马江南，李敬，姜楚，陆汉达，程铁杰，王军 （合肥工业大学，安徽 合肥 230000）

井盖作为城市里一种普遍的公共设施，在城市的道路规划建设中必不可少，广泛应用于排水工程、给水工程、园林工程。随着当前中国经济、基础建设的快速发展，城市管网逐渐增多，井盖的需求也随之发生演变[1]。目前部分城市排水管网规划较早，设计流量小，伴随着旧城改造和新型智慧城市建设[1]，逐渐显现出与原有设计不匹配的问题，部分城市容易在强降雨天气下出现排水量不足，从而导致管网内雨水上涌冲走井盖的现象，对过往行人和车辆产生不利影响[2]。若采用加固装置可以起到一定程度的井盖防冲、防盗的效果，然而井底设备进行维修的难度也随之增加。为解决汛期井盖防冲问题，本文基于机械卡位原理，研发设计了一种装置简洁、原材料经济的井盖防冲装置，以满足当前社会市场需求。分析表明，该装置可以对汛期井内水位变化进行判断，能够较好地避免上述维护不便的问题。

1 设计原理

如图1所示，井盖防冲装置包括井盖本体、由拉力传感装置与可伸缩锁扣两个部分组成，

图1 井盖整体剖面图

井盖由聚乙烯泡沫塑料防水材料制成，伸缩锁扣由钢材制成，能够保证其承受足够的水压力。而拉力传感装置分为上、下两部分，上部为控制弹锁的感应装置，下部为尼龙绳连接的材质为纯复合泡沫塑料的实心重球。当球体处于悬挂状态时，绳子的拉应力使伸缩锁扣关闭，此时井盖处于可打开的正常工作状态。当汛期来临，城市管网充水导致井下水位上涨，此时由于球体受到水的浮托力被抬起，伸缩锁扣启动，弹出锁扣，卡于井壁下沿卡槽处，使井盖无法被从下而上的水冲走。

图2 原理图

如图3所示，控制球由纯复合聚乙烯泡沫塑料包裹住，内部含重量约为500 g的铁球，以在非汛期提供拉力。控制球由于自身的重力可以保证它能产生向下的拉力，同时外部包裹低密度浮力材料的设计又可以使它在水位上升时将自身承托起来取消拉力，实现了原理中关闭锁扣的功能要求。聚乙烯泡沫塑料使用寿命约50年，性能良好，保证了新型防冲井盖井下的部分有优异的抗老化性能。

2 应力分析

图3 提供拉力的控制球

在卡位板选材方面，对卡位板材料进行了比选分析。灰口、球墨铸铁等材料熔点低、流动性好、熔炼简单、成本低、耐磨，但塑性和韧性差，强度低。铸铁是炼钢的原料，有较高的机械强度和韧性，具备耐热、耐腐蚀、耐磨等性能，但相比铸铁成本更高。将卡位板的弯曲应力对比碳钢与铸铁材料的许用应力表，选定材料以及型号，以下概化模型计算中将忽略摩擦力、水头损失、水量损耗等因素。

暴雨强度公式[1]：

Qs＝qΨF

其中Qs—设计雨水流量(L/s)；Ψ—径流系数，取 0.9；q—暴雨强度（L/s·ha）；F—汇水面积（ha）。

式中P是指多大的暴雨出现的重现年，时间t指的是暴雨形成径流的时间。A，C，b为参数。设计重现期取2年；降雨历时取5 min进行计算，则q（5min）=414L（/s·ha）（p=2、t=5min）。

由于常规井盖直径为600mm-700mm，所以汇水面积F的半径应为 35m。将 q（5min）=414L/(s·ha)（p=2、t=5min），Ψ=0.9，F=3.14 ×352 m2=0.38465ha带入暴雨强度公式中得：

Qs=414×0.9×0.38465

=143.32L/s=0.14332m3/s[2]

取井盖外径（直径）D=700 mm，内径d=600mm，重量为70kg。由于井内构造不一，拟定该井内构造为直径为800mm，高为2m的规则圆柱体。卡位板的规格为长 a=150mm，宽b=100mm，高h=10mm的规则长方体。

根据水力学动量方程：∑F=ρQ（0-βv），令 G1为 1s时涌水的重力，G2为井盖重力。取β=1，得：

FR+G1=ρQsv

FR=13663.656N（ρ=1000kg/m3，g

=9.8m/s2，=3.14）

M=（FR-G2）×L

“控制球”悬浮的时候，绳索材料也悬浮在水中，打破弹簧平衡，考虑选取PE材料或PP材料。PP材料为聚丙烯，PE材料为聚乙烯，两者都具有轻便、耐腐、耐热、电绝缘、高强度机械性的特点和良好的高耐磨加工性能。在价格方面，PE材料比PP材料单价较高，综合而言，选取PP材料作为绳索的材料。

当井内无水时：绳索受力为“控制球”自重所带来的拉力和弹簧给予的拉力，两者大小等值。F=0.5×9.8=4.9N，远小于绳索拉伸极限。

“控制球”要做到悬浮在水中，同时平时能依靠自身重力向下拉动弹簧，需要具有合适的重量，“控制球”材料的密度不能太大也不能太小。目前便于生产产品以及自身强度可以承载拉力的，生产成本较低的材料主要有合金、PP塑料等。井下水为污水，汛期漫上来的水可能具有腐蚀性。因此选择固体浮力材料，具体材料性质如下：密度低（0.20～0.7 g/cm3）、吸水率低（不大于 3%）、机械强度高（压缩强度1MPa～100 MPa）、耐腐蚀、可进行二次机械加工等特点，满足水下不同的应用要求。且在使用寿命上来看，固体浮力材料也具有明显的优势，便于后期进行保修。

图4 控制球示意图

根据设计尺寸计算“控制球”质量：

m=ρV=0.065×4/3×π×53=3.72g

又要平时将弹簧拉至伸长状态，在其内部加上500g配重的铁球。铁球体积：

V'=500/7.8=6.4 cm3（可放进控制球内）

弹簧部分拟采用两股合金弹簧作为固定。当井内无水时：绳索受力为“控制球”自重所带来的拉力和弹簧给予的拉力，两者大小等值，约为2.5 N。选原长为20 cm，受2.5 N拉力拉伸为10 cm的弹簧，其弹性系数k=ΔF/Δl=2.5/0.1=25 N/m，选用原长20 cm，劲度系数为25 N/m的合金弹簧。

3 结论

一种新型井盖防冲装置的设计能够改进目前下水井盖易丢失、传统防盗装置本高的问题。借助浮动式动态监测系统进行对锁扣单元的控制，在减少大雨大水天气下水道涌出水导致的损失的同时，也减少了平时安装防坠网导致的维护困难。通过实证分析表明本装置结构设计简明，易于维修。由于设计装置是基于对现有井盖进行改造，性价比较高，具备在局部中小城市实施的可行性。

装置是采用的水位标定判据，可以进一步结合物联网技术设计出一个城市地下水的实时监测系统，能够及时反映城市下水管道的运行状况，具有一定应用前景。