一種雨水跌水棄流集水裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種雨水跌水棄流集水裝置，它包括有井室、雨水進水管、棄流管、出水管和堰板，雨水進水管和出水管相對地安裝在井室內壁上，雨水進水管位于井室內壁上部，出水管位于井室內壁下部，在雨水進水管與出水管之間的井室底面上豎直設立有堰板，堰板高度低于雨水進水管底部標高、高于出水管頂部標高，前端內置鐵塊擋板穿過堰板的凹口、兩側邊卡在卡口內，前端內置鐵塊擋板的靠出水管一邊上連接有兩個浮球；在雨水進水管下方的井壁上裝有磁鐵吸引裝置。本發明具有如下的優點：實現了初期雨水與中、后期雨水完全分離，對間隔時間較短的兩場雨不棄流，實現連續收集，并能涵養水源、保持地下水位，能夠充分利用雨水。
【專利說明】
一種雨水跌水棄流集水裝置
技術領域
[0001] 本發明涉及一種雨水收集系統，具體涉及一種雨水跌水棄流集水裝置。
【背景技術】
[0002] 理想的雨水分流井滿足以下條件：
[0003] 1.在降雨初期的一段時間內進入分流井的雨水，水質較差，直接從出水管流出分 流井，不進入收集管道，即分流井應當具有雨水的初期棄流功能；
[0004] 2.在一場降雨中把一定量水質量較優的雨水收集起來，通過收集管道流入儲水 池，即分流井應當具有雨水的分流功能；
[0005] 3.水池蓄滿后，水位達到一定標高，分流井進入溢流狀態，溢流水從出水管排出， 即分流井應當具有溢流水的排出功能；
[0006] 4.出水管應當具有接納初期雨水和溢流雨水雙重功效，且初期雨水的排水對區域 的排水管線不應有特殊的技術要求，否則，排水管線的布置成本將會大大提高；
[0007] 5.應避免因分流井造成的水流改變而需要增設新的雨水檢查井，施工成本和難度 較高；
[0008] 6.分流井在降雨過程的工作狀況能方便地實現自動轉換；
[0009] 7.在降雨過程中，應當有適當的措施避免下游管道淤泥堵塞；
[0010] 8.中后期雨水收集利用率仍有待提高。
[0011] 中國專利文獻CN 103422566 A于2013年12月4日公開了一種多功能分流井，它將 密封的井體用?'形隔板分為進水區、集水區和出水區，各分區對應安裝有進水管、集水管 和出水管，該第二隔板高度低于第一隔板、第三隔板和井壁，第一隔板下方與井底接觸處開 有污水口。該專利實現了初期棄流、分流、溢流水排出、清淤等功能，不需設置雨水檢查井， 且對區域的排水管道設置沒有特殊要求。
[0012] 該專利的不足之處在于：1、初期雨水與中、后期雨水未進行徹底分離，不利于初期 雨水的后續處理;2、對間隔時間較短的兩場雨水仍然實施棄流，不能連續收集雨水;3、未考 慮采用涵養水源、保持地下水位的方式以提高雨水收集利用率，并減輕城市洪澇事故。
【發明內容】
[0013] 針對現有技術中存在的技術問題，本發明所要解決的技術問題就是提供一種雨水 跌水棄流集水裝置，它能夠實現初期雨水與中、后期雨水完全分離;對間隔時間較短的兩場 雨水不棄流，實現連續收集，并能涵養水源、保持地下水位，能夠充分利用雨水，減輕暴雨 時城市雨水管網的排洪壓力，減少內澇的發生。
[0014] 本發明所要解決的技術問題是通過這樣的技術方案實現的，它包括有井室、雨水 進水管、棄流管、出水管和堰板，雨水進水管和出水管相對地安裝在井室內壁上，雨水進水 管位于井室內壁上部，出水管位于井室內壁下部，在雨水進水管與出水管之間的井室底面 上豎直設立有堰板，堰板高度低于雨水進水管底部標高、高于出水管頂部標高；
[0015] 在被堰板分隔的雨水進水管一側的井室底部、與雨水進水管正交的井室內壁上設 置有棄流管;堰板中部頂端有水平的凹口，凹口兩邊有卡口，前端內置鐵塊擋板穿過堰板的 凹口、兩側邊卡在卡口內，前端內置鐵塊擋板的靠出水管一邊上連接有兩個浮球;在雨水進 水管下方與前端內置鐵塊擋板相對的井壁上裝有磁鐵吸引裝置；
[0016] 井室底面從上到下依次設有透水面層、透水結構層、砂墊層、級配砂石基礎墊層和 滲透到土層。
[0017] 本發明的工作原理是:降雨初期，雨水進水管流出的拋物線形射流被堰板阻隔，從 棄流管流出，隨著降雨過程徑流量的增大，拋物線射流越過堰板，水位慢慢上升，雨水從出 水管流出后被收集利用。浮球上升，前端內置鐵塊擋板受到浮球浮力和堰板的卡扣的壓力 而向靠近進水管的斜上方上升，推動前端內置鐵塊擋板的頂部與磁鐵吸引裝置吸合，棄流 管的進水口被封閉。
