CN114134981A - 一种海绵城市排水管网旋流跌水消能系统及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海绵城市排水管网旋流跌水消能系统及其施工方法，消能系统包含进水井、设置于进水井一侧的跌水井、连接于进水井另一侧的进水管、连通于跌水井与进水井之间的跌水管和溢流管、连接于跌水井内部且对应跌水管连接的水力旋流消能管、连接于水力旋流消能管底端部的水平旋流器、连接于跌水井内部且对应溢流管设置的螺旋排水沟、连接于跌水井内底部的溢流堰等；本发明通过通过水力旋流消能管和水平旋流器的组合设置，利于对进水井底部的流水进行消能，通过螺旋排水沟进行高处的水位进行消能；而两种消能模式均根据流量大小进行自动控制，还设计有补气管，用于向管内补充空气，改善水流在跌水管中的流动状态。
Description
技术领域
本发明属于建筑施工技术领域，特别涉及一种海绵城市排水管网旋流跌水消能系统及其施工方法。
背景技术
山区丘陵地区海绵城市排水管网建设过程中，为了将初期雨水输送至城郊的污水处理厂进行集中处理，或将径流雨水排放至自然水体中，管道落差通常较大，在管道穿越陡坡、下塬或检查井汇流时，存在大量市政排水管道单级水面跌水落差大于6m的情况，部分情况下排水管道的单级跌水落差甚至超过了10m，对于如此大的水流落差，必须设置跌水消能井，以减轻水的重力势能对排水系统的损害。
图集《排水检查井》(03S515)中收录了3种跌水消能井，分别为阶梯式、竖槽式和竖管式，这三种跌水井进水管径和跌差都受到限制，其中阶梯式跌水井适用于跌落管径D＝700～1650mm，跌差为1000～2000mm的排水管道；竖槽式跌水井适用于适用于跌落管径D＝200～600mm，跌差为1000～4000mm的雨污管道；竖管式跌水井适用于跌落管径D≤200mm，跌差为1000～6000mm的铸铁污水管道，使用范围均受到限制，只能在水流落差较小的时候较好的发挥作用。
普通消能井在面对水流落差较大的情况时，水流的重力势能转化成动能，对井壁及井底产生极大的冲击，长期如此会严重损坏井体结构，造成井壁塌陷，井底漏损等情况。因此，如何解决现有城市排水系统在高落差条件下的有效跌水消能成为本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种海绵城市排水管网旋流跌水消能系统及其施工方法，用以解决通过管道内的旋流能够有效消能且不损伤井体结构的消能井，解决跌水落差受限，以及跌水效果不足等技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种海绵城市排水管网旋流跌水消能系统，其特征在于，包含进水井、设置于进水井一侧的跌水井、连接于进水井另一侧的进水管、连通于跌水井与进水井之间的跌水管和溢流管、连接于跌水井内部且对应跌水管连接的水力旋流消能管、连接于水力旋流消能管底端部的水平旋流器、连接于跌水井内部且对应溢流管设置的螺旋排水沟、连接于跌水井内部侧壁且位于螺旋排水沟底部处的三角支架、连接于跌水井内底部的溢流堰以及跌水井井壁底部的出水管；
所述螺旋排水沟、水平旋流器和三脚架分别位于溢流堰与跌水井井壁合围的消能池的内部或上方，溢流堰外侧设置有溢流区，溢流区底部对应连接出水管。
进一步的，所述跌水井和进水井顶部均设置有可拆连接且自动控制的井盖，在跌水井和进水井井口处设置有压力传感器和湿度传感器；跌水井深度至少为进水井深度一倍；进水井中底部设置有滤网，所述滤网顶部不超过最高进水管高度，滤网长向沿进水井直径通长设置。
