基于GIS的地下停車庫應(yīng)急防汛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘" 要：為有效應(yīng)對(duì)城市洪澇災(zāi)害浸泡地下車庫車輛帶來的損失問題，切實(shí)保護(hù)市民的生命財(cái)產(chǎn)安全，從智能化、綠色化、可推廣及減少人員參與的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）的地下停車庫應(yīng)急防汛系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用了洪水自身的浮力特點(diǎn)，采用壓力傳感器輔助感應(yīng)，利用絲杠機(jī)構(gòu)進(jìn)行輔助抬升，在裝置內(nèi)對(duì)洪水進(jìn)行疏導(dǎo)引流，同時(shí)借助水動(dòng)力方式實(shí)現(xiàn)以水堵水的功能。裝置采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并嵌有GIS信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)接收預(yù)警并進(jìn)行遠(yuǎn)程操縱，提前做好應(yīng)對(duì)措施。所設(shè)計(jì)的應(yīng)急防汛系統(tǒng)，操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可有效降低洪澇災(zāi)害造成的財(cái)產(chǎn)損失。

關(guān)鍵詞：地下停車庫;應(yīng)急防汛系統(tǒng);防洪門;GIS

中圖分類號(hào)：TU998.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2021）13-0033-04

Abstract： In order to effectively deal with the losses brought by urban flood disasters to underground garage and vehicles and guarantee the safety of citizens' lives and property， an emergency flood control system of underground parking garage based on geographic information system （GIS） was designed from the perspectives of intelligence， greening， popularization and reducing personnel participation. The system made use of the buoyancy characteristics of flood， adopted pressure sensor to assist induction， and used screw mechanism to assist lifting， so as to dredge and drain the flood in the device， and at the same time， realized the function of blocking water with water by means of hydrodynamic force. The device adopted the Internet of Things technology and was embedded with GIS information monitoring system， which could receive early warning in real time， conduct remote operation and take countermeasures in advance. The designed emergency flood control system has proved to be easy to operate and is simple in structure， thus effectively reducing the property losses caused by floods.

Keywords： underground parking garage; emergency flood control system; flood control gate; GIS

隨著全球氣候持續(xù)變暖及城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，面對(duì)特大暴雨時(shí)，城市內(nèi)部地下車庫、地處低洼地區(qū)的住戶，由于市政排水系統(tǒng)無法及時(shí)排水，持續(xù)的雨水會(huì)導(dǎo)致市區(qū)發(fā)生內(nèi)澇問題[1]。以地下車庫為例，洪水一旦涌入，將造成車庫內(nèi)大量車輛被淹，極易產(chǎn)生巨額的財(cái)產(chǎn)損失，導(dǎo)致賠償糾紛，甚至發(fā)生人員傷亡問題，造成巨大的社會(huì)負(fù)面影響[2]。而傳統(tǒng)的壘沙包、封大門的方式，不僅給市民的日常出行帶來了極大的不便，而且耗費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力。面對(duì)上述民生問題，本文提出設(shè)計(jì)一種基于GIS的地下停車庫應(yīng)急防汛系統(tǒng)，通過以水堵水和機(jī)械輔助抬升防洪門的方式進(jìn)行防洪，能有效應(yīng)對(duì)城市洪澇問題。

1 基于GIS應(yīng)急防汛系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)急防汛系統(tǒng)由GIS信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、應(yīng)急防汛裝置共同組成，可適用于多種工作環(huán)境，例如地下停車庫、一樓門面房、地鐵站出入口等場(chǎng)合，是針對(duì)洪澇災(zāi)害多發(fā)地區(qū)和水利工程建設(shè)的一種智能化產(chǎn)品。在使用時(shí)將該裝置埋于地下，下方連接相應(yīng)的市政排水系統(tǒng)，上方的水篦子與地面平齊。在發(fā)生洪澇災(zāi)害或者在接收到GIS洪災(zāi)預(yù)警時(shí)，及時(shí)對(duì)水流進(jìn)行疏導(dǎo)與分流。利用水動(dòng)力和絲杠機(jī)構(gòu)雙抬升組合方式，快速實(shí)現(xiàn)防汛裝置及時(shí)、高效地抬升阻斷水流，其工作原理如圖1所示。