[0018] 隨著降雨量的減少，在井室殘余水量對浮球的施力和磁鐵吸引裝置的吸力作用 下，棄流管進水口仍被關閉，后期雨水通過前端內置鐵塊擋板的凹面引流到出水管中，后期 雨水被收集利用。隨著雨量的停止，井室的水位慢慢下降，剩余水量在井室底部通過透水面 層滲透到透水結構層、砂墊層、級配砂石基礎墊層，最后滲透到土層，磁鐵吸引裝置的吸力 不足以克服前端內置鐵塊擋板的重力，前端內置鐵塊擋板下降至原位。
[0019] 所以，本發明具有如下的優點：實現了初期雨水與中、后期雨水完全分離，對間隔 時間較短的兩場雨不棄流，實現連續收集，并能涵養水源、保持地下水位，能夠充分利用雨 水。
【附圖說明】
[0020] 本發明的【附圖說明】如下：
[0021] 圖1為本發明的俯視圖；
[0022]圖2為圖1中1-1的剖視圖；
[0023]圖3為圖1中2-2的右側剖視圖；
[0024]圖4為圖1中2-2的左側剖視圖；
[0025]圖5為射流拋物線參數的標注圖；
[0026]圖6為前端內置鐵塊擋板的受力分析圖；
[0027]圖7為前端內置鐵塊擋板的臨界狀態的受力分析圖。
[0028]圖中：1.雨水進水管;2.棄流管;3.出水管;4.磁鐵吸引裝置;5.堰板;6.井壁;7.前 端內置鐵塊擋板;8.浮球;9.底部透水面層；10.透水結構層；11.砂墊層；12.級配砂石基礎 墊層；13. 土層；14.爬梯；15.井室；16.流槽;17.格柵。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明：
[0030]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發明包括有井室15、雨水進水管1、棄流管2、出水管3 和堰板5，雨水進水管1和出水管3相對地安裝在井室15內壁上，雨水進水管1位于井室內壁 上部，出水管3位于井室內壁下部，在雨水進水管1與出水管3之間的井室15底面上豎直設立 有堰板5,堰板5高度低于雨水進水管1底部標高、高于出水管3頂部標高；
[0031] 在被堰板5分隔的雨水進水管1 一側的井室底部、與雨水進水管1正交的井室內壁 上設置有棄流管2;堰板5中部頂端有水平的凹口，凹口兩邊有卡口，前端內置鐵塊擋板7穿 過堰板5的凹口、兩側邊卡在卡口內，前端內置鐵塊擋板7的靠出水管3-邊上連接有兩個浮 球8;在雨水進水管1下方與前端內置鐵塊擋板7相對的井壁6上裝有磁鐵吸引裝置4;
[0032] 井室底面從上到下依次設有透水面層9、透水結構層10、砂墊層11、級配砂石基礎 墊層12和滲透到土層13。
[0033] 上述的前端內置鐵塊擋板7與堰板5的卡口之間留有一定空隙，減小滑動過程中的 磨擦力；前端內置鐵塊擋板7中心部為弧形凹槽，凹槽與雨水進水管1的1/3弧長相同，保證 水流在凹槽中間流。磁鐵吸引裝置4上裝有緩沖的橡膠圈。
[0034] 如圖3和圖4所示，在雨水進水管1的出水口和出水管3的進水口處設置有格柵17， 以攔截大塊污染物，并定期從爬梯14進入井室15進行清理，便于收集干凈的雨水。如圖1和 圖3所示，井室15底部設置流槽16，流槽16兩側具有一定的坡度，流槽流向出水管3的一端為 收縮口，防止出現死水區域。井室15中兩個爬梯14的中心的水平間距為350mm，豎直間距為 300mm〇
[0035] 出水管3的底部標高大于透水面層9的標高，且等于前端內置鐵塊擋板7頂端上升 至磁鐵吸引裝置4時，浮球8底端所處的標高。
[0036] 堰板5與雨水進水管1的水平距離和堰板的高度根據雨水進水管的管徑和坡度而 定；當雨水進水管管徑確定時，根據不同的坡度以及季節(針對不同雨型），可以適當調整堰 板5的高度，保證前期雨水棄流量。但堰板5可調最低的高度比出水管3管頂高。浮球8與前端 內置鐵塊擋板7相接的連桿是能伸縮的，配合堰板5的調節高度。
[0037]堰板5與雨水進水管1的水平距離和堰板5的高度計算，如圖5所示：
[0038] 射流拋物線外曲線方程:X = 0 · 36v2/3+0.6y4/7
[0039] 射流拋物線內曲線方程:Χ = 0·18 ν4Λ+0 · 7y3/4
[0040] 式中v-雨水進水管中的流速(m/s);