进一步的，所述进水管间隔设置于进水井竖向和/或环向，且至少在底部和中高部设置有两个；进水管处均单独设有自动开关阀门并对应设置有流量计。
进一步的，所述跌水管为倒L形，其中横部对应连接于进水井底部，与底部的进水管对应设置且设置有自动阀门和流量计；跌水管竖部与水力旋流消能管可拆卸连接；跌水管为拼装连接而成，跌水管与跌水井连接处设置有防水套管。
进一步的，所述水力旋流消能管位于跌水井井中心处，且水力旋流消能管位于且螺旋排水沟轴心处；水力旋流消能管可拆卸连接有水平旋流器，水平旋流器位于消能池内部。
进一步的，所述螺旋排水沟包含中心管和沿中心管外侧呈螺旋式垂向分布排水板，所述排水板顶端连接于溢流管出口顶部且设置有自动阀门和流量计，底端位于消能池顶部，排水板外侧与跌水井井壁可拆卸连接；排水板向下倾斜角度适应水流消能设计流速且沿水流垂直方向向中心管倾斜。
进一步的，所述三角支架包含迎水平台和连接于迎水平台下方的直角三角形框架，所述迎水平台外端部不超过中心管中线；所述直角三角形框架与跌水井井壁通过轨道可升降连接。
进一步的，还设置有防滑踏板，防滑踏板可拆卸连接在进水管一侧，防滑踏板在进水井侧面垂向间隔设置；所述防滑踏板设置在进水管处设置有一个。
进一步的，所述跌水管竖部和横部连接处通过一体制作的弯管连接，弯管处连接有补气管；所述补气管为倒L形，其中竖部与弯管连接并与中心管中轴线对齐，横部穿过跌水井井壁进入进水井内部。
进一步的，所述的海绵城市排水管网旋流跌水消能系统的施工方法，具体步骤如下
步骤一、当进水井内水位不高于溢流水位时，水流经滤网后进入跌水管，由跌水管进入水力旋流消能管，在水力旋流消能管处形成局部阻力，消除部分能量并形成旋流，沿着跌水管管壁成盘旋态向下流动，延长水流路程，增大水流沿程阻力，进一步消除水流能量；
步骤二、在跌水管上设置有流量计，通过流量计与补气管联合控制，补气管在水流经跌水管时，向管内补充空气，改善水流在跌水管中的流动状态，避免水在立管内流动时出现振动，水锤等有损排水消能系统寿命的现象；
步骤三、当进水流量低于设计流量条件下，水流进入系统后以贴壁旋流的形式跌落，补气管道自启动，自调节，不断吸入空气并调整进气量，向系统的跌水管中补气，保证旋流气芯及跌水流态的稳定；进水量超过设计流量但低于峰值流量条件下，补气管道自动调节启闭状态，间歇性地向系统内补入空气，预防跌水管道内流速的剧烈变化，消除有害的振动；
步骤四、当水流流至水平旋流器处时，水平旋流器水平转动，水流从四周散出，水流方向改变，进入消能池中；其中，水平旋流器出口布置角度及出口中心标高对应与消能池和溢流堰的高度相匹配，既能保证在消能池内高效建立互相剪切的紊流，消除流体动能，又能实现高效地汽水混合作用，提升消能池出水的溶解氧，抑制硫化氢释放；
步骤五、水流流至水平旋流器后，水流间内摩擦力消除部分水流能量；水充满消能池后翻过溢流堰，最终从出水管流出；
步骤六、当进水水位超过溢流水位时，水流经滤网后从溢流管流入跌水井中，在井壁上流经螺旋排水沟，消除部分能量，进入消能池后，最终翻过溢流堰从出水管流出；结合溢流管和跌水管处自动阀门和流量计控制二者出水的比例和流量，做到整体综合控制消能。
本发明的有益效果体现在：
1)本发明通过跌水井中设置的消能系统，可有效的对来水进行消能，减少流水对实体结构的损害；其中分为螺旋排水沟和水力旋流消能管两个途经进行联合应用，实现综合分情景的消能；
