板的重力，G1表示两个浮球的重力)

计算得两个浮球总重力G₁＝8.71N。

根据球体公式S＝4πR²，G＝ρVg＝nρ₁Seg，式中S表示球的表面积，R表示球的半径，G表示球的重力，ρ表示球的密度，e表示球的厚度，g表示重力加速度)取球厚度e＝10mm，球的个数n＝2，计算得浮球半径R＝0.064m。保证浮球的半径大于0.064m，保守取值65mm。

校核：球体在水深为120mm时所受浮力为F＝ρVg>浮球重力＝8.71N，满足条件。

井室的透水面层厚度取100mm，透水结构层取150mm，砂垫层100mm，级配砂石基础垫层取200mm。井室固定存水量为1.250×0.75×0.05＝0.047m³(保守计算)。设计渗水时间为6小时，则保证渗透系数为略大于等于2.31×10^-4cm/s。

本发明具有如下的优点：1、适用于山地城市或者坡度较大的地区，它在起到将初期雨水与中、后期雨水分流的作用的同时，还起到了消能的作用；2、提高了干净雨水收集率，克服了现有技术不能收集后期雨水的弊端；3、实现了雨水分流的机械自动控制，不需附加能源。4、当雨量过大时，仍然具有溢流能力，从堰板的上方进行溢流，改变了以往雨水井溢流时水质较差的缺点，而是渗透中后期干净的雨水，有益于环境的保护，有效补给地下水位。5.利用中后期雨水的下渗后井中水位的降低来控制弃流管上的前端内置铁块挡板，间隔时间较短的两场雨，不存在初期较脏雨水的情况，本发明仍然是关闭状态，可以达到不弃流，连续收集的目的。符合海绵城市的设计理念。

Claims (5)

1.一种高效雨水跌水弃流集水装置，包括有井室（15）、雨水进水管（1）、弃流管（2）、出水管（3）和堰板（5），其特征是：雨水进水管（1）和出水管（3）相对地安装在井室（15）内壁上，雨水进水管（1）位于井室内壁上部，出水管（3）位于井室内壁下部，在雨水进水管（1）与出水管（3）之间的井室（15）底面上竖直设立有堰板（5），堰板（5）高度低于雨水进水管（1）底部标高、高于出水管（3）顶部标高；

在被堰板（5）分隔的雨水进水管（1）一侧的井室底部、与雨水进水管（1）正交的井室内壁上设置有弃流管（2）；堰板（5）中部顶端装有铰链式翻转挡板（7），铰链式翻转挡板（7）靠出水管（3）的一边上连接有两个浮球（8）；在雨水进水管（1）下方与铰链式翻转挡板相对的井壁（6）上装有橡胶缓冲装置（4）；

井室（15）底面从上到下依次设有透水面层（9）、透水结构层（10）、砂垫层（11）、级配砂石基础垫层（12）和渗透到土层（13）。

2.根据权利要求1所述的高效雨水跌水弃流集水装置，其特征是：铰链式翻转挡板（7）与堰板（5）的连接处设置有橡胶垫圈，铰链式翻转挡板（7）中心部为弧形凹槽。

3.根据权利要求2所述的高效雨水跌水弃流集水装置，其特征是：雨水进水管（1）的出水口和出水管（3）的进水口处设置有格栅（17）。

4.根据权利要求2所述的高效雨水跌水弃流集水装置，其特征是：井室（15）底部设置流槽（16），流槽（16）两侧具有坡度，流槽流向出水管（3）的一端为收缩口。

5.根据权利要求2所述的高效雨水跌水弃流集水装置，其特征是：井室（15）底部标高低于出水管（3）的底部标高。