[00411 X-射流拋物線上任一點的橫坐標(m);
[0042] y-射流拋物線上任一點的縱坐標(m);
[0043] 公式適用條件：雨水進水管直徑D彡3m，雨水進水管坡度i〈0.025，流速v = 0.3~ 3m/s，雨水進水管通過最大初期雨水棄流量時的水流深度小于0.35m，內曲線縱坐標為 0.15m，外曲線的縱坐標小于1.5m。
[0044] 實施例
[0045] 以重慶沙坪壩區為例，其暴雨強度公式? ， (? + 6.:947) -
[0046] 式中q表示設計暴雨強度（L/s · ha)，t表示降雨歷時（min)，P表示設計重現期 (年）。按照經驗，一般建筑密度大、地形較陡、雨水口分布較密的地區和街區內設置的雨水 管，宜采用較小的地面集水時間ti值，可取ti = 5~8min，本設計中取ti = 8min，管內雨水流 行時間=Στ^，式中L表示雨水管長、v表示雨水流速。根據經驗 t2取5min，貝^ = = 6()v， 13min，當兩年一遇的頻率計算暴雨強度q = 287.58(L/s · ha)，無資料時，屋面頂初期棄流 的雨水徑流厚度采用2~3mm，地面棄流采用2~5_。根據重慶市沙坪壩區的情況，根據經驗 取Φ = 0.8;若匯水面積F = lha，則雨水進水管的雨水設計流量為Q = itqF = 230.06L/s (式中Φ 表示徑流系數，q表示設計暴雨強度（L/s · ha)，F表示匯水面積(hm2)，，雨水進水管采用 HDPE，粗糙系數為0.009，按照雨水進水管滿流計算得：
[0047] 雨水進水管管徑DN1 = 400mm，雨水進水管的雨水設計流速v = 1.83m/s，雨水進水 管設計坡度i = 5.849%〇。
[0048] 棄流雨水取初期lOmin，棄流量Q ' = 230.06 X 10/13 = 176.97L/s。棄流管2采用 HDPE，粗糙系數為0.009，按照棄流雨水管滿流計算得:棄流管管徑DN2 = 350mm，棄流管雨水 設計流速v = 1.84m/s，棄流管設計坡度i = 7.055%〇。
[0049] 由于棄流管棄流的初期雨水量并未達到峰值，所以為了安全起見，出水管3的管徑 =雨水進水管1管徑=400mm。計算出水管的相對尺寸如下：
[0050] 進水管管頂標高H〇=±O.OOOm，進水管管底標高出=-〇.40〇111。取進水管出口與外 管壁的距離L 5 = 100mm，進水管出口與堰板的水平距離L6 = 400mm，根據射流公式Χ = 0.18ν4Λ +0.7y3/,計算得進水管內射流曲線的縱坐標y = 123mm，則堰板頂部標高Η2 = -0.523m，保證 中后期雨水按滿流且安全，出水管頂部標高H3 = -0.723m，則出水管底部標高H4 = -1.123m。
[0051] 浮球閥的前端內置鐵塊擋板7放置與水平呈20°傾角，安全考慮，長度為(400+50+ 50)/cos20° =532 · 08mm，取540mm，厚度取30mm。浮球上升高度為400 X sin20° = 136 · 80mm， 約等于137mm。則井室15底部的透水面層標高為H5 = -l. 260m，棄流管的管底標高H6控制在-1.26m ~-1 · 123m 之間即可。將y = 0.000-(-1.260) = 1.260m 帶入射流公式 Χ = 0·36ν2/3+ 0.6y4/7得Χ= 1.223m。取安全距離300mm，所以井室的長度L4= 100+1223+300 = 1623mm取 1700mm。則堰板到出水管井壁的距離L3 = 1700-50-350-50-50 = 1200mm，井室寬度E3 = 50+ 150+400+150+50 = 800mm。井室上部尺寸進水管到井口的水平距離Ll = 700mm，出水管到井 口的水平距離L2 = 400mm。前端內置鐵塊擋板7擋板采用的材料是HDPE塑料，根據資料得P = 0.941~0.965g/cm3，取0.950g/cm3。近似計算得前端內置鐵塊擋板7塑料質量ml =0.950 X 54X3 X45 = 6925·5g，鐵塊質量取m2 = 7.8X45X2X2 = 1404g，浮球采用PP聚丙烯材質，重 量忽略不計。前端內置鐵塊擋板7和浮球總重量為m = 8329.5g，取m = 8500g。
