一体化防倒灌截流井的设计优化分析

吴柏良 刘长奇 丁浩 雷育霖 郑志豪

中建三局绿色产业投资有限公司 湖北武汉 430000

随着国内经济发展，居民生活污水、工业废水等污水量不断增加，污水漏排、偷排的现象也日益严重。目前国内大部分的城市仍以雨污合流制的排水系统为主，尤其是工业园区、城中村等人口密集区。合流制的管道主要功能是将城市旱流污水和初期雨水截流入污水管道，以防止城市水体受到更为严重的污染[1]。依据“控源为本，截污优先”的水体治理思路之一，将合流制污水进行截流控源，是水体治理的关键措施。本文主要分析了几种类型的截流井及防倒灌措施的优缺点，并结合我国东南沿海地区合流制排水体系的特点，推荐一种一体化的防倒灌截流井，可大大提高截流及防倒灌效果，减少河道污染。

1 截流井的类型以及优缺点

截流井作为合流制排水体系下截污的重要措施之一，它的主要作用在于：

（1）旱季将合流管内的污水接入新建污水管，保证旱季污水不入河；

（2）雨季将初期雨水带来的污染源截至新建污水管或调蓄池，确保初雨不入河；

（3）暴雨季通过截流井溢流，将雨水排入河内，防止大量雨水接入污水管造成污水处理厂营运困难。

目前，国内外的截流井主要有跳跃式截流井、堰式截流井、槽式截流井、槽堰结合式截流井以及基于这几种井的改进形式。

跳跃式截流井是截流井的最初形式，其他形式的井都是在此基础上改进而来。相较于其他形式的截流井，跳跃式截流井最明显的特点是合流管有高程的变化。图1 为跳跃式截流井，当合流管内水流量较大的时候，污水会直接越过下方的截流管，直接从下面的管道排出。跳跃式截流井对水位有一定的要求，河道的洪水位不能超过下游合流管的管内底高程，已建合流管管内底低于洪水位的不适合采用。当河道洪水位较低时候，可以通过改造出水段合流管降低标高而做成跳跃式截流井。但绝大多数截流工程不适合改成跳跃式截流井，所以实施跳跃式截流井工程实例还是比较少见。

堰式截流井是一种应用比较广泛、技术比较成熟的一种，如图2所示，堰式截流井分为两段，前半段为截污段，后半段为溢流段。截污段的主要作用是在旱季将现状合流管排出的污水通过新建的截污管流入市政污水管道，保证旱季污水不入河；溢流段通过设置溢流堰与截污段隔开，大暴雨时，截流井的水位迅速抬升，没过溢流堰排入现状合流制排口直排入河，以防止大量雨水进入市政污水管道。

图1 堰式截流井示意图

槽式截流井一般在井内设置一道与截流管管径等宽的截流槽，槽底应低于合流管的管内底，槽深一般要小于截流管管径，图3 为槽式截流井示意图。与堰式井相比，槽式截流井的效率要高于堰式。根据相关的研究证明，堰式截流效率一般不超过80%，而槽式截流井的截流效率可以达到85%以上。另外，槽式截流井无需设置溢流堰，不会影响合流管的排水能力，但这种截流井的截流量不易控制，当污水流量太大时候容易发生污水外泄。

图2 槽式截流井示意图

槽堰结合式截流井在槽式截流井的基础上设置了一道较低的溢流堰。图4 为槽堰结合式截流井示意图，它兼具堰式截流井和槽式截流井的优点，既可以减少井内淤泥的淤积，又可以减小对雨水溢流的影响。

图3 槽堰结合式截流井示意图

通过对几种不同形式的截流井从使用范围、施工周期、截留效率等方面进行分析比较，如表1 所示。跳跃式截流井因为对下游管道高程有要求以及截流效率低在工程中实际使用比较少，其他诸如堰式截流井、槽式截流井、槽堰结合截流井在工程中比较常见，但有一定的缺点，需要进一步优化。

2 防倒灌装置介绍

在潮汐或者汛期等天气条件下，有些河流或者排水口会出现排口水位低于受纳水体的情况，这时候往往会发生水体倒灌。为了保证排水系统的正常稳定运行，目前工程实践中有三种比较常见的防倒灌措施，分别是鸭嘴阀、拍门以及闸阀。

