CN111705841A - 一种减免排水竖井井喷的井盖结构及其响应方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种减免排水竖井井喷的井盖结构及其响应方法，竖井连通地面大气与地下管道，井盖组件设置于竖井顶部，所述井盖组件为一端带有平板的锥体，使用时所述平板水平放置，与地面平齐。所述井盖组件包括井盖空腔、井盖空腔底面平板的中心处的中孔、锥体表面的多个通气孔以及安装组件，安装组件包含开启孔、限位措施和井盖支座。所述限位措施限制井盖自动打开最大角度；所述井盖通过井盖支座固定于地面，井盖支铰固定于所述井盖支座上，井盖外缘设置井盖肋板，所述井盖肋板设置“S”型肋板轨道，所述井盖支铰在肋板轨道内滑动。该结构预设多级减免竖井井喷功能和应急措施，自动应对和减免突发井喷事故，安全可靠，使用方法便捷安全可靠。

Description

一种减免排水竖井井喷的井盖结构及其响应方法

技术领域

本发明属于市政工程和水利工程技术领域，具体涉及一种减免排水竖井井喷的井盖结构及其响应方法。

背景技术

管道水流广泛存在于人们的生活和生产中，如城市下水管网、水电站输（取水）建筑物等，受水流重力作用，这些管道往往是水平放置的。出于排水（气）或作为检修通道目的，在水平管道上常常设有竖直的通道，亦称为“竖井”。

在城市市政管网中，具有大量的作为检修通道的竖井，竖井连通地下排水管网和地表大气，亦具有集水、排水、排汽等功能，通常情况下这些竖井均由井盖封住，检修时打开。一般而言，城市排水管网系统水流流态设计为具有自由水面的无压流动，当经历短时暴雨时排水管网流量急剧增加，部分管内流动由重力流动转变为有压流动，在坡度变化或支管汇流处容易形成体积较大的截留气囊，截留气囊在管网内随水流运移，经过竖井处气压释放，同时引起竖井处主管道内水流压力剧烈波动、水气掺混、波动增强，气压较大时冲开井盖并沿管道上升喷出，形成水柱或水气混合物射流，产生“井喷”现象。井喷射流高度可达地面以上十几到二十几米，持续时间从秒量级到几十秒量级，系列井喷持续时间长达几分钟。井喷不仅能够产生较大瞬时压力，诱发管道振动甚至结构失效等问题，还可能掀飞竖井井盖，危害行人和车辆安全；对于雨污合流排水管道，井喷导致的局部洪水将造成环境污染等问题。特别是近年来极端恶劣天气频繁，极易形成城市短时强降雨灾害，城市下水管道排水竖井井喷事故发生的频率也在上升。因此，需要采取措施减免竖井井喷现象的发生，确保公共安全。

目前，国内外关于减免城市管网竖井井喷方法的研究尚少。归纳而言，目前已提出的减免措施主要有以下几种：（1）增大竖井管径，研究认为增加竖井管径（至与主管道尺度相同）可以减小井喷发生时的瞬时极值压力；（2）水气在井盖下方设置缓冲结构，如弹性支承的橡胶球或折流板等水气。

发明内容

发明目的：本发明旨在提出一种减免排水竖井井喷的井盖结构，并进一步提出该井盖结构的设计方法，用以限制和打破竖井井喷发生的根本条件，最大限度避免井喷现象发生，若井喷不可避免发生后，采用技术措施抑制并减免井喷发生时所形成的喷射水流，达到水气分离的目的，确保不发生井喷事故。

技术方案：一种减免排水竖井井喷的井盖结构，包括连通地面大气与地下管道的竖井，以及设置于所述竖井顶部的井盖组件；所述井盖组件包括井盖结构和其安装组件。

在进一步的实施例中，所述井盖结构为带有空腔的倒锥体，所述倒锥体底面为一平板组件为一端带有平板的锥体，使用时所述井盖结构的平板水平放置，与地面平齐，锥体顶端朝下。所述井盖结构制作材料为铸铁、塑料、混凝土或合成材料，重力为G。所述井盖空腔腔体中心剖面形状为倒置等腰三角形，所述等腰三角形底角小于60°，设置为30°~50°，此时井盖可自由打开而不碰到竖井壁面；所述井盖空腔四周开有众多通气孔和临时检修孔，连通底面与竖井内部。所述井盖组件包括井盖空腔，开设在所述井盖空腔底面平板的中心处的中孔，以及绕所述中孔阵列排布的多个通气孔。所述通气孔亦可汇流，孔径设置为1cm~5cm；所述中孔位于锥体底板中心，孔顶设置一顶盖，该顶盖一端铰支，另一端卡入卡槽内，在井盖空腔内压力较大时可自动打开。