[0052] 聚丙烯材料的動磨擦系數μ = 0.08~0.12，取0.10。
[0053] 如圖6所示，前端內置鐵塊擋板7的受力分析，降雨開始變大時刻滿足以下條件，
[0054] 對X軸:F sina=G sina+f
[0055] 對y軸：F cosa = N+G cosa
[0056] f=μΝ
[0057] 式中F表示兩個浮球所受的浮力，G表示前端內置鐵塊擋板和浮球的重力，f表示堰 板對擋板的動摩擦力，N表示堰板對擋板的彈力，a表示擋板與水平方向的傾角，μ表示動摩 擦系數。
[0058] 計算得兩個浮球的浮力F = 83.65N，取85Ν。只需保證兩個浮球浸沒深度為140mm時 所受最大浮力略大于等于85N。
[0059] 如圖7所示，對后期降雨變小即將停止時，前端內置鐵塊擋板7的臨界狀態的受力 分析：
[0060] 對X軸：Fc+f=G sina
[0061] 對y軸：N=G cosa
[0062] f=μΝ
[0063]式中Fc表示磁鐵裝置對擋板的引力，G表示前端內置鐵塊擋板和浮球的重力，f表 示堰板對擋板的動摩擦力，N表示堰板對擋板的彈力，α表示擋板與水平方向的傾角，μ表示 動摩擦系數。
[0064]計算得磁鐵裝置對擋板的引力Fc = 20.66N，取20Ν。所選擇的磁鐵的引力等于20Ν。 [0065] 井室15的透水面層厚度取100mm，透水結構層取150mm，砂墊層100mm，級配砂石基 礎墊層取200_。井筒固定存水量為1.200 X0.75X0.137 = 0.123m3(保守計算）。設計滲水 時間為12小時，則保證滲透系數為略大于等于3.17X10-4cm/s。
[0066]本發明具有如下的優點：1、適用于山地城市或者坡度較大的地區，它在起到將初 期雨水與中、后期雨水分流的作用的同時，還起到了消能的作用；2、提高了干凈雨水收集 率，克服了現有技術不能收集后期雨水的弊端;3、實現了雨水分流的機械自動控制，不需附 加能源。4、當雨量過大時，仍然具有溢流能力，從堰板的上方進行溢流，改變了以往雨水井 溢流時水質較差的缺點，而是滲透中后期干凈的雨水，有益于環境的保護，有效補給地下水 位。5.利用中后期雨水的下滲后井中水位的降低來控制棄流管上的前端內置鐵塊擋板，間 隔時間較短的兩場雨，不存在初期較臟雨水的情況，本發明仍然是關閉狀態，可以達到不棄 流，連續收集的目的。符合海綿城市的設計理念。
【主權項】
1. 一種雨水跌水棄流集水裝置，包括有井室（15)、雨水進水管（1)、棄流管（2)、出水管 (3 )和堰板(5 )，其特征是:雨水進水管（1)和出水管(3 )相對地安裝在井室（15 )內壁上，雨水 進水管（1)位于井室內壁上部，出水管（3)位于井室內壁下部，在雨水進水管（1)與出水管 (3)之間的井室（15)底面上豎直設立有堰板(5)，堰板（5)高度低于雨水進水管（1)底部標 尚、尚于出水管（3)頂部標尚； 在被堰板(5 )分隔的雨水進水管（1)一側的井室底部、與雨水進水管（1)正交的井室內 壁上設置有棄流管(2);堰板(5)中部頂端有水平的凹口，凹口兩邊有卡口，前端內置鐵塊擋 板(7)穿過堰板(5)的凹口、兩側邊卡在卡口內，前端內置鐵塊擋板(7)靠出水管(3)的一邊 上連接有兩個浮球(8);在雨水進水管（1)下方與前端內置鐵塊擋板相對的井壁(6)上裝有 磁鐵吸引裝置(4); 井室（15)底面從上到下依次設有透水面層(9)、透水結構層（10)、砂墊層（11)、級配砂 石基礎墊層（12)和滲透到土層（13)。2. 根據權利要求1所述的雨水跌水棄流集水裝置，其特征是：前端內置鐵塊擋板(7)與 堰板(5)的卡口之間留有空隙，前端內置鐵塊擋板(7)中心部為弧形凹槽。3. 根據權利要求2所述的雨水跌水棄流集水裝置，其特征是：雨水進水管（1)的出水口 和出水管(3 )的進水口處設置有格柵(17 )。4. 根據權利要求3所述的雨水跌水棄流集水裝置，其特征是：井室（15)底部設置流槽 (16 )，流槽(16 )兩側具有坡度，流槽流向出水管(3 )的一端為收縮口。
【文檔編號】E03F5/10GK105888037SQ201610209123
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月6日
【發明人】柴宏祥, 邵知宇, 沈月, 康威, 粟川容, 李亮, 何強
【申請人】重慶大學