一體化防倒灌截流井的設計優化分析

吳柏良 劉長奇 丁浩 雷育霖 鄭志豪

中建三局綠色產業投資有限公司 湖北武漢 430000

隨著國內經濟發展，居民生活污水、工業廢水等污水量不斷增加，污水漏排、偷排的現象也日益嚴重。目前國內大部分的城市仍以雨污合流制的排水系統為主，尤其是工業園區、城中村等人口密集區。合流制的管道主要功能是將城市旱流污水和初期雨水截流入污水管道，以防止城市水體受到更為嚴重的污染[1]。依據“控源為本，截污優先”的水體治理思路之一，將合流制污水進行截流控源，是水體治理的關鍵措施。本文主要分析了幾種類型的截流井及防倒灌措施的優缺點，并結合我國東南沿海地區合流制排水體系的特點，推薦一種一體化的防倒灌截流井，可大大提高截流及防倒灌效果，減少河道污染。

1 截流井的類型以及優缺點

截流井作為合流制排水體系下截污的重要措施之一，它的主要作用在于：

（1）旱季將合流管內的污水接入新建污水管，保證旱季污水不入河；

（2）雨季將初期雨水帶來的污染源截至新建污水管或調蓄池，確保初雨不入河；

（3）暴雨季通過截流井溢流，將雨水排入河內，防止大量雨水接入污水管造成污水處理廠營運困難。

目前，國內外的截流井主要有跳躍式截流井、堰式截流井、槽式截流井、槽堰結合式截流井以及基于這幾種井的改進形式。

跳躍式截流井是截流井的最初形式，其他形式的井都是在此基礎上改進而來。相較于其他形式的截流井，跳躍式截流井最明顯的特點是合流管有高程的變化。圖1 為跳躍式截流井，當合流管內水流量較大的時候，污水會直接越過下方的截流管，直接從下面的管道排出。跳躍式截流井對水位有一定的要求，河道的洪水位不能超過下游合流管的管內底高程，已建合流管管內底低于洪水位的不適合采用。當河道洪水位較低時候，可以通過改造出水段合流管降低標高而做成跳躍式截流井。但絕大多數截流工程不適合改成跳躍式截流井，所以實施跳躍式截流井工程實例還是比較少見。

堰式截流井是一種應用比較廣泛、技術比較成熟的一種，如圖2所示，堰式截流井分為兩段，前半段為截污段，后半段為溢流段。截污段的主要作用是在旱季將現狀合流管排出的污水通過新建的截污管流入市政污水管道，保證旱季污水不入河；溢流段通過設置溢流堰與截污段隔開，大暴雨時，截流井的水位迅速抬升，沒過溢流堰排入現狀合流制排口直排入河，以防止大量雨水進入市政污水管道。

圖1 堰式截流井示意圖

槽式截流井一般在井內設置一道與截流管管徑等寬的截流槽，槽底應低于合流管的管內底，槽深一般要小于截流管管徑，圖3 為槽式截流井示意圖。與堰式井相比，槽式截流井的效率要高于堰式。根據相關的研究證明，堰式截流效率一般不超過80%，而槽式截流井的截流效率可以達到85%以上。另外，槽式截流井無需設置溢流堰，不會影響合流管的排水能力，但這種截流井的截流量不易控制，當污水流量太大時候容易發生污水外泄。

圖2 槽式截流井示意圖

槽堰結合式截流井在槽式截流井的基礎上設置了一道較低的溢流堰。圖4 為槽堰結合式截流井示意圖，它兼具堰式截流井和槽式截流井的優點，既可以減少井內淤泥的淤積，又可以減小對雨水溢流的影響。

圖3 槽堰結合式截流井示意圖

通過對幾種不同形式的截流井從使用范圍、施工周期、截留效率等方面進行分析比較，如表1 所示。跳躍式截流井因為對下游管道高程有要求以及截流效率低在工程中實際使用比較少，其他諸如堰式截流井、槽式截流井、槽堰結合截流井在工程中比較常見，但有一定的缺點，需要進一步優化。

2 防倒灌裝置介紹

在潮汐或者汛期等天氣條件下，有些河流或者排水口會出現排口水位低于受納水體的情況，這時候往往會發生水體倒灌。為了保證排水系統的正常穩定運行，目前工程實踐中有三種比較常見的防倒灌措施，分別是鴨嘴閥、拍門以及閘閥。