1.1 地下停車庫應(yīng)急防汛裝置設(shè)計(jì)

應(yīng)急防汛裝置由防洪門部分和水箱體部分共同組成，安裝于地下停車庫進(jìn)出口，如圖2所示。應(yīng)急防汛系統(tǒng)控制部分主要由中控部分、框體部分、防洪門部分和水箱體部分組成。中控部分嵌于框體的側(cè)面，防洪門固定連接在框體部分上，由內(nèi)、外門組成，內(nèi)門鑲嵌在外門內(nèi)部。框體兩側(cè)設(shè)置有滑軌，防洪門通過滑軌可以實(shí)現(xiàn)升降和限位功能，水箱體底端連接排水系統(tǒng)。

1.2 中控部分及GIS信息檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中控部分設(shè)置于框體的側(cè)邊內(nèi)部，包括PLC控制總成、PLC控制顯示屏、壓力傳感器、開關(guān)總閘、急停按鈕、信號(hào)傳輸器和電源箱等。打開中控部分的箱門，拉起開關(guān)總閘，停車庫防洪門隨即開始運(yùn)行，操作人員可以選擇自動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)防洪門的自動(dòng)升起。特殊情況下也可以開啟手動(dòng)操作模式，并通過操作按鈕進(jìn)行操作，按下急停按鈕可立即停止運(yùn)行。中控部分內(nèi)置GIS信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，停車庫防洪門的運(yùn)行狀態(tài)均可通過信號(hào)傳輸器傳輸至遠(yuǎn)程終端，便于監(jiān)測(cè)人員實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)監(jiān)測(cè)人員也可通過遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)對(duì)防洪門進(jìn)行相應(yīng)的操作。當(dāng)接收到GIS洪災(zāi)預(yù)警時(shí)，防洪門將自行啟動(dòng)。防洪門升降系統(tǒng)通過外接的三相電源供能，當(dāng)發(fā)生特殊情況不能從外界獲取電源時(shí)，內(nèi)置的蓄電池通過轉(zhuǎn)化器自動(dòng)供電。

1.3 防洪門部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防洪門內(nèi)門內(nèi)嵌于防洪門外門，由其主體、減速帶以及提升機(jī)構(gòu)組成，內(nèi)門上的滑塊可沿著外門內(nèi)的滑槽上下移動(dòng)。在日常使用中，防洪門內(nèi)門通常處于升起狀態(tài)，即在提升機(jī)構(gòu)的運(yùn)作下提升至最高處，當(dāng)有車輛行駛至車庫前并經(jīng)過車輛信息驗(yàn)證后，提升機(jī)構(gòu)停止運(yùn)作，內(nèi)門下降至最低點(diǎn)，同時(shí)減速帶降至與路面平齊位置。

防洪門外門內(nèi)部采用空心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，側(cè)邊嵌有壓力傳感器。為了防止外門因內(nèi)門下降時(shí)接觸而造成的磨損，在防洪門外門與內(nèi)門的接觸面設(shè)有減震帶，保證內(nèi)門能在外門中緩慢下降并提高內(nèi)、外門之間的機(jī)械配合。同時(shí)為了增強(qiáng)防洪門整體的排水能力，在防洪門外門的底部設(shè)有水流沖擊凹槽，凹槽結(jié)構(gòu)既增強(qiáng)了排水能力，又提高了防汛門兩側(cè)的密封性，防止水流從側(cè)邊涌入防洪門內(nèi)部，引起門內(nèi)電子系統(tǒng)的故障及內(nèi)部零件的加速老化問題。洪水來臨時(shí)水流通過裝置內(nèi)部疏導(dǎo)形成水動(dòng)力源抬起防汛門上升，同時(shí)外門側(cè)部的壓力傳感器在監(jiān)測(cè)到水位每達(dá)到一個(gè)預(yù)定位置時(shí)，便會(huì)驅(qū)動(dòng)絲杠機(jī)構(gòu)對(duì)防洪門進(jìn)行輔助抬升。當(dāng)接收到預(yù)警需提前升起防洪門時(shí)，機(jī)械抬升機(jī)構(gòu)也會(huì)隨之啟動(dòng)并帶動(dòng)防洪門整體抬升，所設(shè)計(jì)的雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)可以有效增強(qiáng)突發(fā)情況下防汛門的應(yīng)急處理能力[3]。

