CN108331131B - 一种避免城市排水管道入流通气竖井井喷的装置 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种避免城市排水管道入流通气竖井井喷的装置，由钢结构预埋件、开90度合页装置、半球形中空开孔橡胶球、弹簧、错位排气栏栅等组成。当管道内的滞留气团在竖井下部出口部位聚集引发压差出现井喷现象时，含气水流向上冲击橡胶半球，利用弹簧与橡胶半球的弹性势能大幅度地削减含气水流的动能，之后水流从不规则孔洞进入球体并在球体内部相互撞击实现对冲消能，同时水中所含气团与水柱分离开来并从橡胶半球上表面的孔洞排出。排出的气团经错位排气栏栅分割成小气团由竖井上部井盖排出。

Description

一种避免城市排水管道入流通气竖井井喷的装置

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，特别是涉及一种避免城市排水管道入流通气竖井井喷的装置，适用于城市下水道容易发生井喷的竖井。

背景技术

城市下水道竖井一般主要承担输水管道排气的作用，防止管道中含气量过大，气团淤积导致压力不均引发事故。当城市降雨量较小时，下水道管道中的流量较小，气体排出比较方便，一般不会出现气团的滞留淤积，水体与气体之间不容易引发压强差，管道运行比较安全；而当城市降雨量较大时，下水道管道中的流量较大，雨水中夹杂的小气团会在管道内不断滞留淤积，逐渐汇集形成大气团。随着管道中的流量越来越大，这种滞留的大气团在水压的作用下被水流带到竖井口，此时竖井口处下部的水压较大，而上部由于大气团的聚集压强变得很小，从而引发较大压强差，发生“gyser”(间歇泉)现象，即大量水体随着气团经竖井上涌喷出地面的事故现象。事故中冲出的井盖与几十米高度的水柱将严重威胁道路的交通安全与行人的生命财产安全。由于城市下水道管道中水流状态的复杂性与竖井结构特征的固定性，目前还没有采取有效的措施来避免发生该类事故。

该现象中几十米水柱是在压强差的作用下随着大气团冲出竖井的，因此如何将管道中滞留淤积的大气团分割成小气团并成功排出下水道是解决该问题的关键。在产生现象之前预先分割气团排气需要借助大量的抽气装置，否则很难达成理想的效果，成本太大，检修困难。

目前，针对“gyser”(间歇泉)现象，由于城市下水道管道中水流状态与气体状态的复杂性以及竖井结构特征的固定性，世界上许多国家还没有大范围采取有效的措施来避免发生该类事故。不仅如此，若想在发生现象之前成功做到预先分割气团并排气需要借助大量的抽气装置与排气设备，否则很难达成理想的效果，不仅成本太大，检修也比较困难。设计一种避免城市排水管道入流通气竖井井喷的装置，就成为亟待解决的技术问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种避免城市排水管道入流通气竖井井喷的装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的避免城市排水管道入流通气竖井井喷的装置，包括安装在合页装置下的半球形橡胶球，所述半球形橡胶球通过弹簧与合页装置连接，所述半球形橡胶球为中空且具有一定厚度的壳体结构，所述半球形橡胶球表面具有一定数量的孔洞结构，所述半球形橡胶球上表面固定有推力杆，用于启闭错位排气栏栅。

具体地，所述合页装置开度为90度，一方面用于承担来自下部的推力，另一方面用于后期的部件更换与检修。

具体地，所述弹簧具有较大圈径、较大线径及较大弹性模量，用于增大弹性势能。

具体地，所述半球形橡胶球表面的孔洞分布不规则，用于含气水流不同方向与角度的进入以及气体同水体的分离与排出；所述半球形橡胶球上表面的孔洞直径小于曲面上的孔洞直径，有利于将大气团分散成较小的气团排出同时减小水体的溢出速度。

具体地，所述错位排气栏栅结构分上下两部分构成，上半部分固定于竖井的边壁，为柱状结构高50公分，下半部分通过推力杆与半球形橡胶球相连，发生井喷现象时，下半部分随半球形橡胶球上升与上半部分组合成间隙较小的排气栏栅，用于进一步分割气团为小气团。

