本发明涉及一种用于海绵城市的势能加压雨水排蓄系统及方法。
背景技术：
海绵城市，是新一代城市雨洪管理概念，是指城市在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”，也可称之为“水弹性城市”。国际通用术语为“低影响开发雨水系统构建”。下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。
建设海绵城市，首先要扭转观念。以“慢排缓释”和“蓄存错峰”为雨水系统主要设计理念，既避免了洪涝，又有效的收集了雨水。
雨水斗是设在屋面雨水由天沟进入雨水管道的入口处。雨水斗有整流格栅装置，能迅速排除屋面雨水，格栅具有整流作用，避免形成过大的旋涡，稳定斗前水位，减少掺气，迅速排除屋面雨水、雪水，并能有效阻挡较大杂物。雨水斗收集的雨水进入雨水管道，流至雨水箱中，当雨水箱储存的雨水超过某一液位时，经溢流管排出。
重力流是指雨水在雨水管内，依靠重力的作用（坡度）向前流动，一般为不充满流，适合雨水量较小时的排水；压力流是指通过给雨水加压，使雨水形成快速满流的状态流动，适合雨水量较大时使用。
在我国很多城市中，都存在雨水排放不畅的问题，具体产生的原因可以大致分为以下几个方面：
①地面拦污堵塞严重。雨季来临的时候，在较强降雨的影响下，城市排水管道因为管径等原因，使得排水速度满足不了要求，同时，雨水管道内夹带来自地面的泥沙、树叶和部分生活垃圾等，给管道的清理和疏通维护带来了很大的困难。
②雨水管道出水口受阻。当前我国大部分城市的雨水，是通过雨水管道就近排入河流等水体。但是很多位于平原地区的城市，因为受到所在位置地形的制约，出水口采用淹没式，使得出水口的位置要低于水体的水位。在雨季，水体水位普遍上涨，受到水体水位的顶托，雨水管道里面的水流速度减慢，造成了排水管道的排水能力降低。当雨季来临的时候低洼地段长时间的存在积水问题，影响了周边居民的通行。
③城市雨水管道之间缺乏必要的连通。当前雨水管道一般会建成几个独立的排水系统来进行雨水排除，各个排水系统之间互不连通。但是在实际的排水过程中，因为雨水管道各个系统的汇水多少、集水的时间有其不确定性，所以在汛期雨水高峰流量不可能同时发生，各个排水系统的排水能力也就不一样。
phc管桩，即预应力高强度混凝土管桩。是采用先张预应力离心成型工艺，并经过10个大气压、1800℃左右的蒸汽养护，制成一种空心圆筒型混凝土预制构件，标准节长为10m，直径从300mm～800mm，混凝土强度等级≥c80。phc管桩是由侧阻力和端阻力共同承受上部荷载，且对持力层起伏变化大的地质条件适应性强，因此适应地域广，建筑类型多。在大型建筑中，phc管桩的使用量很大，单个项目的使用量经常达到数百甚至数千根，桩基深度可达数十米。为保护桩下端以及封底、防止管内进土，防止桩移位，有效提高管桩的单桩承载力，phc管桩进行压桩施工时，常在phc管桩的端头部位安装桩尖。桩尖有十字型和尖头型等。针对使用桩尖阻力和桩身侧面与土之间的摩擦力共同来承担上部结构荷载摩擦phc管桩，其桩尖仍然在软土层中。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种当雨天降雨量较大，地面雨水排出不顺畅时，可以将雨水进行零耗能加压，使雨水在管道中的流态由不充满流变为充满流，提高雨水管的排放能力，能很好地解决超高层或高层建筑周围地面产生积水问题的用于海绵城市的势能加压雨水排蓄系统及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明之用于海绵城市的势能加压雨水排蓄系统，包括雨水箱、废水箱、第一溢流管、第二溢流管、市政污水管网、市政雨水管网和过滤器，还设有第一电动阀、第二电动阀、第三电动阀、第一止回阀、第二止回阀、第四电动阀、第五电动阀、第六电动阀、第三止回阀、第七电动阀、第四止回阀、第八电动阀、第九电动阀、第五止回阀、第六止回阀、第十电动阀、第一电动调节阀、第一活塞式储水罐、第二活塞式储水罐、第八止回阀、第九止回阀和控制器；