2)本发明通过水力旋流消能管和水平旋流器的组合设置，利于对进水井底部的流水进行消能，通过螺旋排水沟进行高处的水位进行消能；而两种消能模式均根据流量大小进行自动控制，其中水力旋流消能管还设计有补气管，用于向管内补充空气，改善水流在跌水管中的流动状态，避免水在立管内流动时出现振动，水锤等有损排水消能系统寿命的现象；
3)本发明通过消能池和溢流堰的设定，可进一步对流至跌水井底部的水流进行消能，且进一步通过溢流堰控制水流流出流量；
4)本发明通过滤网设置在进水井，一方面过滤水流使其保证装置的耐久性，另一方面滤网的高度不超过最高进水管高度可保证水流量大时及时通过；
本发明可有效的解决现有城市排水系统在高落差条件下的有效跌水消能；本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解；本发明的主要目的和其它优点可通过在说明书中所特别指出的方案来实现和获得。
附图说明
图1是海绵城市排水管网旋流跌水消能系统示意图；
图2是海绵城市排水管网旋流跌水消能系统俯视图；
图3是海绵城市排水管网旋流跌水消能系统局部示意图；
图4是水平旋流器结构示意图。
附图标记：1-进水井、2-跌水井、3-进水管、4-出水管、5-跌水管、6-补气管、7-水力旋流消能管、8-水平旋流器、9-溢流管、10-三角支架、11-溢流堰、12-消能池、13-螺旋排水沟、14-防水套管、15-防滑踏板、16-法兰盘、17-井盖、18-滤网。
具体实施方式
如图1至图4所示，一种海绵城市排水管网旋流跌水消能系统，包含进水井1、设置于进水井1一侧的跌水井2、连接于进水井1另一侧的进水管3、连通于跌水井2与进水井1之间的跌水管5和溢流管9、连接于跌水井2内部且对应跌水管5连接的水力旋流消能管7、连接于水力旋流消能管7底端部的水平旋流器8、连接于跌水井2内部且对应溢流管9设置的螺旋排水沟13、连接于跌水井2内部侧壁且位于螺旋排水沟13底部处的三角支架10、连接于跌水井2内底部的溢流堰11以及跌水井2井壁底部的出水管4。
本实施例中，螺旋排水沟13、水平旋流器8和三脚架分别位于溢流堰11与跌水井2井壁合围的消能池12的内部或上方，溢流堰11外侧设置有溢流区，溢流区底部对应连接出水管4。
其中，三角支架10通过镀锌钢管和钢板制作而成，包含迎水平台和连接于迎水平台下方的直角三角形框架，迎水平台外端部不超过中心管中线。直角三角形框架与跌水井2井壁通过轨道可升降连接。
本实施例中，在进水井1中还设置有防滑踏板15，防滑踏板15可拆卸连接在进水管3一侧，防滑踏板15在进水井1侧面垂向间隔设置；防滑踏板15设置在进水管3处设置有一个。
本实施例中，跌水井2和进水井1顶部均设置有可拆连接且自动控制的井盖17，在跌水井2和进水井1井口处设置有压力传感器和湿度传感器，通过压力传感器和湿度传感器的变化及时通知维修人员进行处理。跌水井2深度至少为进水井1深度一倍；进水井1中底部设置有滤网18，滤网18顶部不超过最高进水管3高度，滤网18长向沿进水井1直径通长设置。
本实施例中，进水管3间隔设置于进水井1竖向和/或环向，且至少在底部和中高部设置有两个；进水管3处均单独设有自动开关阀门并对应设置有流量计。跌水管5为倒L形，其中横部对应连接于进水井1底部，与底部的进水管3对应设置且设置有自动阀门和流量计；跌水管5竖部与水力旋流消能管7可拆卸连接；跌水管5为拼装连接而成，跌水管5与跌水井2连接处设置有防水套管14。
