一种解决城市低洼道路积水问题的真空应急排水系统

一种解决城市低洼道路积水问题的真空应急排水系统

目前全国各大城市均不同程度地被雨季内涝问题所困扰,普遍面临的问题是半小时以上的大雨就会在市区形成街洪,地处低洼处积水严重,特别是铁路桥、立交道下积水量很大,造成行人和车辆无法通行,同时产生一定的安全隐患。为此,大多数城市在每个路桥低洼处一般都配套有专门的排水泵站负责排放积水,但因为有时水量太大、杂物堵塞管道或排水泵故障维修等多种原因,积水消退需要一定的时间,在积水严重的地段,积水消退的时间少则需要2~3 h、多则需要1~2 d。针对上述情况,笔者提出采用真空排水系统解决城市低洼处积水问题,该系统具有效果良好、作用迅速,基本无需改变现有市政雨水管道,仅需较小的开挖预埋直径相对较小的真空管路,对城市的运行影响很小,具有实用价值和推广价值。

1真空排水系统与传统排水系统的比较

1.1原理传统应急排水系统的原理:

桥下积水通过雨水管流入集水池中,当集水池中积水达到一定液位时,泵站房中的污水泵将其排入市政排水管渠中。真空应急排水系统的原理:利用真空机组的自吸、正排工作原理,即在真空机组入口处形成负压,出口处形成正压,直接抽吸积水下方的雨水井乃至雨水管内的积水,并加压排至后续管渠或水体中。真空系统具有较强的自吸能力,可以同时吸水和吸气,低洼处只要有积水倾向即可开启真空机组,排放积水。同时,产生的负压也能加快与集水井相连的管线中的雨(污)水流速,加快雨(污)水收集。需注意的是,雨季时进入管道的杂物通常较多,拆除雨水箅子以加速雨水排除的现象时有发生,因此管道或真空泵机组入口处宜增设格栅。

1.2排水能力

对真空排水系统和重力系统作为应急排水时的排水能力进行粗略估算。以室外常见的直径为300mm的塑料管为例,取坡度i=0.3%,管长L=100m,管道的排水能力可按下式近似计算:Q=vA(1)其中,Q为雨水流量,m3;v为雨水流速,m/s;A为管道过流面积,m2。v=R2/3I1/2n(2)其中,n为管壁粗糙系数,塑料管取0.009;R为水力半径,m;I为水力坡度。I=i+Δi(3)其中,Δi为负压造成的等效水力坡度,Δi=ΔP/ρgL,ΔP为管道两端的负压差,对于重力管取零。由此得到不同充满度及负压差时管道的排水能力,如图1所示。可知,不论在降雨初期非满管流还是中期满管流条件下,管道两端的负压差均可显著提升管道的排水能力。例如在负压差为10 kPa时,管道的排水能力约为重力管道的2倍,可满足应急排水需要。而该负压差对于典型的在线式凸轮泵等真空设备(吸程可达5~7 m)也是易于达到的。

图1：负压差对管道排水能力的影响

相应地,可得到不同充满度及负压差时管道内的流速,如图2所示。可知,尽管负压差对雨水流动加速明显,但仍基本满足规范中对于非金属管最大设计流速为5.0 m/s的规定[1],不会对管壁造成过度冲刷。

图2负压差对管道流速的影响

1.3综合比较

1原理

传统排水方式:机组工作前需在泵腔内注满液体,自吸能力一般。真空排水方式:自吸、无阀、正排泵,流量与转速成正比,可同时吸污和吸气,具有一定的干转能力。

2排污效率。

传统排水方式:机组只能排放集水池中的积水,而集水池中的积水是雨水井中的积水通过重力管路排入的,实际运行中,重力管路长期运行存在沉淀一些淤泥及污物的可能,从而影响积水的排放效率。真空排水方式:机组直接抽吸雨水井中的积水,排积水的效率高;利用真空系统的自吸能力,抽吸积水的同时将沉积在雨水井内的淤泥及各种污物及时排走,较高的流速不会产生淤积。

3堵塞情况。

传统排水方式:污水泵大多数选用的是清水泵,只用来排放清水,当积水中含有杂质时易堵塞。真空排水方式:对排污介质要求不高,可以通过的颗粒最大直径可达70 mm;如有需要,在机组的入口处可以加切割机,确保机组无堵塞及损坏现象。