所述第一电动阀的一端与同室外地面排水口相连的管道相连接，另一端通过管路与第一止回阀相连接，所述第一止回阀通过管道与第二活塞式储水罐的右端相连接；所述第二活塞式储水罐的右端通过管路第二止回阀相连接，所述第二止回阀通过管道与第二电动阀相连接，所述第二电动阀通过管路与两端分别设有第三止回阀的管路相连接，其中一个第三止回阀通过管路与市政雨水管网相连接，另一个第三止回阀通过管路与第九电动阀相连接，所述第九电动阀分别通过管路与第二活塞式储水罐左端相连接、通过管路与同雨水箱相连的第一溢流管相连接；
所述第八电动阀的一端与同室外地面排水口相连的管道相连接，另一端通过管路与第二活塞式储水罐左端相连接；
所述第一活塞式储水罐内设有第一活塞板，所述第二活塞式储水罐设有第二活塞板，所述第一活塞板通过连杆与第二活塞板相连接，所述第二活塞式储水罐的右端上部设有液位检测器；
所述第四电动阀的一端分别通过管路与第六止回阀相连接、通过管路与第七电动阀相连接，所述第六止回阀通过管路与雨水箱相连接，所述第七电动阀通过管路与第五止回阀相连接，所述第五止回阀通过管路与第一活塞式储水罐的右端相连接，所述第四电动阀的另一端通过管路与第四止回阀相连接，所述第四止回阀通过管理与第一活塞式储水罐的左端相连接；
所述第三电动阀的一端通过管路与废水箱相连接，另一端分别通过管路与第十电动阀相连接、通过管路与第一电动调节阀相连接，所述第十电动阀分别通过管路与第八止回阀相连接、通过管路与市政污水管网相连接，所述第一电动调节阀通过管路与第九止回阀相连接，所述第九止回阀通过管路与第一活塞式储水罐的左端相连接，所述第八止回阀分别通过管路与第五电动阀相连接、通过管路与第六电动阀相连接，所述第五电动阀通过管路与第一活塞式储水罐的左端相连接，所述第六电动阀通过管路与第一活塞式储水罐的右端相连接；
所述废水箱的上端分别通过管路与过滤器相连接、通过管路与第二溢流管相连接，所述第二溢流管通过管路与市政污水管网相连接。
进一步，还设有第二电动调节阀、第七止回阀、密闭挡水板和phc桩，所述第二电动调节阀的一端通过管路与第二止回阀和第二电动阀之间的管路相连接，所述第二电动调节阀的另一端通过管路与位于phc桩中的第七止回阀相连接，所述密闭挡水板安装在phc桩内，位于第七止回阀下方，所述phc桩的桩尖上设有渗透孔，所述phc桩的桩尖内设有第一水压传感器。
进一步，所述市政雨水管网内设有液位传感器和第二水压传感器。
进一步，所述第二活塞式储水罐的右端设有第三水压传感器。
进一步，所述第一活塞式储水罐的右端上部设有第一换气阀，所述第二活塞式储水罐的左端上部设有第二换气阀。
进一步，所述第一活塞式储水罐、第二活塞式储水罐设于地下室机房内。
本发明之用于海绵城市的势能加压雨水排蓄方法，具体过程如下：
初始状态：未降雨时，屋顶雨水箱内没有蓄水，第一活塞板和第二活塞板紧贴左壁面，所有阀门均处于关闭状态，废水箱正常收集建筑物高区的废水，当收集的废水超过某一液位时，从第二溢流管排出至市政污水管网，或者打开第三电动阀和第十电动阀直接将废水排出市政污水管网；
工况一：当雨天降雨量较大，地面雨水排出不顺畅时，开启第一电动阀和第二电动阀，让雨水由管道进入第二活塞式储水罐，第二活塞式储水罐逐渐装满水，当液位检测器检测到水位超过某一规定值时，发出信号给控制器，控制器控制第三电动阀开启，利用高位废水箱的静压力推动第一活塞板和第二活塞板至活塞壁最右端，将第二活塞式储水罐的雨水加压排出至市政雨水管网；由于此时雨水箱已经收集了雨水，开启第七电动阀，第一活塞式储水罐中的污水则利用高位雨水箱的静压力，经第五电动阀排至市政污水管网；
工况二：当雨天降雨量较大，地面雨水排出不顺畅时，开启第一电动阀和第二电动阀，让雨水由管道进入第二活塞式储水罐，第二活塞式储水罐逐渐装满水，当液位检测器检测到水位超过某一规定值时，发出信号给控制器，控制器控制第四电动阀开启，此时高位雨水箱已经收集到了雨水，利用这部分雨水的静压力，将第一活塞板和第二活塞板推动至活塞壁最右端，将第二活塞式储水罐的雨水加压排出至市政雨水管网；开启第七电动阀，利用雨水箱静压力将第一活塞板和第二活塞板推动至活塞壁最左端，第一活塞式储水罐中的雨水排出，或者直接开启第五电动阀将第一活塞式储水罐中的雨水排至市政污水管网；