在进一步的实施例中，所述中孔的直径大于通气孔，所述中孔的直径介于井盖直径的1/10~1/20。

在进一步的实施例中，所述井盖空腔的侧面开多个通气孔，该通气孔的开孔轴线方向与壁面垂直，该组通气孔连通所述井盖空腔与竖井内部；所述井盖空腔的锥体顶点处竖直开孔。

在进一步的实施例中，所述井盖空腔的侧面通气孔总面积略大于其地面平板通气孔总面积。

在进一步的实施例中，所述井盖通过井盖支座固定于地面，井盖支铰固定于所述井盖支座上，井盖外缘设置井盖肋板，所述井盖肋板设置“S”型肋板轨道，所述井盖支铰在“S”型肋板轨道内滑动。即井盖水平时井盖支铰位于肋板轨道的一侧，井盖打开过程中井盖支铰可沿肋板轨道滑动，井盖垂直地面位置时井盖支铰移动至肋板轨道的另一侧，此时井盖被固定于竖井一侧；反之，井盖关闭时，上提井盖，然后井盖支铰滑随肋板轨道滑动。

在进一步的实施例中，所述井盖上侧设有开启孔；支座支铰另一端井盖肋板底部设置限位软绳，所述限位软绳通过活动挂钩固定于软绳支座，软绳长度完全张开时限位井盖最大打开范围为15°~45°，若需要完全打开，只要放开软绳挂钩即可。

在进一步的实施例中，所述井盖组件包括井盖基座，对称焊接在所述井盖基座两侧壁的加强筋，以及转动设置在所述井盖基座内部的两片翻板；两个加强筋分别形成用于连接驱动连杆的驱动部和用于连接翻板的从动部；所述翻板包括转动轴和半圆形的板体，两半圆形的板体闭合时完全覆盖井盖基座内部，所述转动轴和板体之间还设有多个与转动轴的轴线互称90°的加强板；所述驱动连杆包括分别与两个翻板的转动轴过盈配合连接的第一连杆和第二连杆，以及铰接在所述第一连杆和第二连杆之间的第三连杆，所述第一连杆、第二连杆、第三连杆的长度之比为1：1：2。

一种减免排水竖井井喷的井盖结构的设计原理，包括针对以下三种情景的响应：

S1、设计第一级水气分离：当井喷高度低于井盖底部时，此时竖井内与地面大气压压差通过井盖通气孔连通平衡压差；

S2、设计第二级水气分离：当井喷高度接触到井盖，且冲击力不足以平衡井盖重量时，所喷射水气混合物碰撞井盖，部分水气混合物落回地下管道，另一部分通过通气孔进入井盖空腔，气液分离后液体通过通气孔亦回落至地下管道，多余气体依据当地气压高低排出或吸入，此为第一级水气分离；若水气混合物进入井盖空腔内后仍有大量能量，继续喷射到达井盖顶板或空腔满溢，此时井盖空腔内水气混合物不仅通过空腔锥体侧面分离，亦通过井盖顶板通气孔溢出地面，水流冲击或气压大于中孔顶盖打开的临界压力时，中孔顶盖打开，增大水流溢出通道；

S3、设计第三级水气分离：当井喷强度足够大，喷射冲击力冲开井盖时，由于限位软绳作用，井盖打开较小的角度，大大增加喷射混合物通道面积，在第二阶段水气分离的基础上，大量气体溢出，从而削减井喷强度。

在进一步的实施例中，井盖打开和关闭时包括以下步骤：打开井盖时，提拉井盖把手至井盖脱离地面，脱掉限位软绳挂钩，继续提拉井盖至垂直地面位置，此过程中井盖在自重作用下井盖支铰从肋板轨道一端滑动至另一端，卡在支座内并固定；关闭井盖时，上提井盖，井盖支铰随肋板轨道滑动，与打开流程相反。