2.1 鸭嘴阀

柔性橡胶止回阀是用橡胶材料制造的全柔性止回阀[2]。其工作原理是利用内压差开启，外压差关闭，因为其外型酷似鸭嘴因此形象称其为鸭嘴阀，如图5 所示。目前鸭嘴阀广泛被应用于城市截污管网系统以及城市排洪体系，其与截流井联合使用，可以最大限度减少水力损失使水流易于通过的同时，可以防止河水倒灌。

表1 几种截流井形式的比较

制作柔性鸭嘴阀的材料很多，如纯橡胶、氯丁橡胶、丁基橡胶氟橡胶等，其可塑性强，可对鸭嘴阀的材料进行改性，增强材料的硬度、强度、耐腐蚀耐老化能力，使其满足特定环境下的需求，比如：制备的过程中增加加强纤维等。

鸭嘴阀止回阀有诸多优点：基于材料特点鸭嘴阀不会腐蚀生锈，没有机械故障，无需维护主要靠压力差来控制水流，工作时不需要额外投入人力电力等资源；经久耐用，安装方便；密封性能好，阀门关闭时，基本不会渗漏。

2.2 拍门

防倒灌原理：在管道有水流动时候，水流流动的冲击力持续顶起拍门，拍门向上掀，水从管道流出；管道没有水排出时候，拍门自然下垂闭合，可以防止水倒灌进入管道。拍门的定期维护主要包括转动轴的维护，密封装置的维护，以及门板的维护，凭借其简单的结构，拍门具有维修方便、节省投资等优点而被广泛应用于各种泵站水闸、入河排口。

但是目前拍门也存在一些缺陷，一是出口水力损失偏大，二是水流停止时，在水压和拍门的自重作用下会产生较大的撞击力，对拍门自身和构筑物会造成较大的损害，三是拍门一般为钢材制品，在水中会发生腐蚀，拍门的转动轴容易磨损，有一定的维护成本，且会有一些杂质堵塞缠绕在转动轴上，致使拍门不能完全闭合，不能完全防止河水倒灌。

2.3 闸阀

闸阀具有密封性好但容易生锈的特点，而且闸阀一般用电动装置进行控制，整个系统由控制电箱、齿轮、导轨、门板、连接杆等构件组成，容易发生机修故障，对后期的运营带来了很大的难度。

通过对三种防倒灌措施的分析，我们从堵塞情况、防腐性能、防渗性能、设备造价及运营难度等方面进行分析，相较于拍门与闸阀，柔性鸭嘴阀不易淤堵、防腐性能好、设备造价低、运维简单，具有较好的应用前景。

3 一体化防倒灌截流井介绍

本次推荐的一体化防倒灌截流井是截流井和鸭嘴阀的有机结合，该防倒灌污水截流系统适用于沿海感潮地区，能在截污的情况下有效防止河水倒灌，相较于传统的污水截流系统，具有对行洪影响小、构造简单、施工方便等优点，如图6 所示为一体化防倒灌截流井。

表2 几种防倒灌设施的比较

图4 一体化截流井

一体化防倒灌截流井，包括内部被挡墙分割为两个独立的空间，井体的上半段设置截污管，截污管处设置限流浮筒阀，在大量雨水从合流管流出时，可以带动闸门旋转，使污水管口面积大大缩小，限制雨水大量流入污水管道，主要为了减轻下游污水处理厂的负荷，保证污水处理厂高效运行；截流井下半段设置鸭嘴阀，进水腔的水可以顺利进入溢流排水腔，当外河水位较高，灌满溢流排水腔时，水流无法通过鸭嘴阀倒流进进水腔，有效地防止河水倒灌。

河涌的截污纳管是黑臭水体整治最直接有效的工程措施，也是采用其他技术手段的前提。截流井的选择是控源截污关键一环，直接关系到截污工程措施的实际效能。本着城市黑臭水体整治技术应遵循适用性、综合性、经济学、长期性和安全性的原则，本文所优化设计的一体化防倒灌截流井，为治理污水排口水位会发生相对变化的沿海感潮型水体提供了一种可行性思路，可操作性强，具有重大的现实意义。