一种路面雨水排除净化自清洁系统及其安装方法

摘要

本发明公开了一种路面雨水排除净化自清洁系统及其安装方法，包括沿路宽方向排布有数个窨井盖板、排水装置、自清洁装置、收集净化再利用装置、积水深度预警装置；排水装置位于窨井盖板下方，包括导流池、竖向排水管、过滤网层，过滤网层包括基座和交替间隔排布的过滤网板、伸缩板，自清洁装置包括除尘主管、除尘竖管、喷头，收集净化再利用装置包括沉淀池、蓄水池、连通管、雨水喷头、大功率水泵、海绵体，积水深度预警装置包括雨量检测仪、水深显示器以及PLC芯片机；排水装置的泄水能力和布设数量根据设计排水量计算确定，具有三种工作模式；本发明该系统具备排水功能、路面积水预警功能、蓄水功能等，同时具备自清洁功能。

说明书

技术领域

本发明属于道路排水及应用技术领域，尤其是低洼路段或者海绵城市的雨水快速排除及收集净化再利用的一种路面雨水排除净化自清洁系统及其安装方法。

背景技术

随着当今中国城市化建设的快速发展，城市人口不断增加，工业急速发展，市政排水系统建设滞后于城市建设的问题越来越突出。特别是有些城市在建设过程中不注意地形地势的影响，使城市道路建设完成后出现许多低洼处，在大雨过后积水难以及时排出，尤其是在暴雨之后，城市某些低洼地段形成一片汪洋，积水迟迟难以排除，给行人以及车辆出行造成极大的困难。交叉口是城市道路的一个极其重要的组成部分，是车辆与行人汇集、转向和疏散的必经之地，是道路交通咽喉，现有的交叉口低洼处普遍采用设置雨水口的方式排水，在设置雨水口时大多未经计算按照当地习惯等距布设，当城市大面积出现排水拥堵现象时，往往需要很长时间，积水方能排完，给交通安全带来巨大隐患。

同时，大量含悬浮物、有害金属离子的雨水直接通过雨水口进入城市管网排入附近水域中，造成水域水体污染。另一方面，随着当今城市人口的不断增加以及工业急速发展，城市耗水量不断增加，多数城市在夏季雨水充沛时内涝灾害时有发生，径流污染严重，而在暴雨过后又陷入干燥缺水的窘境，工业及居民生活用水匮乏问题日益凸显。

发明内容

本发明的目的是提供一种路面雨水排除净化自清洁系统及其安装方法，该系统具备排水功能、路面积水预警功能、蓄水功能等，同时具备自清洁功能。

本发明采用的技术方案如下：

一种路面雨水排除净化自清洁系统，包括沿路宽方向排布的数个窨井盖板1、排水装置2、自清洁装置3以及收集净化再利用装置4、积水深度预警装置5；所述窨井盖板1作为行车道路面，排水装置2位于窨井盖板1下方；

所述排水装置2包括导流池13、连通于导流池13底部的竖向排水管14，导流池13上部设有过滤网层7，所述过滤网层7包括有固定设于导流池13上部内壁的基座12、以及交替间隔排布于基座12上的过滤网板8、伸缩板9，伸缩板9可横向移动至相邻的过滤网板8的内部、上方或下方，沿路宽方向排布的竖向排水管14底端汇集于导流管15；

所述自清洁装置3用于对排水装置2的过滤网层7进行清洁，自清洁装置3包括除尘主管19以及贯穿于竖向排水管14的除尘竖管20；除尘竖管20顶端安装有朝向过滤网层7的喷头21，沿路宽方向排布的除尘竖管20底端汇集于除尘主管19，除尘主管19另一端与蓄水池28相连接；

所述收集净化再利用装置4包括沉淀池27、蓄水池28，沉淀池27与导流管15相连接，沉淀池27与蓄水池28之间通过连通管26相连接，蓄水池28可连接地面上的雨水喷头29、除尘主管19或城市自来水预处理系统；

所述积水深度预警装置5包括有设置在道路入口方向路缘带上的雨量检测仪16、水深显示器18以及PLC芯片机17。

所述的窨井盖板1上分布有多个圆孔6，窨井盖板1为矩形状，窨井盖板1厚度根据路面交通流量确定。

所述竖向排水管14的最小半径根据排水装置2的最大泄水量Q₂确定，为m；且m²；导流管15的最小半径根据交叉口一个道路入口方向的最大泄水量N·Q₂确定，为m；且m²；排水装置2沿一个道路入口的路宽方向布设的个数为N，其中，q为该路段一个道路入口方向排水装置2的设计排水量，L/s；排水装置2之间的间距为m，其中，B为该路段该道路入口方向道路路幅宽度，m；f为窨井盖板宽度，m。

