城市道路排水口安全自動打開系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

◇安徽理工大學(xué)力學(xué)與光電物理學(xué)院 汪裕 賈旭 陳澤賢 張宇航

城市化水平的提高導(dǎo)致城市道路排水問題突出，國內(nèi)一些城市排水設(shè)施不完善，排水管網(wǎng)不夠健全，排水管道老化，排水標(biāo)準(zhǔn)比較低，排水系統(tǒng)建設(shè)落后，排水口的自動打開及防堵設(shè)計(jì)有利于緩解城市積水問題，減少內(nèi)澇災(zāi)害的發(fā)生。該排水口設(shè)計(jì)還集合重力感應(yīng)裝置和紅外熱成像技術(shù)保證自動打開的同時也能確保汽車及過往行人的安全。利用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和數(shù)值仿真技術(shù)等給出排水口的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和結(jié)構(gòu)圖并篩選出制作排水口的理論最優(yōu)材料和模型結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過實(shí)地的實(shí)驗(yàn)不斷地進(jìn)行模型的優(yōu)化和修改，得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)成品。改造后，排水口排量加大，有效解決排水問題。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國城鎮(zhèn)化程度不斷提高，城市排水系統(tǒng)的問題也亟待改善。在雨水充沛的季節(jié)，往往因?yàn)槌鞘信潘芰Φ牟蛔悖蛘吲潘诒粯淙~雜物所覆蓋，從而導(dǎo)致了城市內(nèi)澇問題嚴(yán)重，威脅人民的生命財產(chǎn)安全。因此，排水口的打開及防堵設(shè)計(jì)對于減少城市積水和內(nèi)澇災(zāi)害有著重要意義。

1 排水口設(shè)計(jì)要點(diǎn)

浮力槽裝置。排水口設(shè)置雙層結(jié)構(gòu)，上層采用密度相對較小的高強(qiáng)度復(fù)合材料制成蓋板。下層連接浮力水槽，通過上層復(fù)合材料的通水孔將積水在浮力槽中，利用積水產(chǎn)生的浮力差使上層的排水口蓋板自動打開。

自動鎖死裝置。在排水口內(nèi)置集成重力感應(yīng)和紅外成像裝置來確定排水口在自動打開時檢測排水口上方是否有行駛的汽車以及行人，從而保證安全。

圖1 設(shè)計(jì)原理圖：浮力槽裝置

圖2 設(shè)計(jì)原理圖：自動鎖死裝置圖

2 排水口設(shè)計(jì)

（1）排水系統(tǒng)自動打開角度設(shè)計(jì)。

排水口在打開角度應(yīng)從車輛通行、雜物防堵塞和積水排放效率等方面考慮。假設(shè)過往車輛的平均載荷為P，過往行人的平均荷載為G，排水口的面積為S，排水口的直徑為d，排水口自動打開夾角為a，每個浮力閥門提供的支撐力為f，積水的單位面積質(zhì)量為Q。通過以上多因素進(jìn)行受力分析，求出排水口的受力情況，得出排水口打開的夾角的合適區(qū)間。通過對城市常見堵塞排水口雜物統(tǒng)計(jì)并用數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，得出排水裝置理論最適開合角。

圖3 排水口受力分析簡圖

綜合上述表格，可以大致得出排水口自動打開系統(tǒng)開合角度在5.35°至9.46°。

（2）排水口結(jié)構(gòu)及自動打開設(shè)計(jì)。

運(yùn)用分析力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和流體力學(xué)對行駛的車輛、行人和積水流動進(jìn)行受力分析，得出排水口的受力情況。根據(jù)受力情況，運(yùn)用材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、數(shù)值仿真技術(shù)等，得出排水口的最大正應(yīng)力σ、最大切應(yīng)力τ、強(qiáng)度β以及切應(yīng)變γ的理論數(shù)值和較優(yōu)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)上述理論數(shù)值選取叫合適的材料做成模型，進(jìn)行多次的反復(fù)實(shí)驗(yàn)并結(jié)合材料的自重和成本，挑選出最優(yōu)的材料和形狀設(shè)計(jì)。

a、設(shè)計(jì)排水口上層蓋板的尺寸。設(shè)作用在蓋板上面的荷載重為G，蓋板的受力面積為S，蓋板的密度為ρ，單位面積承受強(qiáng)度為β。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求得：

根據(jù)上述表格得出：蓋板面積越大，排水口蓋板的承受強(qiáng)度β越小。

c、排水口雙層傳動裝置設(shè)計(jì)。在排水口雙層結(jié)構(gòu)一側(cè)安裝齒輪傳動裝置。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求排水口上下層（即排水口蓋板和浮力槽）反向開合以實(shí)現(xiàn)排水口自動打開關(guān)合，所安齒輪傳動裝置為反向轉(zhuǎn)動的兩大小不一（即上小下大）的嚙合齒輪。設(shè)上齒輪的半徑為R，開合轉(zhuǎn)過的角度為θ，下齒輪的半徑為r，開合轉(zhuǎn)過的角度為；結(jié)合理論力學(xué)得出兩齒輪之間的關(guān)系為：