工况三：当雨天降雨量较大，地面雨水排出不顺畅时，开启第一电动阀和第二电动阀，让雨水由管道进入第二活塞式储水罐，第二活塞式储水罐逐渐装满水，当液位检测器检测到水位超过某一规定值时，发出信号给控制器，控制器控制第八电动阀开启，地面雨水从第二活塞式储水罐左侧管道进入，直接推动第二活塞板至活塞壁最右端，将第二活塞式储水罐的雨水加压排出至市政雨水管，这样一来，即收集了又一部分地面雨水，又利用地面雨水静压力将已经收集的雨水排出；第二次收集的雨水可以当雨水排出压力减少时，直接开启第九电动阀泄流至市政雨水管网。
进一步，该方法所用系统还设有第二电动调节阀、第七止回阀、密闭挡水板和phc桩，所述第二电动调节阀的一端通过管路与第二止回阀和第二电动阀之间的管路相连接，所述第二电动调节阀的另一端通过管路与位于phc桩中的第七止回阀相连接，所述密闭挡水板安装在phc桩内，位于第七止回阀下方，所述phc桩的桩尖上设有渗透孔，所述phc桩的桩尖内设有第一水压传感器；
相应的，所述方法设有工况四：在工况一、工况二、工况三的基础上，其余运行方式不变，只将第二电动阀的开启改变为第一电动调节阀的开启，将加压雨水排至phc管桩，进而通过渗透作用排至地下土壤中。
本发明以活塞式储水罐为雨水收集装置，旨在雨天地面积水较多时，对地面雨水收集并进行加压排放至市政雨水管，提高排放效率，所加的压力则来自于高层废水箱或雨水箱。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）利用超高层或高层建筑的高位水箱作为动力水箱，利用其静压力来推动活塞加压排出雨水，不需要消耗电力驱动水泵，实现雨水零能耗加压；
（2）地面雨水经加压排出，使得雨水在管道中的流态从不充满流变为充满流，单位时间内管道的过流量加大，显著提高雨水管在暴雨时的过流能力，避免超高层或高层建筑地面积水。
此外，本发明可利用管桩的深度和phc管桩内的空间放置加压雨水管，在桩尖开设渗透孔使雨水能加压渗透至土壤中，补充地下水。
附图说明
图1是本发明之用于海绵城市的势能加压雨水排蓄系统实施例的结构示意图；
图中：1、第一电动阀，2、第二电动阀，3、液位检测器，4、控制器，5、第三电动阀，6、第一止回阀，7、第二止回阀，8、第四电动阀，9、第五电动阀，10、第六电动阀，11、第三止回阀，12、第七电动阀，13、第四止回阀，14、第八电动阀，15、第九电动阀，16、第一换气阀，17、第一换气阀，18、第五止回阀，19、雨水箱，20、废水箱，21、第一溢流管，22、第二溢流管，23、第六止回阀，24、第一电动调节阀，25、第七止回阀，26、密闭挡水板，27、渗透孔，28、桩尖，29、phc桩，30、第十电动阀，31、第二电动调节阀，32、市政雨水管网，33、液位传感器，34、过滤器，35、第一水压传感器，36、第一活塞式储水罐，37、第一活塞板，38、第二活塞式储水罐，39、第二活塞板，40、第八止回阀，41、第九止回阀，42、第二水压传感器，43、第三水压传感器。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
参照图1，本实施例之用于海绵城市的势能加压雨水排蓄系统，包括雨水箱19、废水箱20、第一溢流管21、第二溢流管22、市政污水管网、市政雨水管网32和过滤器34，还设有第一电动阀1、第二电动阀2、第三电动阀5、第一止回阀6、第二止回阀7、第四电动阀8、第五电动阀9、第六电动阀10、第三止回阀11、第七电动阀12、第四止回阀13、第八电动阀14、第九电动阀15、第五止回阀18、第六止回阀23、第十电动阀30、第一电动调节阀24、第一活塞式储水罐36、第二活塞式储水罐38、第八止回阀40、第九止回阀41和控制器4；