1.4 水箱體部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水箱體部分是裝置運(yùn)行的保障，主要包含排水、蓄水和驅(qū)動(dòng)三大功能。水箱體底部與室外下水道相連通。井道內(nèi)壁采用疏水材料，便于洪水過后水流的排出，井道旁設(shè)有引流道與防汛門下方的蓄水池貫通。當(dāng)洪水來臨時(shí)通過位于水箱體部分的頂部的水篦子流向井道內(nèi)。當(dāng)洪水退去時(shí)再通過設(shè)置于水箱體內(nèi)部的管道流向下水道。當(dāng)水流較為緩慢時(shí)，水流直接通過管道流向下水道;而當(dāng)水流較湍急并且水流入水箱體的速度大于管道的排水速度時(shí)，水流順著引流道進(jìn)入蓄水室存儲(chǔ)。當(dāng)洪水完全充滿水箱體部分后，水箱體部分在水的浮力作用下將帶動(dòng)防洪門沿著框體滑軌向上運(yùn)動(dòng)。

2 應(yīng)急防汛裝置力學(xué)分析

防洪門是由防洪門內(nèi)門、防洪門外門和預(yù)埋件等部件組成。考慮靜水壓力和水流沖擊力等組合荷載的作用，對(duì)防洪門內(nèi)、外門承載力進(jìn)行計(jì)算分析。利用有限元法對(duì)防洪門內(nèi)、外門進(jìn)行靜力學(xué)分析。

2.1 靜水荷載與沖擊荷載計(jì)算

靜水荷載是防洪門常見的一種受載荷狀態(tài)，如圖3所示。靜水荷載在水的壓強(qiáng)下一般呈現(xiàn)三角形形式[4]，靜水壓強(qiáng)P可由式（1）計(jì)算：

P=？籽ghd，" " "（1）

式（1）中：ρ為水的密度，一般取103kg/m3，洪水中因混雜有雜質(zhì)粒子，密度較大于一般水的密度;g為重力加速度;h為防洪門的擋水高度;d為防洪門跨長。

當(dāng)發(fā)生洪澇災(zāi)害時(shí)，水流中往往伴隨著各類雜質(zhì)，這些雜質(zhì)撞擊應(yīng)急防洪門時(shí)，會(huì)對(duì)門體產(chǎn)生一定的沖擊荷載，如圖4所示。依據(jù)能量守恒定律可以得出，雜質(zhì)分子的動(dòng)能將轉(zhuǎn)化為對(duì)門體的應(yīng)變能，由式（2）求得：

m（？淄sin？琢）2= CF？啄2，（2）

式（2）中：m為雜質(zhì)分子質(zhì)量;v為雜質(zhì)的速度（與水流速度一致）;？琢為雜質(zhì)物與門體之間的攻角;CF為防洪門的彈性剛度;？啄為門體結(jié)構(gòu)的變形量。

其產(chǎn)生的沖擊荷載為：

。 （3）

2.2 有限元計(jì)算分析

防洪門、外門作為整個(gè)防汛裝置的主體部件，在裝置中起到至關(guān)重要的作用，對(duì)其自身的強(qiáng)度及抗疲勞強(qiáng)度在外力作用下的變形、位移等都有較高的要求，在此對(duì)防洪門內(nèi)、外門進(jìn)行整體靜力學(xué)分析。其應(yīng)力、位移模擬結(jié)果如圖5所示。