所述各个间隔排布的过滤网板8固定设置于基座12上，各个间隔排布的伸缩板9横向滑动设置于基座12上，直线驱动机构11带动各个伸缩板9沿基座12横向滑动至过滤网板8的内部、上方或下方，所述过滤网板8为多孔状结构，伸缩板9为实心结构。

所述的导流池13为长槽形，且导流池13的横截面为半圆形。

所述除尘主管19底端可连接有喷气支路或喷水支路，喷水支路通过外接水源端口24连接到蓄水池28，喷气支路通过外接气源端口25连接到压缩气源23。

所述导流管15通过大功率水泵30将雨水抽送至沉淀池27中沉淀后，再抽送至蓄水池28，所述蓄水池28中设有具有净化功能的海绵体31，所述沉淀池27留有开口用于清理池底杂物，所述蓄水池28连接地面上的雨水喷头29可360°旋转喷洒路面灌溉绿化。

所述雨量检测仪16、水深显示器18分别与PLC芯片机17电性连接，所述雨量检测仪16测定的降雨强度数据实时传到PLC芯片机17，在路面最低洼中心处设置压力传感器10，压力传感器10为水压传感器，且压力传感器10的位置与路面平齐，压力传感器10与PLC芯片机17电性连接，压力传感器10测定的水压信号实时传到PLC芯片机17，PLC芯片机17电性连接到远程控制终端，在凹形、谷形、马鞍形地形的交叉口内部或路段凹型竖曲线最低洼处还设置2～4个排水装置2，而其它地形交叉口内部不设。

一种路面雨水排除净化自清洁系统的安装方法，包括有以下施工步骤：

1)、首先将除尘主管19分段穿插于导流管15，然后分段安装固定导流管15，再分段连接安装除尘主管19、除尘竖管20和喷头21，最后将竖向排水管14与导流管15相连接；

2)、安装完成固定竖向排水管14、导流管15、除尘主管19、除尘竖管20后，自导流管15底面开始填筑级配碎石22至竖向排水管14顶面以下10cm，依次在竖向排水管14上安装导流池13，安装好之后用级配碎石22填充导流池13之间的空隙，并人工捣实；

3)、将窨井盖板1覆盖于半圆柱形的导流池13上方，上述各段接口均为刚性接口，刚丝网水泥砂浆抹带接口，抹带前将管口的外壁凿毛、洗净，钢丝网端接头应在浇筑混凝土管座时插入混凝土内，在混凝土初凝前，分层抹压刚丝网水泥砂浆抹带，抹带完成后应立即用吸水性强的材料覆盖，3h～4h后洒水养护；

4)、相邻排水装置2间距处开设直径为60mm的圆孔用于灌浆，灌浆采用高强度防水水泥砂浆，水泥砂浆的水灰比为0.8，在砂浆中掺入适量细砂，水泥：细砂＝1:0.5，施工时采用水泥压浆泵，多点同时进行灌浆操作，灌浆完后，拔出灌浆管，留孔用水泥砂浆填塞密实，待浆液凝结后对灌浆处表面采用原浆液人工抹平。

与已有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明通过泄水能力公式计算合理布设排水装置，排水装置的数量根据设计排水量确定，窨井盖板的厚度根据路段的实际交通流量确定，采用最少用量的排水装置，达到了最大量、快速排水的目的，满足道路通行能力要求，有效降低了项目资金投入。

2、本发明的过滤网层在无降水时处于封闭状态，防止杂物堵塞排水装置，保证整个排水装置的正常工作，除尘主管的外接口端可喷射高压水与高压气对过滤网层进行反复的清洗，外接水源端口连接蓄水池，利用净化后的雨水清洗过滤网层，形成循环利用系统。

3、本发明根据对曼宁公式的修正和水深压力基本理论，提出了积水深度公式，当实际降雨量大于设计排水量时，PLC芯片机算出积水深度值，水深显示器实时显示低洼处的积水深度值，能有效给过往车辆以警示和提醒作用，明显提升城市低洼处在大暴雨条件下的行程安全，保护了人民财产。

4、本发明在有效快速排除低洼路段、交叉口处积水的同时通过收集净化装置收集净化再利用，提高车辆行人通行能力、行驶安全性和城市蓄水能力，符合我国当前所提倡的海绵城市建设要求。