所述第一电动阀1的一端与同室外地面排水口相连的管道相连接，另一端通过管路与第一止回阀6相连接，所述第一止回阀6通过管道与第二活塞式储水罐38的右端相连接；所述第二活塞式储水罐38的右端通过管路第二止回阀7相连接，所述第二止回阀7分别通过管道与第二电动阀2相连接，所述第二电动阀2通过管路与两端分别设有第三止回阀11的管路相连接，其中一个第三止回阀11通过管路与市政雨水管网32相连接，另一个第三止回阀11通过管路与第九电动阀15相连接，所述第九电动阀15分别通过管路与第二活塞式储水罐38左端相连接、通过管路与同雨水箱19相连的第一溢流管21相连接；
所述第八电动阀14的一端与同室外地面排水口相连的管道相连接，另一端通过管路与第二活塞式储水罐38左端相连接；
所述第一活塞式储水罐36内设有第一活塞板37，所述第二活塞式储水罐38设有第二活塞板39，所述第一活塞板37通过连杆与第二活塞板39相连接，所述第二活塞式储水罐38的右端上部设有液位检测器3；
所述第四电动阀8的一端分别通过管路与第六止回阀23相连接、通过管路与第七电动阀12相连接，所述第六止回阀23通过管路与雨水箱19相连接，所述第七电动阀12通过管路与第五止回阀18相连接，所述第五止回阀18通过管路与第一活塞式储水罐36的右端相连接，所述第四电动阀8的另一端通过管路与第四止回阀13相连接，所述第四止回阀13通过管理与第一活塞式储水罐36的左端相连接；
所述第三电动阀5的一端通过管路与废水箱20相连接，另一端分别通过管路与第十电动阀30相连接、通过管路与第一电动调节阀24相连接，所述第十电动阀30分别通过管路与第八止回阀40相连接、通过管路与污水管网相连接，所述第一电动调节阀24通过管路与第九止回阀41相连接，所述第九止回阀41通过管路与第一活塞式储水罐36的左端相连接，所述第八止回阀40分别通过管路与第五电动阀9相连接、通过管路与第六电动阀10相连接，所述第五电动阀9通过管路与第一活塞式储水罐36的左端相连接，所述第六电动阀10通过管路与第一活塞式储水罐36的右端相连接；
所述废水箱20的上端分别通过管路与过滤器34相连接、通过管路与第二溢流管22相连接，所述第二溢流管22通过管路与市政污水管网相连接。
本实施例中，还设有第二电动调节阀31、第七止回阀25、密闭挡水板26和phc桩29；所述第二电动调节阀31的一端通过管路与第二止回阀7和第二电动阀2之间的管路相连接，所述第二电动调节阀31的另一端通过管路与位于phc桩29中的第七止回阀25相连接，所述密闭挡水板26安装在phc桩29内，位于第七止回阀25下方，所述phc桩29的桩尖28上设有渗透孔27，所述phc桩29的桩尖28内设有第一水压传感器35。
本实施例中，所述市政雨水管网32内设有液位传感器33和第二水压传感器42。
本实施例中，所述第二活塞式储水罐38的右端设有第三水压传感器43。
本实施例中，所述第一活塞式储水罐36的右端上部设有第一换气阀16，所述第二活塞式储水罐38的左端上部设有第二换气阀17。
本实施例中，所述第一活塞式储水罐36、第一活塞式储水罐38设于地下室机房内。
本实施例之用于海绵城市的势能加压雨水排蓄方法，具体过程如下：
初始状态：未降雨时，屋顶雨水箱19内没有蓄水，第一活塞板37和第二活塞板39紧贴左壁面，所有阀门均处于关闭状态，废水箱20正常收集建筑物高区的废水，当收集的废水超过某一液位时，从第二溢流管22排出至市政污水管网，或者打开第三电动阀5和第十电动阀30直接将废水排出市政污水管网；
工况一：当雨天降雨量较大，地面雨水排出不顺畅时，开启第一电动阀1和第二电动阀2，让雨水由管道进入第二活塞式储水罐38，第二活塞式储水罐38逐渐装满水，当液位检测器3检测到水位超过某一规定值（比如水面距离顶板小于5厘米时）时，发出信号给控制器4，控制器4控制第三电动阀5开启，利用高位废水箱20的静压力推动第一活塞板37和第二活塞板39至活塞壁最右端，将第二活塞式储水罐38的雨水加压排出至市政雨水管网32；由于此时雨水箱19已经收集了雨水，开启第七电动阀12，第一活塞式储水罐36中的污水则利用高位雨水箱19的静压力，经第五电动阀9排至市政污水管网；