4施工建设。

传统排水方式:机组放置到地面以下,占地面积较大;需要较大的施工量来建设机组泵房及各管路。真空排水方式:机组可安置在地上,占地小;真空管路管径小,开挖量小;施工过程中可不影响交通。

5运行维修。

传统排水方式:机组的配件出现问题时,需拆卸机组和通道,费时较多,维修成本较高。真空排水方式:可实现在线维护(采用可快速开启的泵盖,实现了机组的配件在线更换和维修,不需要拆卸机组或通道),维修较简单,费时较少。

2真空应急排水系统的试验验证

在实验室搭建了一套小型模拟系统,模拟降雨过程中雨水从路面汇集到雨水口、经过雨水管道进入泵站并被排走的过程,用以验证真空应急排水系统的可行性,并比较传统应急排水系统和真空应急排水系统的排水能力及应急反应速度。真空排水系统中通常采用真空泵(配真空罐)系统或在线式凸轮泵机组系统[2],由于一般雨水收集流量较大,在线式凸轮泵机组采用即抽即排方式,无需较大的真空罐[3],故本系统采用在线式凸轮泵机组。

2.1试验装置试验装置

如图3所示,占地约为70 m2。凸轮泵:流量Q=60 m3/h,扬程H=30 m(300 kPa),功率P=11 kW,模拟真空排水泵站。污水泵:流量Q=60 m3/h,扬程H=13 m(130 kPa),功率P=4kW,模拟传统排水泵站。模拟雨水箱:容积为9 m3,为试验提供雨水,容积较大,在试验过程中可认为液位无明显变化。泵站集水箱:容积为2 m3,模拟泵站内集水池,内设液位计,控制污水泵及凸轮泵的启闭。雨水口箱:容积为0.2 m3,安装雨水箅子,收集雨水,用以模拟路面及雨水井。雨水箅子:灰口铸铁材质,尺寸为750 mm×450 mm,泄水能力为20 L/s。配套管路:吸水管采用160 mm的HDPE管,压力等级为1.0 MPa,长度为56 m,以0.01的坡度坡向泵站集水箱,模拟雨水在管道内的流动过程;排水管采用100 mm的HDPE管,压力等级为1.0 MPa。另外还有配套阀门、仪表等。

图3雨水排水试验系统示意

2.2试验方法与结果分析

2.2.1中等降水流量下的排水试验

保持恒定的降水流量(小于两种泵站的排水能力),比较不同排水管径下两种泵站的排水情况及路面积水情况。其中,降水流量均通过开启模拟雨水箱底部阀门实现,阀门开启时间为3 min,经测算得到等效的降水流量为18.4 L/s。

1传统排水系统

模拟雨水经过路面径流进入雨水管道,在重力作用下汇流至集水箱,经污水泵排放,记录在此过程中雨水口箱内的最大积水高度,经测算得到相应的最大积水量和系统的排水能力,见表1。

表1中等流量下传统系统的排水能力

2真空排水系统

真空排水泵站的集水箱为密闭式,在降雨初期雨水量不足时,凸轮泵抽吸集水箱内的空气,使集水箱形成负压状态,雨水管内的雨水在压差和高差双重作用下迅速进入集水箱,经凸轮泵加压排放。在本试验中,对于上述不同的排水管径,雨水口箱内均无积水。

综上,在相同的降水流量下,传统系统的排水能力受管径等管道阻力因素影响较大。当管径过小时,即使泵站排水能力有所剩余,系统的排水能力仍可能不能满足路面排水要求,这就意味着,在雨水系统改、扩建工程中,如果排水的瓶颈发生在收集管网上,则单纯对雨水泵站的改造并不能提升整个系统的排水能力。相比之下,真空系统的收集能力对管径的敏感性较低,仅需较小的管径即能够迅速排水。

2.2.2极端降水流量下的排水试验

保持恒定的降水流量(大于两种泵站的排水能力),比较不同排水管径下两种泵站的排水情况及路面积水情况。其中,降水流量均通过开启模拟雨水箱底部阀门实现,经测算得到等效的降水流量为35.6 L/s,积水量为0.9 m3。定义“积水时间”为从开始积水到积水高度为20 cm所需要的时间,以表征排水系统在超过设计排水流量情况下的临时收纳能力;排放时间为排除20 cm高度积水所需要的时间,以表征排水系统在降雨停止后的自我恢复能力。两种系统的积水时间和排放时间见表2。