本实施例中，水力旋流消能管7位于跌水井2井中心处，且水力旋流消能管7位于且螺旋排水沟13轴心处；水力旋流消能管7可拆卸连接有水平旋流器8，水平旋流器8位于消能池12内部。
本实施例中，螺旋排水沟13包含中心管和沿中心管外侧呈螺旋式垂向分布排水板，排水板顶端连接于溢流管9出口顶部且设置有自动阀门和流量计，底端位于消能池12顶部，排水板外侧与跌水井2井壁可拆卸连接；排水板向下倾斜角度适应水流消能设计流速且沿水流垂直方向向中心管倾斜。
本实施例中，跌水管5竖部和横部连接处通过一体制作的弯管连接，弯管处连接有补气管6；所述补气管6为倒L形，其中竖部与弯管连接并与中心管中轴线对齐，横部穿过跌水井2井壁进入进水井1内部。
结合图1至图4，进一步说明海绵城市排水管网旋流跌水消能系统的施工方法，其特征在于，具体步骤如下
步骤一、当进水井1内水位不高于溢流水位时，水流经滤网18后进入跌水管5，由跌水管5进入水力旋流消能管7，在水力旋流消能管7处形成局部阻力，消除部分能量并形成旋流，沿着跌水管5管壁成盘旋态向下流动，延长水流路程，增大水流沿程阻力，进一步消除水流能量；
步骤二、在跌水管5上设置有流量计，通过流量计与补气管6联合控制，补气管6在水流经跌水管5时，向管内补充空气，改善水流在跌水管5中的流动状态，避免水在立管内流动时出现振动，水锤等有损排水消能系统寿命的现象；
步骤三、当进水流量低于设计流量条件下，水流进入系统后以贴壁旋流的形式跌落，补气管6道自启动，自调节，不断吸入空气并调整进气量，向系统的跌水管5中补气，保证旋流气芯及跌水流态的稳定；进水量超过设计流量但低于峰值流量条件下，补气管6道自动调节启闭状态，间歇性地向系统内补入空气，预防跌水管5道内流速的剧烈变化，消除有害的振动；
步骤四、当水流流至水平旋流器8处时，水平旋流器8水平转动，水流从四周散出，水流方向改变，进入消能池12中；其中，水平旋流器8出口布置角度及出口中心标高对应与消能池12和溢流堰11的高度相匹配，既能保证在消能池12内高效建立互相剪切的紊流，消除流体动能，又能实现高效地汽水混合作用，提升消能池12出水的溶解氧，抑制硫化氢释放；
步骤五、水流流至水平旋流器8后，水流间内摩擦力消除部分水流能量；水充满消能池12后翻过溢流堰11，最终从出水管4流出；
步骤六、当进水水位超过溢流水位时，水流经滤网18后从溢流管9流入跌水井2中，在井壁上流经螺旋排水沟13，消除部分能量，进入消能池12后，最终翻过溢流堰11从出水管4流出；结合溢流管9和跌水管5处自动阀门和流量计控制二者出水的比例和流量，做到整体综合控制消能。
根据能量守恒原理，跌水过程中消除的能量等于进水处水流的机械能加减出水处水流的机械能，水流的机械能计算如下式：
W＝Ek+Ep+E (1)
式1中Ek为水流的动能，Ep为水流的重力势能。水流总的能量由二者之和组成，其中动能和势能的计算方法见下式：
Ep＝mgh (3)
式中，m为水流的质量，水流从进水管3至出水管4质量变化可忽略不计；v为水流流速，进水管3水流先流至进水井1内，消除部分流速，取计算流速为0.1m/s。本次计算跌水高差取10m，出水管4道处的管底平面设为零势能面。
消能系统出水流经溢流堰11排出，该溢流堰11为无侧收缩的矩形薄壁堰自由出流，堰后流量计算见式4：
式中m0为考虑行进流速水头影响的流量系数，可由雷宝克公式计算：