有益效果：

1.本发明井盖结构能较大程度抑制形成竖井井喷发生的必要条件，最大限度避免井喷现象发生，若井喷不可避免发生后，通过多级水气分离和大通道释放压力，坦化形成竖井井喷的驱动压力极值，从而削弱井喷强度或抑制井喷发生：具体地，本发明井盖结构设置多级通道连通地下管道与地面大气，平衡竖井和地下管道内的非恒定气压，一方面提前平衡管道内气压，坦化形成井喷现象的驱动压力差极值，减小井喷形成的可能性，另一方面井喷形成后，最大能力分级分离水气混合物，同时避免井盖“飞起”或完全打开，确保安全；而现有城市下水管竖井井盖直接采用实体井盖封闭，且多数井盖为单独体（未固定），竖井和地下管道内气压不稳定，波动较大，发生井喷现象的可能性较大，且井喷强度较大时容易出现井盖“飞起”危害。

2.本发明井盖结构设置多级水气分离措施，自动分级应对不同强度的井喷现象，井喷现象一旦形成，高效分离水气混合物中气体，多通道释放分离物，缓解和坦化喷射水柱对井盖的冲击压力，可有效抑制和弱化已形成的井喷强度，同时减小地下管道内非恒定气压与大气压差，抑制不利流态的恶化循环。

3.本发明井盖结构基于杠杆平衡原理，通过合理设计井盖自重，人为设定第三级水气分离设施启用条件，在高强度井喷发生时大通道释放喷射混合物，最大程度免除危害，可为不同情景下的井喷现象量身定做。

4.本发明井盖结构提出的“S”型肋板轨道，可在完全打开井盖时临时固定井盖，提拉后松动并自动释放约束而闭合井盖，方便正常检修作业。

附图说明

图1为减免竖井井喷的井盖结构安装剖面图。

图2为减免竖井井喷的井盖结构安装俯视图。

图3为实施例一中井盖结构及安装方法示意图的剖面图。

图4为实施例一中井盖结构及安装方法示意图的俯视图。

图5为实施例一中井盖结构和工作原理细部图。

图6为实施例二中井盖结构示意图。

图中各附图标记为：地面1、地下管道2、竖井3、井盖4、截留气囊5、井盖空腔6、井盖底座7、井盖支座8、井盖支铰9、井盖肋板10、肋板轨道11、通气孔12、中孔13、井盖把手14、限位软绳15、软绳支座16、软垫17、井盖基座18、驱动部19、从动部20、翻板21、转动轴22、加强板23、第一连杆24、第二连杆25、第三连杆26。

具体实施方式

地下管道系统内水位和流量变化，会在管道内形成大量截留气囊，当截留气囊运移通过竖井时容易通过竖井喷发，并在竖井底板水流形成巨大压力波动和压力差，掺混的水流在压力差作用下从竖井喷出而形成井喷现象，因此压力差驱动是井喷发生的必要条件之一。若安装常规井盖，常常会发生将井盖顶飞的现象，后果不堪设想。

为此，本发明通过设计一种减免排水竖井井喷的井盖结构，该结构能够减免强降雨期城市下水管道排水竖井井喷现象，该方法不仅安装简单，易施工，不影响竖井的检修与维护，而且同时可以迁移其他排水竖井的应用，应用范围更广。

实施例一：

一种减免排水竖井井喷的井盖结构示意图见图1和图2，竖井3连通地面1大气与地下管道2，井盖4组件设置于竖井3顶部。井盖4组件的结构如图3至图5所示，主要包括以下组成部分：井盖4空腔、井盖4底座、井盖4支座、井盖4支铰、井盖4肋板、肋板轨道11、通气孔12、中孔13、井盖4把手、限位软绳15、挂钩、软垫17。所述井盖4为一带有圆形（或方形）平板的锥形体，使用时平板水平放置，与地面1平齐，制作材料一般为铸铁、塑料、混凝土或合成材料，重力为G。

所述井盖4空腔腔体形状为倒置锥体，剖面形状为倒置等腰三角形，所述等腰三角形底角小于60°，设置为30°~50°，此时井盖4可自由打开而不碰到竖井3壁面；所述井盖4空腔四周开有众多通气孔12和临时检修孔，连通底面与竖井3内部。

所述井盖4空腔底面平板开有众多阵列通气孔12及中孔13与地面1相通，所述通气孔12亦可汇流，孔径设置为1cm~5cm；所述中孔13位于锥体底板中心，直径大于一般通气孔12，约为井盖4直径的1/10~1/20；孔顶设置一检修盖，该检修盖一端铰支，另一端卡入卡槽内，在井盖4空腔内压力较大时可自动打开。

所述井盖4空腔侧面亦开有众多通气孔12，开孔轴线方向与壁面垂直，这些通气孔12连通空腔与竖井3内部；锥体顶点处竖直开孔，空腔内液体可通过这些通气孔12进入竖井3内部。