5、填筑的级配碎石能够有效的填充排水装置间的空隙，而灌入的高强度防水水泥砂浆能将级配碎石粘结为一个板体结构，提高强度，为行车荷载提供足够的支撑作用。表面抹平的防水水泥砂浆使水仅能流入排水装置，防止水浸入排水装置之间的间隔，减少路基路面水损害发生。

6、雨水经过沉淀池沉淀、蓄水池净化处理可灌溉、绿化、美化城市环境；或通过雨水喷头喷洒路面，减少道路扬尘污染，夏季高温时还可降低路面温度，减少城市热岛效应；将满足自清洁、灌溉绿化、喷洒路面以外的多余雨水抽送到自来水厂进一步处理后作为工业或居民用水可提高城市蓄水能力，减少水资源浪费。

附图说明

图1为本发明整体示意图；

图2为本发明自清洁装置示意图；

图3为本发明窨井盖板平面示意图；

图4为本发明过滤网层平面示意图；

图5为本发明过滤网层工作模式示意图；

图6为本发明导流池立体示意图；

图7为本发明排水装置剖面示意图；

图8为本发明收集净化再利用装置示意图；

图9为本发明的排水装置在交叉口平面布设示意图。

图中标号：1窨井盖板，2排水装置，3自清洁装置，4收集净化再利用装置，5积水深度预警装置，6圆孔，7过滤网层，8过滤网板，9伸缩板，10压力传感器，11直线驱动机构，12基座，13导流池，14竖向排水管，15导流管，16雨量检测仪，17PLC芯片机，18水深显示器，19除尘主管，20除尘竖管，21喷头，22级配碎石，23压缩气源，24水源端口，25气源端口，26连通管，27沉淀池，28蓄水池，29雨水喷头，30大功率水泵，31海绵体。

具体实施方式

参见附图，一种路面雨水排除净化自清洁系统，包括沿路宽方向排布的数个窨井盖板1、排水装置2、自清洁装置3以及收集净化再利用装置4、积水深度预警装置5；所述窨井盖板1作为行车道路面，排水装置2位于窨井盖板1下方，窨井盖板1上分布有多个圆孔6，窨井盖板1为矩形状，窨井盖板1厚度根据路面交通流量确定；

排水装置2包括导流池13、连通于导流池13底部的竖向排水管14，导流池13为长槽形，且导流池13的横截面为半圆形；导流池13上部设有过滤网层7，过滤网层7包括有固定设于导流池13上部内壁的基座12、以及交替间隔排布于基座12上的过滤网板8、伸缩板9，伸缩板9可横向移动至相邻的过滤网板8的内部、上方或下方，沿路宽方向排布的竖向排水管14底端汇集于导流管15；各个间隔排布的过滤网板8固定设置于基座12上，各个间隔排布的伸缩板9横向滑动设置于基座12上，直线驱动机构11带动各个伸缩板9沿基座12横向滑动至过滤网板8的内部、上方或下方，过滤网板8为多孔状结构，伸缩板9为实心结构；过滤网层7通过基座12安装于窨井盖板1下方导流池13内，而无需在施工时进行组装，降低施工技术难度；

自清洁装置3用于对排水装置2的过滤网层7进行清洁，自清洁装置3包括除尘主管19以及贯穿于竖向排水管14的除尘竖管20；除尘竖管20顶端安装有朝向过滤网层7的喷头21，沿路宽方向排布的除尘竖管20底端汇集于除尘主管19，除尘主管19另一端与蓄水池28相连接；除尘主管19底端可连接有喷气支路或喷水支路，喷水支路通过外接水源端口24连接到蓄水池28，喷气支路通过外接气源端口25连接到压缩气源23；

收集净化再利用装置4包括沉淀池27、蓄水池28，沉淀池27与导流管15相连接，沉淀池27与蓄水池28之间通过连通管26相连接，蓄水池28可连接地面上的雨水喷头29、除尘主管19或城市自来水预处理系统；导流管15通过大功率水泵30将雨水抽送至沉淀池27中沉淀后，再抽送至蓄水池28，蓄水池28中设有具有净化功能的海绵体31，沉淀池27留有开口用于清理池底杂物，蓄水池28连接地面上的雨水喷头29可360°旋转喷洒路面灌溉绿化；

积水深度预警装置5包括有设置在道路入口方向路缘带上的雨量检测仪16、水深显示器18以及PLC芯片机17；雨量检测仪16、水深显示器18分别与PLC芯片机17电性连接，雨量检测仪16测定的降雨强度数据实时传到PLC芯片机17，在路面最低洼中心处设置压力传感器10，压力传感器10为水压传感器，且压力传感器10的位置与路面平齐，压力传感器10与PLC芯片机17电性连接，压力传感器10测定的水压信号实时传到PLC芯片机17，PLC芯片机17电性连接到远程控制终端，在凹形、谷形、马鞍形地形的交叉口内部或路段凹型竖曲线最低洼处还设置2～4个排水装置2，而其它地形交叉口内部不设。