本发明同时提供上述针对城市下水道竖井消能排气装置的工作方法，当大气团在竖井下部出口处聚集时，由于压差的作用气团挟水体上涌，冲击自然状态的半球形橡胶球引发半球形橡胶球与弹簧的弹性变形，利用二者的弹性势能抵消水体的动能，气体与水体从不规则孔洞进入半球形橡胶球，由于入射角度与方向不同，水体相互撞击达到二次消能，在此过程中，气团与水体分离通过半球形橡胶球上表面的孔洞分割排除，同时，错位排气栏栅在推力杆的作用下组合成小间隙排气栏栅，气团上升经过进一步的分割成为小气团排出竖井。

发明原理：气团体积越小，引起的压强差越小，水体随气团上涌的动力就越小。但单独将气团分割排出的难度太大，气团自然与水体脱离的难度也太大。因此，本设计中利用弹簧与开孔半球形橡胶球这样的消能组合结构，在消能缓冲的同时进行气团分割与排气，能有效地做到气团与水体分离。本设计以消能缓冲为辅助，以分离、分割气团与排气为主要措施。

当降雨量较大时，下水道管道中的滞留大气团在竖井下部出口处淤积，在较大压强差的作用下，气团会挟水体上涌，继而冲击处于自然状态的半球形橡胶球，引发半球形橡胶球与弹簧的弹性变形，利用二者的弹性势能抵消水体的部分动能，气体与水体从不规则孔洞进入半球形橡胶球，由于入射角度与方向不同，水体相互撞击达到二次消能，在此过程中，气团与水体分离通过半球形橡胶球上表面的孔洞分割并排除，同时，组合传动式错位排气栏栅在推力杆的作用下组合成小间隙排气栏栅，气团上升经过进一步的分割成为小气团排出竖井。

有益效果：本发明使用半球形中空开孔半球形橡胶球与错位排气栏栅结合分割气团与排气，利用半球形橡胶球与弹簧结合进行一定程度的消能。在消能的同时进行排气，可以有效地防止发生井盖冲毁与水体冲出地面的事故。此外，“gyser”(间歇泉)现象具有连续性，本发明中所涉装置的恢复能力强，复位速度快，能迅速地准备下一波的防御。

本发明有效解决了在城市下水道排水过程中，由于滞留大气团的聚集作用，水体与气团在竖井下部出口处产生较大压强差，发生“gyser”(间歇泉)现象，即大量水体随着气团经竖井上涌喷出地面的事故现象。这对城市道路交通安全和行人生命财产安全的保障具有十分重要的意义。

除以上所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点做更为清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在其基础上未经创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

附图说明

图1为现有的城市下水道管道竖井结构示意图；

图2为本发明的下水道竖井消能排气结构示意图；

图3是图2中半球形橡胶球结构俯视图；

图4是图2中半球形橡胶球结构剖面图；

图5是图2中组合式错位排气栏栅上下两部分的俯视图；

图6是图2处于工作状态时的组合式错位排气栏栅俯视图；

图7是图2处于非工作状态时的正视图；

图8为图2处于工作状态时的正视图；

图中：下水道竖井1，下水道管道2，开90度合页装置3，锚固钢结构4，弹簧5，半球形橡胶球6，推力杆7，组合式错位排气栏栅8，橡胶球上表面开孔9，橡胶球侧面开孔10。

具体实施方式

实施例：

本实施例的用于针对城市下水道竖井消能排气装置如图2所示，针对直径小于1米，深度约5～10米的市政排水管道，4项对称分布的开90度合页装置3下分别固定着具有较大圈径、较大线径及较大弹性模量的弹簧5，弹簧5下连接有一个半球形橡胶球6，二者可以同时工作实现同步消能，其中，半球形橡胶球6的上表面开孔9的孔径小于与侧面开孔10的孔径，有利于将大气团分散成较小的气团排出同时减小水体的溢出速度；半球形橡胶球6上部固定一根推力杆7，推力杆7与组合式错位排气栏栅8的下半部分固定在一起，组合式错位排气栏栅8的上半部分固定于下水道竖井1的边壁，发生井喷现象时，组合式错位排气栏栅8的下半部分随半球形橡胶球6上升与上半部分组成间隙较小的排气栏栅，用于进一步分割大气团为小气团。