式中，P为上游堰高，取0.8m；B为堰宽，取0.3m；H为堰顶水头，取0.2m。出水管4管径取DN400，充满度为0.5，经计算，出水管4流速为0.795m/s。
若跌水高度为10m，则消能井的能量消减率α为：
经计算，该海绵城市排水管网旋流跌水消能系统各种条件下消能比例均可达到95％以上。
实施中，滤网18可阻挡上游管道内的杂物进入消能系统，以免排水管堵塞造成消能系统失效。海绵城市排水管网旋流跌水消能系统通过自启动、自控制、自调节的方式控制补气管6道启闭，在跌水管5内建立起稳定涡流，防止跌水过程中系统内出现流速剧烈变化而引起有害的水锤、振动。
海绵城市排水管网旋流跌水消能系统通过淹没在跌水井2底部消能池12中的旋流消能器实现进一步消能作用。水流自跌水管5底部竖向旋流跌落进入旋流消能器，自消能器出口以双向的水平旋流形式流出。在消能池12内部高效建立起互相剪切、作用的紊流流态，消除流体动能。水流失稳容易产生振动和噪声，排水管容易发生空蚀和空蚀破坏，而消能井能够减少水流的动能，安全地泄散管道内势能与动能，减少水压对排水管管壁的冲击，增长排水管道的寿命。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种海绵城市排水管网旋流跌水消能系统，其特征在于，包含进水井(1)、设置于进水井(1)一侧的跌水井(2)、连接于进水井(1)另一侧的进水管(3)、连通于跌水井(2)与进水井(1)之间的跌水管(5)和溢流管(9)、连接于跌水井(2)内部且对应跌水管(5)连接的水力旋流消能管(7)、连接于水力旋流消能管(7)底端部的水平旋流器(8)、连接于跌水井(2)内部且对应溢流管(9)设置的螺旋排水沟(13)、连接于跌水井(2)内部侧壁且位于螺旋排水沟(13)底部处的三角支架(10)、连接于跌水井(2)内底部的溢流堰(11)以及跌水井(2)井壁底部的出水管(4)；
所述螺旋排水沟(13)、水平旋流器(8)和三脚架分别位于溢流堰(11)与跌水井(2)井壁合围的消能池(12)的内部或上方，溢流堰(11)外侧设置有溢流区，溢流区底部对应连接出水管(4)。
2.如权利要求1所述的一种海绵城市排水管网旋流跌水消能系统，其特征在于，所述跌水井(2)和进水井(1)顶部均设置有可拆连接且自动控制的井盖(17)，在跌水井(2)和进水井(1)井口处设置有压力传感器和湿度传感器；跌水井(2)深度至少为进水井(1)深度一倍；进水井(1)中底部设置有滤网(18)，所述滤网(18)顶部不超过最高进水管(3)高度，滤网(18)长向沿进水井(1)直径通长设置。
3.如权利要求2所述的一种海绵城市排水管网旋流跌水消能系统，其特征在于，所述进水管(3)间隔设置于进水井(1)竖向和/或环向，且至少在底部和中高部设置有两个；进水管(3)处均单独设有自动开关阀门并对应设置有流量计。
4.如权利要求1所述的一种海绵城市排水管网旋流跌水消能系统，其特征在于，所述跌水管(5)为倒L形，其中横部对应连接于进水井(1)底部，与底部的进水管(3)对应设置且设置有自动阀门和流量计；跌水管(5)竖部与水力旋流消能管(7)可拆卸连接；跌水管(5)为拼装连接而成，跌水管(5)与跌水井(2)连接处设置有防水套管(14)。
5.如权利要求1所述的一种海绵城市排水管网旋流跌水消能系统，其特征在于，所述水力旋流消能管(7)位于跌水井(2)井中心处，且水力旋流消能管(7)位于且螺旋排水沟(13)轴心处；水力旋流消能管(7)可拆卸连接有水平旋流器(8)，水平旋流器(8)位于消能池(12)内部。