所述井盖4空腔侧面通气孔12总面积大于其地面1平板开孔总面积。

所述井盖4通过井盖4支座固定于地面1，井盖4支铰固定于井盖4支座上，井盖4外缘设置井盖4肋板，井盖4肋板设置“S”型肋板轨道11，肋板轨道11安装于井盖4支铰上，并可沿“S”型轨道滑动，即井盖4水平时井盖4支铰位于肋板轨道11的一侧，井盖4打开过程中井盖4支铰可沿肋板轨道11滑动，井盖4垂直地面1位置时井盖4支铰移动至肋板轨道11的另一侧，此时井盖4被固定于竖井3一侧（图5）；反之，井盖4关闭时，上提井盖4，然后井盖4支铰滑随肋板轨道11滑动。

所述井盖4上侧设有开启孔；支座支铰另一端井盖4肋板底部设置限位软绳15，限位软绳15通过活动挂钩固定于软绳支座16，软绳长度完全张开时限位井盖4最大打开范围15°~45°，若需要完全打开，只要放开软绳挂钩即可。

实施例二：如图6，井盖结构还可以包括井盖基座18，对称焊接在所述井盖制作两侧壁的加强筋，以及转动设置在所述井盖基座18内部的两片翻板21；两个加强筋分别形成用于连接驱动连杆的驱动部19和用于连接翻板21的从动部20；所述翻板21包括转动轴22和半圆形的板体，两半圆形的板体闭合时完全覆盖井盖基座18内部，所述转动轴22和板体之间还设有多个与转动轴22的轴线互称90°的加强板23；所述驱动连杆包括分别与两个翻板21的转动轴22过盈配合连接的第一连杆24和第二连杆25，以及铰接在所述第一连杆24和第二连杆25之间的第三连杆26，所述第一连杆24、第二连杆25、第三连杆26的长度之比为1：1：2。

本发明的工作特点和原理为：

1.井盖4设置多级水气分离措施，应对不同程度井喷强度：（a）当井喷高度低于井盖4底部时，此时竖井3内与地面1大气压压差通过井盖4通气孔12连通平衡。（b）当井喷高度接触到井盖4，且冲击力不足以平衡井盖4重量时，所喷射水气混合物碰撞井盖4，部分水气混合物落回地下管道2，另一部分通过通气孔12进入井盖4空腔，气液分离后液体通过通气孔12亦回落至地下管道2，多余气体依据当地气压高低排出或吸入，此为第一级水气分离；若水气混合物进入井盖4空腔内后仍有大量能量，继续喷射到达井盖4顶板或空腔满溢，此时井盖4空腔内水气混合物不仅通过空腔锥体侧面分离，亦通过井盖4顶板通气孔12溢出地面1，水流冲击或气压大于中孔13顶盖打开的临界压力时，中孔13顶盖打开，增大水流溢出通道，此为第二级水气分离。（c）当井喷强度足够大，喷射冲击力冲开井盖4时，由于限位软绳15作用，井盖4打开较小的角度，大大增加喷射混合物通道面积，在第二阶段水气分离的基础上，大量气体溢出，从而削减井喷强度，此为第三级水气分离。这三级水气分离措施可以应对任何不同强度的井喷现象。

2.井盖4杠杆平衡与限位措施联合使用：井盖4自重G的设计尤为重要，决定何时开启第三级水气分离措施（假设此时井喷冲击井盖4平均压力为P），根据杠杆平衡原理，井盖4重力设置为G=P；第三级水气分离措施启动后，井盖4会打开，此时为避免井盖4突然打开对地面1造成安全影响，因此设置限位措施联合使用，仅允许井盖4打开较小的通道，供水气混合物分离后流出。中孔13及其顶盖为应急自动打开顶盖措施，同时可以作为日常检修口使用，其顶盖设计方法亦可参照采用支铰和限位软绳15联合使用或其他卡扣方式，确保其在设定压力作用下可以自动打开即可。

3.井盖4打开和关闭使用方法：如图5所示，打开井盖4时，提拉井盖4把手至井盖4脱离地面1，脱掉限位软绳15挂钩，继续提拉井盖4至垂直地面1位置（90°），此过程中井盖4在自重作用下井盖4支铰从肋板轨道11一端滑动至另一端，刚好卡在支座内并固定；关闭井盖4时，与打开流程相反。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (10)

