城市道路排水口安全自動打開系統的設計

◇安徽理工大學力學與光電物理學院 汪裕 賈旭 陳澤賢 張宇航

城市化水平的提高導致城市道路排水問題突出，國內一些城市排水設施不完善，排水管網不夠健全，排水管道老化，排水標準比較低，排水系統建設落后，排水口的自動打開及防堵設計有利于緩解城市積水問題，減少內澇災害的發生。該排水口設計還集合重力感應裝置和紅外熱成像技術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、結構力學和數值仿真技術等給出排水口的設計要點和結構圖并篩選出制作排水口的理論最優材料和模型結構，再經過實地的實驗不斷地進行模型的優化和修改，得到最優的設計成品。改造后，排水口排量加大，有效解決排水問題。

隨著經濟的發展，中國城鎮化程度不斷提高，城市排水系統的問題也亟待改善。在雨水充沛的季節，往往因為城市排水能力的不足，或者排水口被樹葉雜物所覆蓋，從而導致了城市內澇問題嚴重，威脅人民的生命財產安全。因此，排水口的打開及防堵設計對于減少城市積水和內澇災害有著重要意義。

1 排水口設計要點

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

自動鎖死裝置。在排水口內置集成重力感應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 設計原理圖：浮力槽裝置

圖2 設計原理圖：自動鎖死裝置圖

2 排水口設計

（1）排水系統自動打開角度設計。

排水口在打開角度應從車輛通行、雜物防堵塞和積水排放效率等方面考慮。假設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，積水的單位面積質量為Q。通過以上多因素進行受力分析，求出排水口的受力情況，得出排水口打開的夾角的合適區間。通過對城市常見堵塞排水口雜物統計并用數值仿真技術進行多次實驗，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開合角度在5.35°至9.46°。

（2）排水口結構及自動打開設計。

運用分析力學、結構力學和流體力學對行駛的車輛、行人和積水流動進行受力分析，得出排水口的受力情況。根據受力情況，運用材料力學、結構力學、數值仿真技術等，得出排水口的最大正應力σ、最大切應力τ、強度β以及切應變γ的理論數值和較優的結構。根據上述理論數值選取叫合適的材料做成模型，進行多次的反復實驗并結合材料的自重和成本，挑選出最優的材料和形狀設計。

a、設計排水口上層蓋板的尺寸。設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，單位面積承受強度為β。根據本實驗設計要求得：

根據上述表格得出：蓋板面積越大，排水口蓋板的承受強度β越小。

c、排水口雙層傳動裝置設計。在排水口雙層結構一側安裝齒輪傳動裝置。根據本實驗設計要求排水口上下層（即排水口蓋板和浮力槽）反向開合以實現排水口自動打開關合，所安齒輪傳動裝置為反向轉動的兩大小不一（即上小下大）的嚙合齒輪。設上齒輪的半徑為R，開合轉過的角度為θ，下齒輪的半徑為r，開合轉過的角度為；結合理論力學得出兩齒輪之間的關系為：

圖4

（3）排水系統自動打開紅外和重力感應設計。

選取多個地區進行通行車輛進行調研，利用數理統計的多種方法得出交通高峰時間段。設定自動打開系統盡可能避開通行高峰期。根據全國居民平均體重G，得到理論最小重力閾值并設置為排水口自動打開系統的閾值。當排水裝置上的重力值達到閾值時，排水打開系統鎖死不會自動打開，從而確保安全。基于上述方法和數值，通過數值仿真模擬技術進行反復試驗，得出最理想的重力感應系統的閾值。

根據人體正常體溫變化區間設置紅外熱成像系統理論閾值。當排水裝置中的紅外感應系統檢測到熱源溫度處于設置范圍的區間時，自動打開系統鎖死，避免突發狀況導致排水口打開引發安全問題。

圖5 排水口結構簡圖

將上述重力感應系統和紅外熱成像系統串聯，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計。

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致的安全隱患，我們在排水口的下方安裝了網狀攔截物，進一步的保證了行人的生命和財產安全。同時在下雨結束后排水口會自動關閉，防止異味排出影響市民生活體驗。

圖6 排水口網狀攔截設計

3 排水口自動打開裝置的優點

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。在設計時選用牢固的連接方式和承載結構使其在兼具材料節約、減少經濟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，進而提高城市道路的使用壽命，減少道路維護、維修成本。

4 排水口自動打開系統的應用前景

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

5 設計總結

本設計實驗通過控制變量法、受力分析和數值仿真技術對排水口開合角進行實驗設計得到合理的開合區間（開合角在5.35°至9.46°）。利用集成紅外感應裝置、浮力感應裝置和重力感應裝置等高新科技使得排水口具有自主性和安全性。通過不斷地模擬實驗并結合結構力學對移動載荷引起的受力變化進行分析和求解得到最簡潔的浮力閥門支柱結構（三角穩定結構）。將上述設計步驟和設計結構經過最終經過優化設計得出設計結果。

本實驗設計由于本裝置實驗數據大多來自數值仿真模擬，情況可能與實際情況存在偏差。數據采集具有局部性，實驗果可能會和實際存在一定的誤差。