兩個(gè)任意形狀的物體接觸于一點(diǎn)，在法向力F作用下壓緊并形成橢圓形的接觸表面[5]，其中最大應(yīng)力、最大變形位移量運(yùn)用赫茲式（4）、式（5）計(jì)算可得：

式（4）、式（5）中：？滓max（Mpa）是最大應(yīng)力值;？啄max（Mpa）是最大變形位移量;F為法向力;R為物體表面在接觸點(diǎn)的曲率半徑;V1、V2為兩接觸物體的泊松比（水的泊松比V水=0.5）;E1、E2為兩接觸物體的彈性模量（水在標(biāo)況下彈性模量E水=2.18×109Pa）。

假設(shè)施加的法向力F=5000N。由式（4）、式（5）計(jì)算得最大許用應(yīng)力值[？滓]為2.2×105N/m2，最大許用變形位移量[？啄]為1.64×10-2mm。基于SolidWorks軟件中Simulation模塊[6]計(jì)算得到最大的應(yīng)力值為2.1×105N/m2，最大位移值為1.61×10-2mm。模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)比，其最大數(shù)值均小于許用數(shù)值。故防洪門內(nèi)、外門達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)度要求，滿足實(shí)際使用需求。

3 樣機(jī)制作

根據(jù)上述防洪裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和靜力學(xué)分析，制作如圖6所示的地下停車庫應(yīng)急防汛裝置樣機(jī)（防洪門全升起）。中控部分集成了PLC控制總成、顯示屏、壓力傳感器和控制開關(guān)等部件;框體和防洪門部分采用不銹鋼板制作;水箱體部分利用亞克力板制作，與框體之間密封良好。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)水箱體注入清水后，防洪門及時(shí)升起，運(yùn)行情況良好，滿足使用要求，達(dá)到了預(yù)期效果。

4 結(jié)束語

（1）基于GIS應(yīng)急防汛系統(tǒng)內(nèi)嵌有GIS預(yù)警系統(tǒng)，可提前感知、遠(yuǎn)程操縱、高效應(yīng)對(duì)。同時(shí)其應(yīng)用了連通器原理，確保防汛門抬升高度大于等于水面高度，且水動(dòng)力和絲杠抬升的雙驅(qū)動(dòng)方式保證了其運(yùn)轉(zhuǎn)可行性。

（2）該設(shè)計(jì)可適用于多種工作環(huán)境，安裝使用時(shí)只需將該裝置置于入口處地下，裝置底部與排水系統(tǒng)相連，上方水篦子與地面平齊后將其固定即可，安裝完畢后不影響日常正常出行，當(dāng)發(fā)生洪澇災(zāi)害時(shí)可迅速啟動(dòng)防洪門阻斷水流，保證廣大群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]范良凱，連小瑩.地下工程采用水動(dòng)力全自動(dòng)防洪閘應(yīng)對(duì)供水管道爆管倒灌的應(yīng)用研究[J].建設(shè)科技，2019（23）：20-22.

[2]劉興昌，黃廣文.城市防洪及其規(guī)劃問題的思考[J].水土保持通報(bào)，2002（4）：57-61.

[3]段亞娟.移動(dòng)式防洪墻力學(xué)性能試驗(yàn)及施工工藝研究[D].鄭州：華北水利水電大學(xué)，2017.

[4]姚明星，范力陽，彭庭，等.移動(dòng)式防洪墻構(gòu)件承載力的計(jì)算方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（11）：4577-4582.

[5]吳軍君，倪立建，陳海云，等.移動(dòng)式防洪墻擋水試驗(yàn)研究[J].水電能源科學(xué)，2017，35（3）：85-88.

[6]孫海濤，崔亮，孫立明，等.SolidWorks2018有限元運(yùn)動(dòng)仿真與流場(chǎng)分析自學(xué)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2019：156-180.