城市道路排水口安全自动打开系统的设计

◇安徽理工大学力学与光电物理学院 汪裕 贾旭 陈泽贤 张宇航

城市化水平的提高导致城市道路排水问题突出，国内一些城市排水设施不完善，排水管网不够健全，排水管道老化，排水标准比较低，排水系统建设落后，排水口的自动打开及防堵设计有利于缓解城市积水问题，减少内涝灾害的发生。该排水口设计还集合重力感应装置和红外热成像技术保证自动打开的同时也能确保汽车及过往行人的安全。利用材料力学、结构力学和数值仿真技术等给出排水口的设计要点和结构图并筛选出制作排水口的理论最优材料和模型结构，再经过实地的实验不断地进行模型的优化和修改，得到最优的设计成品。改造后，排水口排量加大，有效解决排水问题。

随着经济的发展，中国城镇化程度不断提高，城市排水系统的问题也亟待改善。在雨水充沛的季节，往往因为城市排水能力的不足，或者排水口被树叶杂物所覆盖，从而导致了城市内涝问题严重，威胁人民的生命财产安全。因此，排水口的打开及防堵设计对于减少城市积水和内涝灾害有着重要意义。

1 排水口设计要点

浮力槽装置。排水口设置双层结构，上层采用密度相对较小的高强度复合材料制成盖板。下层连接浮力水槽，通过上层复合材料的通水孔将积水在浮力槽中，利用积水产生的浮力差使上层的排水口盖板自动打开。

自动锁死装置。在排水口内置集成重力感应和红外成像装置来确定排水口在自动打开时检测排水口上方是否有行驶的汽车以及行人，从而保证安全。

图1 设计原理图：浮力槽装置

图2 设计原理图：自动锁死装置图

2 排水口设计

（1）排水系统自动打开角度设计。

排水口在打开角度应从车辆通行、杂物防堵塞和积水排放效率等方面考虑。假设过往车辆的平均载荷为P，过往行人的平均荷载为G，排水口的面积为S，排水口的直径为d，排水口自动打开夹角为a，每个浮力阀门提供的支撑力为f，积水的单位面积质量为Q。通过以上多因素进行受力分析，求出排水口的受力情况，得出排水口打开的夹角的合适区间。通过对城市常见堵塞排水口杂物统计并用数值仿真技术进行多次实验，得出排水装置理论最适开合角。

图3 排水口受力分析简图

综合上述表格，可以大致得出排水口自动打开系统开合角度在5.35°至9.46°。

（2）排水口结构及自动打开设计。

运用分析力学、结构力学和流体力学对行驶的车辆、行人和积水流动进行受力分析，得出排水口的受力情况。根据受力情况，运用材料力学、结构力学、数值仿真技术等，得出排水口的最大正应力σ、最大切应力τ、强度β以及切应变γ的理论数值和较优的结构。根据上述理论数值选取叫合适的材料做成模型，进行多次的反复实验并结合材料的自重和成本，挑选出最优的材料和形状设计。

a、设计排水口上层盖板的尺寸。设作用在盖板上面的荷载重为G，盖板的受力面积为S，盖板的密度为ρ，单位面积承受强度为β。根据本实验设计要求得：

根据上述表格得出：盖板面积越大，排水口盖板的承受强度β越小。

c、排水口双层传动装置设计。在排水口双层结构一侧安装齿轮传动装置。根据本实验设计要求排水口上下层（即排水口盖板和浮力槽）反向开合以实现排水口自动打开关合，所安齿轮传动装置为反向转动的两大小不一（即上小下大）的啮合齿轮。设上齿轮的半径为R，开合转过的角度为θ，下齿轮的半径为r，开合转过的角度为；结合理论力学得出两齿轮之间的关系为：

图4

（3）排水系统自动打开红外和重力感应设计。

选取多个地区进行通行车辆进行调研，利用数理统计的多种方法得出交通高峰时间段。设定自动打开系统尽可能避开通行高峰期。根据全国居民平均体重G，得到理论最小重力阈值并设置为排水口自动打开系统的阈值。当排水装置上的重力值达到阈值时，排水打开系统锁死不会自动打开，从而确保安全。基于上述方法和数值，通过数值仿真模拟技术进行反复试验，得出最理想的重力感应系统的阈值。

根据人体正常体温变化区间设置红外热成像系统理论阈值。当排水装置中的红外感应系统检测到热源温度处于设置范围的区间时，自动打开系统锁死，避免突发状况导致排水口打开引发安全问题。

图5 排水口结构简图

将上述重力感应系统和红外热成像系统串联，为排水口自动打开安全问题提供双重保障。

（4）排水口自动打开安全除臭设计。

为了拦截下雨雨水中掺杂的垃圾与杂物，防止行人或者贵重物品坠落导致的安全隐患，我们在排水口的下方安装了网状拦截物，进一步的保证了行人的生命和财产安全。同时在下雨结束后排水口会自动关闭，防止异味排出影响市民生活体验。

图6 排水口网状拦截设计

3 排水口自动打开装置的优点

排水口打开一定的角度有利于提高积水疏通效率，改善城市雨季道路排水问题。与此同时，具有较高的安全性，较大程度上减少排水口堵塞问题。在设计时选用牢固的连接方式和承载结构使其在兼具材料节约、减少经济成本的同时还具有较高的承载能力；积水的快速排泄可减少雨水对路面及地上建筑的渗透腐蚀，进而提高城市道路的使用寿命，减少道路维护、维修成本。

4 排水口自动打开系统的应用前景

排水口自动打开装置不仅可以应用于城市道路排水，还可应用于建筑物顶层排水系统和居民住房排水系统等。应用于建筑物的顶层排水系统，可以避免因杂物堵塞造成排水不畅，导致建筑物长时间被雨水浸泡，从而延长建筑物的使用寿命，减少维修经济成，提高经济效益。应用于居民住房排水系统，可以减少突发状况（例如水管开裂，住房进水等）造成的经济损失，保证居民生命财产安全。

5 设计总结

本设计实验通过控制变量法、受力分析和数值仿真技术对排水口开合角进行实验设计得到合理的开合区间（开合角在5.35°至9.46°）。利用集成红外感应装置、浮力感应装置和重力感应装置等高新科技使得排水口具有自主性和安全性。通过不断地模拟实验并结合结构力学对移动载荷引起的受力变化进行分析和求解得到最简洁的浮力阀门支柱结构（三角稳定结构）。将上述设计步骤和设计结构经过最终经过优化设计得出设计结果。

本实验设计由于本装置实验数据大多来自数值仿真模拟，情况可能与实际情况存在偏差。数据采集具有局部性，实验果可能会和实际存在一定的误差。