导流池13的纵向高度为0.3m～0.8m，壁厚为0.1m～0.2m，导流池13下方连接有竖向排水管14，竖向排水管14是壁厚为0.06m～0.1m的钢筋混凝土管，竖向排水管14的长度根据施工要求预制，同一横截面上的竖向排水管14全部统一连接到导流管15，导流管15是壁厚为0.1m～0.2m的钢筋混凝土管。竖向排水管14与导流管15的半径通过计算确定，并预制。竖向排水管14的最小半径根据排水装置2的最大泄水量Q₂确定，为m；且m²；导流管15的最小半径根据交叉口一个道路入口方向的最大泄水量N·Q₂确定，为m；且m²；排水装置2沿一个道路入口的路宽方向布设的个数为N，其中，q为该路段一个道路入口方向排水装置2的设计排水量，L/s；排水装置2之间的间距为m，其中，B为该路段该道路入口方向道路路幅宽度，m；f为窨井盖板宽度，m。

根据坡面计算径流量Q′大小将排水装置2分为以下三种工作模式：

工作模式一：当Q′<Q₁时，采用工作模式一，即伸缩板不缩进过滤网板中，仅通过过滤网板的孔泄水。

工作模式二：当Q₁≤Q′<NQ₂时，采用工作模式二，即伸缩板缩进过滤网板中进行泄水。

工作模式三：当Q′≥NQ₂时，采用工作模式三，即伸缩板缩进过滤网板中进行泄水，且启动大功率水泵30提高排水能力。

一个道路入口方向排水装置2的总泄水能力通过计算，其中，Q为泄水量，L/s；a为消减系数；W为过水的面积，m²；c为孔口系数，取0.6～0.8；N为一个道路入口方向布设排水装置2的个数；g为重力加速度；h为允许存储水头，取0.02m～0.06m；k为孔口阻塞系数，取0.6～0.9。工作模式一时，a取0.2～0.4，c取0.6，W为过滤网板8的面积，一个道路入口方向的最大泄水量为Q₁。工作模式二时，a取0.6～0.8，c取0.8，W为伸缩板9的面积，N取1，一个排水装置2的最大泄水量为Q₂，一个道路入口方向的最大泄水量为NQ₂。

连通管26至蓄水池27的出水口为下斜喇叭状，可减缓水流冲击力，出水口下方设置具有净化功能的海绵体31，具有净化功能的海绵体31为实验室特制材料一年内更换。沉淀池27留有开口，用于清理池底杂物。蓄水池28可根据各地区实际降水情况建设800m³～1000m³为宜，以满足自清洁、灌溉绿化、喷洒路面用水，两者之间相距100m～200m。蓄水池28连接到城市自来水预处理系统，将多余雨水抽送到自来水厂进一步处理后作为工业及居民用水。蓄水池28连接地面上雨水喷头29，通电后可喷洒路面灌溉绿化，雨水喷头29为360°旋转喷头，有效增大喷洒适用范围，还可连接除尘主管19的外接水源端口用于对过滤网层7的清洁。

窨井盖板1作为行车道面为矩形钢筋混凝土结构，其中长度为0.8m～1.2m；宽度为0.6m～1.0m，混凝土强度等级不低于C40，其厚度为0.05m～0.1m，当交通等级为轻时取0.05m～0.06m，交通等级为中时取0.06m～0.07m，交通等级为重时取0.07m～0.09m，交通等级为特重时取0.09m～0.1m。窨井盖板1上分布有多个半径为0.05m～0.08m的圆孔6。待窨井盖板1厚度和圆孔6的个数确定后，在加工厂预制完成窨井盖板1，预制完成后的窨井盖板1运往施工现场，覆盖于排水装置2表面作为行车道路面，节约施工工期。

PLC芯片机计算的水深值由水深显示器18显示，每个道路入口方向的积水深度显示为H，若降雨停止则仅显示最低洼处的积水深度H_d。H由公式计算，其中，H为积水深度值，m；Q′为坡面计算径流量，m³/s；i_h为路面横坡度；s为路面粗糙系数；i_z为路面纵坡度；η为大功率水泵排水能力提升系数。坡面计算径流量由公式Q′＝16.67Ψq_p,tF计算，其中，q_p,t为降雨强度，mm/min；Ψ为径流系数；F为汇水面积，km²，由公式F＝B·L′计算，其中，B为路幅宽度，m；L′为沿路段长度，取100m～300m；i_h，i_z，s，Ψ根据排水装置所在城市和路面几何参数选取。H_d由公式计算，m，其中，M为压力传感器所测值，pa；ρ为水的密度，kg/m³；g为重力加速度。