6.如权利要求5所述的一种海绵城市排水管网旋流跌水消能系统，其特征在于，所述螺旋排水沟(13)包含中心管和沿中心管外侧呈螺旋式垂向分布排水板，所述排水板顶端连接于溢流管(9)出口顶部且设置有自动阀门和流量计，底端位于消能池(12)顶部，排水板外侧与跌水井(2)井壁可拆卸连接；排水板向下倾斜角度适应水流消能设计流速且沿水流垂直方向向中心管倾斜。
7.如权利要求6所述的一种海绵城市排水管网旋流跌水消能系统，其特征在于，所述三角支架(10)包含迎水平台和连接于迎水平台下方的直角三角形框架，所述迎水平台外端部不超过中心管中线；所述直角三角形框架与跌水井(2)井壁通过轨道可升降连接。
8.如权利要求6所述的一种海绵城市排水管网旋流跌水消能系统，其特征在于，还设置有防滑踏板(15)，防滑踏板(15)可拆卸连接在进水管(3)一侧，防滑踏板(15)在进水井(1)侧面垂向间隔设置；所述防滑踏板(15)设置在进水管(3)处设置有一个。
9.如权利要求6所述的一种海绵城市排水管网旋流跌水消能系统，其特征在于，所述跌水管(5)竖部和横部连接处通过一体制作的弯管连接，弯管处连接有补气管(6)；所述补气管(6)为倒L形，其中竖部与弯管连接并与中心管中轴线对齐，横部穿过跌水井(2)井壁进入进水井(1)内部。
10.一种如权利要求1至9任意一项所述的海绵城市排水管网旋流跌水消能系统的施工方法，其特征在于，具体步骤如下
步骤一、当进水井(1)内水位不高于溢流水位时，水流经滤网(18)后进入跌水管(5)，由跌水管(5)进入水力旋流消能管(7)，在水力旋流消能管(7)处形成局部阻力，消除部分能量并形成旋流，沿着跌水管(5)管壁成盘旋态向下流动，延长水流路程，增大水流沿程阻力，进一步消除水流能量；
步骤二、在跌水管(5)上设置有流量计，通过流量计与补气管(6)联合控制，补气管(6)在水流经跌水管(5)时，向管内补充空气，改善水流在跌水管(5)中的流动状态，避免水在立管内流动时出现振动，水锤等有损排水消能系统寿命的现象；
步骤三、当进水流量低于设计流量条件下，水流进入系统后以贴壁旋流的形式跌落，补气管(6)道自启动，自调节，不断吸入空气并调整进气量，向系统的跌水管(5)中补气，保证旋流气芯及跌水流态的稳定；进水量超过设计流量但低于峰值流量条件下，补气管(6)道自动调节启闭状态，间歇性地向系统内补入空气，预防跌水管(5)道内流速的剧烈变化，消除有害的振动；
步骤四、当水流流至水平旋流器(8)处时，水平旋流器(8)水平转动，水流从四周散出，水流方向改变，进入消能池(12)中；其中，水平旋流器(8)出口布置角度及出口中心标高对应与消能池(12)和溢流堰(11)的高度相匹配，既能保证在消能池(12)内高效建立互相剪切的紊流，消除流体动能，又能实现高效地汽水混合作用，提升消能池(12)出水的溶解氧，抑制硫化氢释放；
步骤五、水流流至水平旋流器(8)后，水流间内摩擦力消除部分水流能量；水充满消能池(12)后翻过溢流堰(11)，最终从出水管(4)流出；
步骤六、当进水水位超过溢流水位时，水流经滤网(18)后从溢流管(9)流入跌水井(2)中，在井壁上流经螺旋排水沟(13)，消除部分能量，进入消能池(12)后，最终翻过溢流堰(11)从出水管(4)流出；结合溢流管(9)和跌水管(5)处自动阀门和流量计控制二者出水的比例和流量，做到整体综合控制消能。
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