工况二：当雨天降雨量较大，地面雨水排出不顺畅时，开启第一电动阀1和第二电动阀2，让雨水由管道进入第二活塞式储水罐38，第二活塞式储水罐38逐渐装满水，当液位检测器3检测到水位超过某一规定值时，发出信号给控制器4，控制器4控制第四电动阀8开启，此时高位雨水箱19已经收集到了雨水，利用这部分雨水的静压力，将第一活塞板37和第二活塞板39推动至活塞壁最右端，将第二活塞式储水罐38的雨水加压排出至市政雨水管网32；开启第七电动阀12，利用雨水箱19静压力将第一活塞板37和第二活塞板39推动至活塞壁最左端，第一活塞式储水罐36中的雨水排出，或者直接开启第五电动阀9将第一活塞式储水罐36中的雨水排至市政污水管网；
工况三：当雨天降雨量较大，地面雨水排出不顺畅时，开启第一电动阀1和第二电动阀2，让雨水由管道进入第二活塞式储水罐38，第二活塞式储水罐38逐渐装满水，当液位检测器3检测到水位超过某一规定值时，发出信号给控制器4，控制器4控制第八电动阀14开启，地面雨水从第二活塞式储水罐38左侧管道进入，直接推动第二活塞板39至活塞壁最右端，将第二活塞式储水罐38的水（雨水）加压排出至市政雨水管网32，这样一来，即收集了又一部分地面雨水，又利用地面雨水静压力将已经收集的雨水排出；第二次收集的雨水可以当雨水排出压力减少时，直接开启第九电动阀15泄流至市政雨水管网32；
工况四：在工况一、工况二、工况三的基础上，其余运行方式不变，只将第二电动阀2的开启改变为第一电动调节阀24的开启，将加压雨水排至phc管桩，进而通过渗透作用排至地下土壤中。
在本发明的工作过程中，不需要消耗电力驱动水泵，实现雨水零能耗加压，使雨水在管道中的流态从不充满流变为充满流，单位时间内管道的过流量加大，显著提高雨水管在暴雨时的过流能力，避免超高层或高层建筑地面积水。同时由于采用一大一小两个活塞，在排水压力已经足够的情况下，只用较小体积的污水（雨水）便可以达到排放较大体积雨水的效果，节省了高位水箱中的污水（雨水），使单位体积的高位水箱中的水能加压更多体积的雨水。这样雨水便能更有效率的排出。
例如：某一超高层建筑，其高位水箱具有100m水柱的静压力，第一活塞板37和第二活塞板39的面积比为1：5，压力=压强*面积，在静压力一定的情况下，第一活塞式储水罐36与第二活塞式储水罐38内的压力比为5：1，忽略压力损失时，第二活塞式储水罐38内的压力约为20m水柱。如果第二活塞式储水罐38内的压头较大，存在对附近井盖产生冲击的问题时，可以单独设立一根排水管，将雨水引至较远处的下游地方排出，从而不影响附近雨水的排出。
水压调节：第二电动调节阀31可以根据第二活塞板39右侧雨水压出端的压力来调节废水进入活塞的流量和压力。通过调节废水进入活塞的流量和压力来调节雨水压出的流量和压力，避免在市政雨水管32暴雨形成充满流时，雨水超压进入市政雨水管网。避免形成反溢现象。
市政雨水管网32的充满度和加压雨水喷入口的压力分别可通过液位传感器33和加压雨水喷入口的第二水压传感器42进行监测，非极端暴雨情况下，市政雨水管网32未充满的情况下，即使雨水超压喷入市政雨水管，也不会导致雨水返溢现象。但当市政雨水管网32的充满的情况下，喷入市政雨水管网32的加压雨水的压力比市政雨水管网内的压力高的数值不应大于管网顶部埋深，否则就会导致雨水返溢。所以活塞雨水压出腔体和加压雨水喷入口分别设有第三水压传感器43，并将压力信号反馈到控制器4，在加压排入市政雨水管道的工况下，控制器4根据预设的程序对第二电动调节阀31进行控制。
第二电动调节阀31可根据phc管桩下部的水压值调节进入phc管桩的雨水压力和流量，避免雨水超压从桩头喷出在桩头形成空洞，影响桩头承载力。回灌状态下，活塞雨水压出腔体内的第三水压传感器43和phc管桩下部雨水回灌腔体内的第一水压传感器35的测得的水压力反馈到控制器4，进而控制器4控制第二电动调节阀24和第一电动调节阀31的动作和开度，使得加压回灌压力在合理范围内。