由PLC芯片机17计算的水深由水深显示器18显示为H或H_d，当min(H,H_d)<0.12m时小汽车、鞍式列车、载重汽车均可通过；当0.12m<min(H,H_d)<0.24m时鞍式列车、载重汽车可安全通过而小汽车不能通过；当0.24m<min(H,H_d)<0.9m时仅载重汽车能够安全通过；当min(H,H_d)>0.9m时小汽车、鞍式列车、载重汽车均无法安全通过。

排水装置2为预制钢筋混凝土中空杆件结构，沿道路路宽方向布设。排水装置2的间隔空间范围内填充空隙率不小于18％的级配碎石22，其余部分按照原路面结构施工。收集净化再利用装置4沿交叉口的对角线方向设置共有2个。积水预警装置5在每个道路入口方向路缘带上各设置一个。

一种路面雨水排除净化自清洁系统的安装方法，包括有以下施工步骤：

1)、首先将除尘主管19分段穿插于导流管15，然后分段安装固定导流管15，再分段连接安装除尘主管19、除尘竖管20和喷头21，最后将竖向排水管14与导流管15相连接；

2)、安装完成固定竖向排水管14、导流管15、除尘主管19、除尘竖管20后，自导流管15底面开始填筑级配碎石22至竖向排水管14顶面以下10cm，依次在竖向排水管14上安装导流池13，安装好之后用级配碎石22填充导流池13之间的空隙，并人工捣实；

3)、将窨井盖板1覆盖于半圆柱形的导流池13上方，上述各段接口均为刚性接口，刚丝网水泥砂浆抹带接口，抹带前将管口的外壁凿毛、洗净，钢丝网端接头应在浇筑混凝土管座时插入混凝土内，在混凝土初凝前，分层抹压刚丝网水泥砂浆抹带，抹带完成后应立即用吸水性强的材料覆盖，3h～4h后洒水养护；

4)、相邻排水装置2间距处开设直径为60mm的圆孔用于灌浆，灌浆采用高强度防水水泥砂浆，水泥砂浆的水灰比为0.8，在砂浆中掺入适量细砂，水泥：细砂＝1:0.5，施工时采用水泥压浆泵，多点同时进行灌浆操作，灌浆完后，拔出灌浆管，留孔用水泥砂浆填塞密实，待浆液凝结后对灌浆处表面采用原浆液人工抹平。

本发明的工程实例为：

某城市某重要交叉口路段交通等级为重，路幅宽度B为40m，已知设计排水量q为780L/s，收集净化再利用装置4沿交叉口的对角线方向设置共有两个。

针对该工程实例，分别取矩形窨井盖板为1m×0.7m，厚度为0.08m；圆孔呈5列3行矩阵状排布，圆孔半径r取0.06m；导流池纵向高度为0.4m，壁厚为0.1m；过滤网层包括5块尺寸为0.1m×0.5m的过滤网板、5块尺寸为0.06m×0.5m的伸缩板，竖向排水管壁厚为0.08m。排水装置的最大泄水量为式中a取0.7，c取0.8，W为伸缩板面积，N取1，h取0.04，k取0.67。交叉口一个道路入口方向应布设排水装置的个数为交叉口一个道路入口方向过滤网板的最大泄水量为式中a取0.2，c取0.6，W为过滤网板面积，h取0.04，k取0.67。竖向排水管的最小进水面积为最小半径为导流管的最小进水面积为最小半径为相邻排水装置之间间隔为

取L′＝200m，则F＝B·L′＝0.008km²，沥青路面径流系数Ψ＝0.95，路面横坡度i_h＝2％，路面纵坡度i_z＝4％，路面粗糙系数s＝0.013，大功率水泵排水能力提升系数η＝1.2。

若降雨强度q_p,t＝0.2mm/min，Q′＝16.67Ψq_p,tF＝25.3384L/s，此时Q′<Q₁，采用工作模式一

若降雨强度q_p,t＝5mm/min，Q′＝16.67Ψq_p,tF＝633.46L/s，此时Q₁≤Q′<NQ₂，采用工作模式二。

若降雨强度q_p,t＝10mm/min，Q′＝16.67Ψq_p,tF＝1266.92L/s，此时Q′≥NQ₂时，采用工作模式三。该路口显示的积水深度为