改进现有井盖安全性的大泄流能力伸缩栅格

摘要

本发明改进现有井盖安全性的大泄流能力伸缩栅格，包括：三竖一横的栅条框架，开关轴，滑动轴套，卡槽，栅格支撑梁，属于城市防洪工程领域。构成栅格的栅条横断面的形状为顶部为半圆，下部为等腰三角形。提供了一种全新的对人安全的井盖，能够在井盖开敞泄水时避免人车落入其中；井盖栅条型式在现有的栅条中具有最大的泄流能力。

说明书

技术领域

本发明改进现有井盖安全性的大泄流能力伸缩栅格，涉及城市用井盖，尤其是一种用于在城市洪水中 可以增加雨水井泄水量并提高安全性的装置，属于城市防洪工程领域。

背景技术

受全球性气候变化影响，我国极端天气事件明显增多，局地暴雨的突发性、反常性、不可预见性日显 突出，对城市防洪安全提出了巨大挑战。如2010年，我国华南、江南地区连遭14轮暴雨袭击；7月，北 方地区连遭5轮暴雨袭击；我国28个省(自治区、直辖市)遭受洪涝灾害，受灾人口1.4亿人，因灾死亡 1072人，失踪619人，倒塌房屋110万间，直接经济损失约2096亿元。2011年我国多个大城市发生罕见 内涝，如2011年6月23日下午，北京部分地区降雨量将达50毫米以上，一小时的降雨量达到128毫米， 超百年一遇，大量路段瘫痪；2011年7月6日，浙江杭州市遭受百年一遇暴雨，杭州主城区遭遇40年一 遇内涝，21万人受灾；2011年7月18日，南京暴雨造成南京禄口机场午后至晚间航班大面积延误，南京 火车站铁路沿线的红山路、玄武大道附近区域积水严重。大量积水倒灌铁路，导致沪宁城际铁路部分轨道 被淹。

在暴雨条件下，普通城市雨水井井盖常常是制约城市排涝能力的瓶颈之一。为此，遇大暴雨时城市管 理者为应急排涝，经常组织抢险人员临时打开雨水井盖，并在附近设置警示标志。然而如此处理往往会阻 碍交通，在未设警示标志时容易发生事故。另外，城市发生内涝时，地势低洼处的井盖经常因出水不畅而 被水流顶起，发生人员伤亡事故，该类事件时有报道。