1.一种减免排水竖井井喷的井盖结构，其特征是包括：连通地面大气与地下管道的竖井，以及设置于所述竖井顶部的井盖组件；所述井盖组件包括井盖结构和其安装组件。

2.根据权利要求1所述的一种减免排水竖井井喷的井盖结构，其特征在于：所述井盖结构为带有空腔的倒锥体，所述倒锥体底面为一平板，使用时所述井盖结构的平板水平放置，与地面平齐，锥体顶端朝下；所述井盖空腔腔体形状为倒置锥体，中心剖面形状为倒置等腰三角形，所述等腰三角形底角小于60°，设置为30°~50°；所述井盖结构包括井盖空腔、井盖倒锥体和平板，所述平板中心开有中孔，以及锥体表面的多个通气孔，所述中孔和通气孔连通井盖空腔和大气。

3.根据权利要求2所述的一种减免排水竖井井喷的井盖结构，其特征在于：所述中孔的直径大于通气孔，所述中孔的直径为井盖直径的1/10~1/20，所述中孔设置顶盖，所述顶盖在一定压力作用下可以自动打开。

4.根据权利要求2所述的一种减免排水竖井井喷的井盖结构，其特征在于：所述井盖倒锥体空腔的侧壁开设有多个通气孔，该通气孔的开孔轴线方向与壁面垂直，所述井盖空腔的锥体顶点处竖直开通气孔，所述通气孔连通所述井盖空腔与竖井内部。

5.根据权利要求4所述的一种减免排水竖井井喷的井盖结构，其特征在于：所述井盖空腔的侧壁通气孔总面积略大于所述平板开通气孔总面积。

6.根据权利要求1所述的一种减免排水竖井井喷的井盖结构，其特征在于：所述安装组件包括开启孔、井盖支座和限位措施，所述限位措施包括限位软绳、软绳挂钩和软绳支座。

7.所述井盖通过井盖支座固定于地面，井盖支铰固定于所述井盖支座上，井盖外缘从中心辐射设置井盖肋板，连接井盖支座的井盖肋板设置“S”型肋板轨道，所述肋板轨道位于井盖支铰上、且沿“S”型肋板轨道滑动。

8.根据权利要求6所述的一种减免排水竖井井喷的井盖结构，其特征在于：所述限位软绳设置于所述井盖支座另一端井盖肋板底部，所述限位软绳通过活动挂钩临时固定于软绳支座，软绳长度完全张开时限位井盖最大打开范围为15°~45°；所述开启孔开在所述软绳支座对应的井盖结构的平板上侧。

9.基于权利要求1至7中任意一项所述的一种减免排水竖井井喷的井盖结构的响应方法，其特征是包括以下步骤：

S1、设计第一级水气分离：当井喷高度低于井盖底部时，此时竖井内与地面大气压压差通过井盖通气孔连通并平衡竖井内外压差；

S2、设计第二级水气分离：当井喷高度接触到井盖，且冲击力不足以平衡井盖重量时，所喷射水气混合物碰撞井盖，部分水气混合物落回地下管道，另一部分通过通气孔进入井盖空腔，气液分离后液体通过通气孔亦回落至地下管道，多余气体依据当地气压高低排出或吸入，此为第一级水气分离；若水气混合物进入井盖空腔内后仍有大量能量，继续喷射到达井盖顶板或空腔满溢，此时井盖空腔内水气混合物不仅通过空腔锥体侧面分离，亦通过井盖顶板通气孔溢出地面，水流冲击或气压大于中孔顶盖打开的临界压力时，中孔顶盖打开，增大水流溢出通道，降低形成井喷的瞬时压力极值；

S3、设计第三级水气分离：当井喷强度足够大，喷射冲击力冲开井盖时，由于限位软绳作用，井盖打开一定角度，大大增加了喷射混合物通道面积，连通竖井内外空腔，在第二阶段水气分离的基础上，大量气体溢出，削减瞬时压力极值，从而减免井喷强度。

10.根据权利要求8所述的一种减免排水竖井井喷的井盖结构的响应方法，其特征在于，井盖打开和关闭时包括以下步骤：打开井盖时，提拉井盖把手至井盖脱离地面一定角度，脱掉限位软绳挂钩，继续提拉井盖至垂直地面位置，此过程中井盖在自重作用下井盖支铰从肋板轨道一端滑动至另一端，卡在支座内并固定；关闭井盖时，上提井盖，井盖支铰随肋板轨道滑动，与打开流程相反。

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