圖4

（3）排水系統(tǒng)自動打開紅外和重力感應(yīng)設(shè)計(jì)。

選取多個地區(qū)進(jìn)行通行車輛進(jìn)行調(diào)研，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的多種方法得出交通高峰時間段。設(shè)定自動打開系統(tǒng)盡可能避開通行高峰期。根據(jù)全國居民平均體重G，得到理論最小重力閾值并設(shè)置為排水口自動打開系統(tǒng)的閾值。當(dāng)排水裝置上的重力值達(dá)到閾值時，排水打開系統(tǒng)鎖死不會自動打開，從而確保安全。基于上述方法和數(shù)值，通過數(shù)值仿真模擬技術(shù)進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，得出最理想的重力感應(yīng)系統(tǒng)的閾值。

根據(jù)人體正常體溫變化區(qū)間設(shè)置紅外熱成像系統(tǒng)理論閾值。當(dāng)排水裝置中的紅外感應(yīng)系統(tǒng)檢測到熱源溫度處于設(shè)置范圍的區(qū)間時，自動打開系統(tǒng)鎖死，避免突發(fā)狀況導(dǎo)致排水口打開引發(fā)安全問題。

圖5 排水口結(jié)構(gòu)簡圖

將上述重力感應(yīng)系統(tǒng)和紅外熱成像系統(tǒng)串聯(lián)，為排水口自動打開安全問題提供雙重保障。

（4）排水口自動打開安全除臭設(shè)計(jì)。

為了攔截下雨雨水中摻雜的垃圾與雜物，防止行人或者貴重物品墜落導(dǎo)致的安全隱患，我們在排水口的下方安裝了網(wǎng)狀攔截物，進(jìn)一步的保證了行人的生命和財產(chǎn)安全。同時在下雨結(jié)束后排水口會自動關(guān)閉，防止異味排出影響市民生活體驗(yàn)。

圖6 排水口網(wǎng)狀攔截設(shè)計(jì)

3 排水口自動打開裝置的優(yōu)點(diǎn)

排水口打開一定的角度有利于提高積水疏通效率，改善城市雨季道路排水問題。與此同時，具有較高的安全性，較大程度上減少排水口堵塞問題。在設(shè)計(jì)時選用牢固的連接方式和承載結(jié)構(gòu)使其在兼具材料節(jié)約、減少經(jīng)濟(jì)成本的同時還具有較高的承載能力；積水的快速排泄可減少雨水對路面及地上建筑的滲透腐蝕，進(jìn)而提高城市道路的使用壽命，減少道路維護(hù)、維修成本。

4 排水口自動打開系統(tǒng)的應(yīng)用前景

排水口自動打開裝置不僅可以應(yīng)用于城市道路排水，還可應(yīng)用于建筑物頂層排水系統(tǒng)和居民住房排水系統(tǒng)等。應(yīng)用于建筑物的頂層排水系統(tǒng)，可以避免因雜物堵塞造成排水不暢，導(dǎo)致建筑物長時間被雨水浸泡，從而延長建筑物的使用壽命，減少維修經(jīng)濟(jì)成，提高經(jīng)濟(jì)效益。應(yīng)用于居民住房排水系統(tǒng)，可以減少突發(fā)狀況（例如水管開裂，住房進(jìn)水等）造成的經(jīng)濟(jì)損失，保證居民生命財產(chǎn)安全。

5 設(shè)計(jì)總結(jié)

本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)通過控制變量法、受力分析和數(shù)值仿真技術(shù)對排水口開合角進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)得到合理的開合區(qū)間（開合角在5.35°至9.46°）。利用集成紅外感應(yīng)裝置、浮力感應(yīng)裝置和重力感應(yīng)裝置等高新科技使得排水口具有自主性和安全性。通過不斷地模擬實(shí)驗(yàn)并結(jié)合結(jié)構(gòu)力學(xué)對移動載荷引起的受力變化進(jìn)行分析和求解得到最簡潔的浮力閥門支柱結(jié)構(gòu)（三角穩(wěn)定結(jié)構(gòu)）。將上述設(shè)計(jì)步驟和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)經(jīng)過最終經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)得出設(shè)計(jì)結(jié)果。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)由于本裝置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大多來自數(shù)值仿真模擬，情況可能與實(shí)際情況存在偏差。數(shù)據(jù)采集具有局部性，實(shí)驗(yàn)果可能會和實(shí)際存在一定的誤差。