为了弥补上述缺陷，本发明提出了一种在暴雨洪水时保证车辆、行人安全通过同时具有大泄流能力的 井盖，该井盖在非暴雨期能够有效防止杂物落入。

发明内容

本发明的目的是提供改进现有井盖安全性的大泄流能力伸缩栅格，使水流在经过井盖栅条时所受阻力 最小，获得最大泄量，并增加现有井盖的安全性。

具体而言，改进现有井盖安全性的大泄流能力伸缩栅格，上述栅格为三竖一横的栅条框架，并包括： 开关轴，滑动轴套，卡槽，栅格支撑梁。

上述的构成栅格的栅条横断面的形状为顶部为半圆，下部为等腰三角形。

上述的等腰三角形的高与半圆的直径之比为3∶1。

上述栅格的开关轴与原井盖轴夹90°圆周角；

上述栅格的开关轴为原井盖底部焊接一横轴；

上述栅格的一端由滑动轴套套接在上述横轴上；

上述栅格的三条平行栅条一端均设卡槽，卡在原井盖框的边沿上；

上述的栅格平时利用横轴坠在井中，当需要排水时，打开原井盖，在井内拉出栅格并将栅格卡槽卡在 井盖框边沿。

本发明的有益效果在于：

1、提供了一种栅格实现了雨水井安全开敞泄水；

2、提供的栅格中的栅条具备最大的泄流能力；

3、栅格在不使用时可坠入井中，不影响井盖的正常使用；

4、现有井盖只需简单改进即可使用。

附图说明

图1栅格俯视示意图；

图2栅格主视示意图；

图3图1的A-A剖视示意图；

图4优化后栅条断面形状，图2中B部分放大示意图；

图5滑动轴组成，图3中C部分放大示意图；

图6常用栅条的七种体型示意图；

图7优化的栅条体型流场示意图；

图8栅格打开示意图；

图中各部分说明：

12原井盖框，13原井盖轴，21栅格，22栅条，23开关轴，24滑动轴套，25卡槽，26栅格支撑梁，221 半圆，222等腰三角形。

具体实施方式

实施例一

如图1所示改进现有井盖安全性的大泄流能力伸缩栅格为三竖一横的栅条框架，并包括：开关轴23， 滑动轴套24，卡槽25，栅格支撑梁26。

构成栅格21的栅条22横断面的形状为顶部为半圆221，下部为等腰三角形222。

上述的等腰三角形222的高与半圆221的直径之比为3∶1。

上述栅格的开关轴23与原井盖轴13夹90°圆周角；

上述栅格的开关轴23为原井盖框12底部焊接一横轴；

上述栅格的一端由滑动轴套24套接在上述横轴上；

上述栅格的三条平行栅条一端均设卡槽25，卡在原井盖框12的边沿上；

上述的栅格平时利用开关轴23坠在井中，当需要排水时，打开原井盖11，在井内拉出栅格21并将栅 格卡槽25卡在井盖框边沿。

上述栅条体型通过如下步骤获得：

栅条式井盖总阻力系数ξ与栅条体型相关，即与栅条形状系数β有关。栅条式井盖阻力系数可表达为 下式：

$\xi =\mathrm{\kappa \beta }{\left(\frac{s}{b}\right)}^{4/3}$

注：ξ为井盖阻力系数，k为折算系数(区别于一般水利工程中的拦污栅)，β为栅条形状系数，s 为栅条宽度，b为栅条间距。

可见栅条形状系数β与阻力系数ξ成正比。水利工程中常用的栅条有七种形式，见图6，对应的折算系 数见表1。

表1常用栅条折算系数

栅条的七种体型中阻力最小是“106”，最大的是“101”。而目前市政工程中普遍采用的井盖栅条体型顶 部体型存在尖角锐缘，容易形成局部水流分离，其形状阻力较大，有较大改进的空间。

考虑到栅条顶部体型不宜过于尖锐，本发明认为，适合井盖栅条的体型，其顶部宜布置如体型“105”的 顶部形式，即半圆式。由于文献未能定量给出体型“105”的具体几何结构，且本发明人认为体型“105”依然 有较大改进可能，为此发明人开展以下计算研究(基于体型“105”，提出图7所示4种体型，并建立数学模 型进一步优选)，最终提出了井盖栅条的优化体型结构顶部为直径为1cm的半圆，下部为高3cm的等腰 三角形。

三维紊流数学模型的控制方程包括时均的连续性方程和动量方程、紊动能方程(K方程)和紊动能耗 散率方程(方程)，具体形式如下：

连续性方程：$\frac{\partial \rho }{\partial t}+\frac{\partial \left(\mathrm{\rho u}\right)}{\partial x}+\frac{\partial \left(\mathrm{\rho w}\right)}{\partial z}=0$

动量方程：

$\frac{\partial \left(\mathrm{\rho u}\right)}{\partial t}+\frac{\partial \left(\mathrm{\rho uu}\right)}{\partial x}+\frac{\partial \left(\mathrm{\rho uw}\right)}{\partial z}=\frac{\partial }{\partial x}(\mu \frac{\partial u}{\partial x}-\rho \overline{u^{\prime }{u}^{\prime }})+\frac{\partial }{\partial z}(\mu \frac{\partial u}{\partial z}-\rho \overline{u^{\prime }{w}^{\prime }})-\frac{\partial p}{\partial x}+S_w$

$\frac{\partial \left(\mathrm{\rho w}\right)}{\partial t}+\frac{\partial \left(\mathrm{\rho wu}\right)}{\partial x}+\frac{\partial \left(\mathrm{\rho ww}\right)}{\partial z}=\frac{\partial }{\partial x}(\mu \frac{\partial w}{\partial x}-\rho \overline{u^{\prime }{w}^{\prime }})+\frac{\partial }{\partial z}(\mu \frac{\partial w}{\partial z}-\rho \overline{w^{\prime }{w}^{\prime }})-\frac{\partial p}{\partial x}+S_w$

K方程：$\frac{\partial \left(\mathrm{\rho k}\right)}{\partial t}+\frac{\partial \left(\mathrm{\rho k}{u}_i\right)}{\partial x_i}=\frac{\partial }{{\partial x}_j}\left[(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\delta }_k})\frac{\partial k}{{\partial x}_j}\right]+G_k+G_b-\mathrm{\rho ϵ}-Y_M+S_k$

ε方程：$\frac{\partial \left(\mathrm{\rho ϵ}\right)}{\partial t}+\frac{\partial \left(\mathrm{\rho ϵ}{u}_i\right)}{\partial x_i}=\frac{\partial }{\partial x_j}\left[(\mu +\frac{{\mu }_t}{{\delta }_k})\frac{\partial ϵ}{\partial x_j}\right]+C_{1ϵ}+\frac{ϵ}{k}+(G_k+C_{3ϵ}{G}_b)-C_{2ϵ}\rho \frac{{ϵ}_2}{k}+S_{ϵ}$

在标准k～ε紊流模型中，根据有关学者的实验验证，建议模型常数C_1ε、C_2ε、C_3ε、C_ε、C_μ、δ_k、 δ_ε的取值为：

C_1ε＝1.44，C_2ε＝1.92，C_3ε＝0，C_μ＝0.99，δ_k＝1.0，δ_ε＝1.3；

计算结果见表2。

表2计算得各体型局部阻力系数：

各体型流场平面图如图7所示，依据流场平面图定义，两流线间流量相等，据此可判断，1051体型尾 部存在的低流速区域范围最大(流线间距突然变大，且两流线距离最大)，说明该体型产生的尾流分布最 不均匀，流速梯度最大，能量损失也最大。过流能力最小。

根据以上计算结果可见，体型1054具有对水流最小的局部阻力，因此，采用体型1054作为本发明的 栅条断面形状。