2.1 鴨嘴閥

柔性橡膠止回閥是用橡膠材料制造的全柔性止回閥[2]。其工作原理是利用內壓差開啟，外壓差關閉，因為其外型酷似鴨嘴因此形象稱其為鴨嘴閥，如圖5 所示。目前鴨嘴閥廣泛被應用于城市截污管網系統以及城市排洪體系，其與截流井聯合使用，可以最大限度減少水力損失使水流易于通過的同時，可以防止河水倒灌。

表1 幾種截流井形式的比較

制作柔性鴨嘴閥的材料很多，如純橡膠、氯丁橡膠、丁基橡膠氟橡膠等，其可塑性強，可對鴨嘴閥的材料進行改性，增強材料的硬度、強度、耐腐蝕耐老化能力，使其滿足特定環境下的需求，比如：制備的過程中增加加強纖維等。

鴨嘴閥止回閥有諸多優點：基于材料特點鴨嘴閥不會腐蝕生銹，沒有機械故障，無需維護主要靠壓力差來控制水流，工作時不需要額外投入人力電力等資源；經久耐用，安裝方便；密封性能好，閥門關閉時，基本不會滲漏。

2.2 拍門

防倒灌原理：在管道有水流動時候，水流流動的沖擊力持續頂起拍門，拍門向上掀，水從管道流出；管道沒有水排出時候，拍門自然下垂閉合，可以防止水倒灌進入管道。拍門的定期維護主要包括轉動軸的維護，密封裝置的維護，以及門板的維護，憑借其簡單的結構，拍門具有維修方便、節省投資等優點而被廣泛應用于各種泵站水閘、入河排口。

但是目前拍門也存在一些缺陷，一是出口水力損失偏大，二是水流停止時，在水壓和拍門的自重作用下會產生較大的撞擊力，對拍門自身和構筑物會造成較大的損害，三是拍門一般為鋼材制品，在水中會發生腐蝕，拍門的轉動軸容易磨損，有一定的維護成本，且會有一些雜質堵塞纏繞在轉動軸上，致使拍門不能完全閉合，不能完全防止河水倒灌。

2.3 閘閥

閘閥具有密封性好但容易生銹的特點，而且閘閥一般用電動裝置進行控制，整個系統由控制電箱、齒輪、導軌、門板、連接桿等構件組成，容易發生機修故障，對后期的運營帶來了很大的難度。

通過對三種防倒灌措施的分析，我們從堵塞情況、防腐性能、防滲性能、設備造價及運營難度等方面進行分析，相較于拍門與閘閥，柔性鴨嘴閥不易淤堵、防腐性能好、設備造價低、運維簡單，具有較好的應用前景。

3 一體化防倒灌截流井介紹

本次推薦的一體化防倒灌截流井是截流井和鴨嘴閥的有機結合，該防倒灌污水截流系統適用于沿海感潮地區，能在截污的情況下有效防止河水倒灌，相較于傳統的污水截流系統，具有對行洪影響小、構造簡單、施工方便等優點，如圖6 所示為一體化防倒灌截流井。

表2 幾種防倒灌設施的比較

圖4 一體化截流井

一體化防倒灌截流井，包括內部被擋墻分割為兩個獨立的空間，井體的上半段設置截污管，截污管處設置限流浮筒閥，在大量雨水從合流管流出時，可以帶動閘門旋轉，使污水管口面積大大縮小，限制雨水大量流入污水管道，主要為了減輕下游污水處理廠的負荷，保證污水處理廠高效運行；截流井下半段設置鴨嘴閥，進水腔的水可以順利進入溢流排水腔，當外河水位較高，灌滿溢流排水腔時，水流無法通過鴨嘴閥倒流進進水腔，有效地防止河水倒灌。

河涌的截污納管是黑臭水體整治最直接有效的工程措施，也是采用其他技術手段的前提。截流井的選擇是控源截污關鍵一環，直接關系到截污工程措施的實際效能。本著城市黑臭水體整治技術應遵循適用性、綜合性、經濟學、長期性和安全性的原則，本文所優化設計的一體化防倒灌截流井，為治理污水排口水位會發生相對變化的沿海感潮型水體提供了一種可行性思路，可操作性強，具有重大的現實意義。