半球形橡胶球6的开孔分布位置与孔径如图3、图4所示，半球形橡胶球6侧面的孔洞分布不规则，上涌的水流从不同方向与角度的入射，水柱在半球体内部相互撞击对冲实现二次消能；半球形橡胶球6的上表面开孔9的孔径小于与侧面开孔10的孔径，目的是减缓水流的溢出速率从而实现气团与水体的分离，同时方便大气团分散为小股气团溢出半球形橡胶球6。

组合式错位排气栏栅8的构成形式如图5、图6所示，以暴雨天气城市下水道排水过程为例，说明在竖井中设置有半球形橡胶球6与弹簧组合消能装置以及组合传动式错位排气栏栅的工作原理和效果。当上涌水流不断冲击半球形橡胶球6，弹簧具有一定的压缩量，推力杆随着半球形橡胶球6上升一段距离，即弹簧从拉伸状态到压缩状态长度的变化量，该距离大于组合式错位排气栏栅8装置上下两部分的安装距离。因此，在工作状态下，组合式错位排气栏栅8会形成间隙很小的排气缝，用以进一步分割气团。

当下水道管道2内的滞留气团在竖井1下部出口部位聚集引发压强差出现“gyser”(间歇泉)现象时，含气水流上涌并冲击半球形橡胶球6，利用弹簧5与半球形橡胶球6的弹性势能大幅度地削减含气水流的动能，此为一次消能；之后水流从侧面不规则孔洞10进入球体并在球体内部相互撞击实现对冲消能，此为二次消能。在消能与孔径变化的影响下，水流的溢出速度会得到较大的削减，同时水中所含气团与水柱分离开来并从半球形橡胶球6上表面的孔洞9分散排出。排出的气团继续上升又经错位排气栏栅8分割成更小的气团从竖井上部井盖排出。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种避免城市排水管道入流通气竖井井喷的装置，其特征在于：包括安装在竖井内的铰链和半球形橡胶球，所述半球形橡胶球通过弹簧与铰链连接，所述半球形橡胶球内部中空，是由朝向竖井内部的半球壁以及上表面的顶壁组成的壳体结构，所述壳体表面开设有若干孔洞，所述顶壁固定有推力杆，所述推力杆用于启闭错位排气栏栅。

2.根据权利要求1所述的避免城市排水管道入流通气竖井井喷的装置，其特征在于：所述铰链是具有90°开度的合页装置，所述合页装置的一端与竖井内的钢结构预埋件固定连接，另一端与半球形橡胶球联接。

3.根据权利要求2所述的避免城市排水管道入流通气竖井井喷的装置，其特征在于：所述合页装置是在半球形橡胶球的周向上均匀布置的四个。

4.根据权利要求1所述的避免城市排水管道入流通气竖井井喷的装置，其特征在于：所述孔洞在壳体表面不规则分布，用于含气水流不同方向与角度的进入壳体内撞击消解以及气体同水体的分离与排出；顶壁上的孔洞直径小于半球壁上的孔洞直径，在将大气团分散成较小的气团排出同时减小水体的溢出速度。

5.根据权利要求1所述的避免城市排水管道入流通气竖井井喷的装置，其特征在于：所述错位排气栏栅结构包括上半部分和下半部分，上半部分是固定于竖井的边壁的柱状结构，下半部分通过推力杆与半球形橡胶球相连，发生井喷现象时，下半部分随半球形橡胶球上升与上半部分组合成间隙较小的排气栏栅，用于进一步分割气团为小气团。

6.根据权利要求1所述的避免城市排水管道入流通气竖井井喷的装置的工作方法，其特征在于：当大气团在竖井下部出口处聚集时，由于压差的作用气团挟水体上涌，冲击自然状态的半球形橡胶球引发半球形橡胶球与弹簧的弹性变形，利用二者的弹性势能抵消水体的动能，气体与水体从不规则孔洞进入半球形橡胶球，由于入射角度与方向不同，水体相互撞击达到二次消能，在此过程中，气团与水体分离通过半球形橡胶球上表面的孔洞分割排除，同时，错位排气栏栅在推力杆的作用下组合成小间隙排气栏栅，气团上升经过进一步的分割成为小气团排出竖井。