井式保温出水口转让专利
申请号 : CN200710019164.9
文献号 : CN101429753B
文献日 : 2010-12-01
发明人 : 喻文兵 , 赖远明 , 郭明
申请人 : 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
摘要 :
本发明涉及一种井式保温出水口，由土层，干草保温层，挤塑聚乙烯保温材料，钢筋水泥圆管，进水管，保温出水管，单开门，块石层构成。井壁为预制钢筋水泥圆管，进水管位于钢筋水泥圆管下部，保温出水管位于钢筋水泥圆管上部，钢筋水泥圆管周围有挤塑聚乙烯保温材料，井内堆放块石层，地表为干草保温层和土层。本发明结构简单，易施工快、保温效果理想，利于排水，减少了冬季因排水不畅引起的工程冻害，可广泛应用于寒冷地区道路、矿井等工程地下排水系统。
权利要求 :
1.一种井式保温出水口，主要由土层(1)，干草保温层(2)，挤塑聚乙烯保温材料(3)，钢筋水泥圆管(4)，进水管(5)，保温出水管(6)，块石层(8)构成，井壁为钢筋水泥圆管(4)的内侧壁，其特征是：进水管(5)位于钢筋水泥圆管(4)下部，保温出水管(6)位于钢筋水泥圆管(4)上部，钢筋水泥圆管(4)四周围有挤塑聚乙烯保温材料(3)，井内堆放块石(8)，钢筋水泥圆管(4)顶部置有干草保温层(2)和土层(1)。
2.根据权利要求1所述的井式保温出水口，其特征是，保温出水管(6)靠近井壁端直径大，出口端直径小。
3.根据权利要求1所述的井式保温出水口，其特征是，保温出水管口有一合页式单开门(7)。
4.根据权利要求1所述的井式保温出水口，其特征是，保温出水管(6)与进水管(5)相互平行，其间相对距离为0.6～2.5m。
5.根据权利要求1所述的井式保温出水口，其特征是，挤塑聚乙烯材料(4)厚度范围为5～30cm。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种寒区地下水排泄结构，适合寒冷地区道路工程、矿井工程地下排水系统使用。
背景技术
我国有大部分国土面积处于寒冷地区。寒区的道路工程、矿井工程都涉及到地下水的排泄问题。由于排水线路及出水口在冬季常常被冻结堵塞，导致整个排水系统失效，使得地下水四处溢出，形成地面冰体，从而威胁建筑物的安全。最常见的是威胁道路安全的涎流冰病害。当地下水排水系统失效时，水从路基上方溢出、结冰，从山坡、路基边坡倾泄而下，蔓延至路面、拥堵地面排水系统，春季冰雪融化，由于排水通道被冰堵塞，造成融水冲刷道路，这些给道路及附属构筑物的稳定与交通安全带来极大威胁。
地下排水系统出水口的合理设计对整个排水系统的排水效果有重要影响。传统的寒区地下排水系统出水口保温性能差，很容易被冻结封死，达不到冬季排水的目的。在我国东北大兴安岭林区铁路路基地下水排泄中，有人曾经研发了锥体式保温出水口，其外形为锥状，采用碎石、块石作为透水、反滤层，植被草皮作为保温层，整个结构位于地表上，属于地面构建物，适合地形坡度较大的地段使用。由于草皮保温性能差，且不稳定，锥体式保温出水口的排泄效果也不理想。
地下排水系统出水口的合理设计对整个排水系统的排水效果有重要影响。传统的寒区地下排水系统出水口保温性能差，很容易被冻结封死，达不到冬季排水的目的。在我国东北大兴安岭林区铁路路基地下水排泄中，有人曾经研发了锥体式保温出水口，其外形为锥状，采用碎石、块石作为透水、反滤层，植被草皮作为保温层，整个结构位于地表上，属于地面构建物，适合地形坡度较大的地段使用。由于草皮保温性能差，且不稳定，锥体式保温出水口的排泄效果也不理想。
发明内容
为了克服一般出水口易冻结和锥体式保温出水口性能不稳定的缺陷，本发明旨在提供一种井式保温出水口。该结构由土层，干草保温层，挤塑聚乙烯保温材料，钢筋水泥圆管，进水管，保温保温出水管，单开门，块石层构成。
实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种井式保温出水口，由土层，干草保温层，挤塑聚乙烯保温材料，钢筋水泥圆管，进水管，保温出水管，块石层构成，井壁为预制钢筋水泥圆管，进水管位于钢筋水泥圆管下部，保温出水管位于钢筋水泥圆管上部，钢筋水泥圆管周围有挤塑聚乙烯保温材料，井内堆放块石，地表部分为干草保温层和土层。
上述的保温出水管靠近井壁端直径大，出口端直径小。
保温出水管口有一合页式单开门。
保温出水管与进水管可相互平行，其间相对距离为0.6～2.5m。
挤塑聚乙烯材料为挤塑聚乙烯板，厚度范围为5～30cm，导热系数0.028W/m·K。
井式保温出水口的工作原理是：
地下水通过井底部的进水口进入钢筋水泥圆管内，当水位到达出水口高度位置时，水从保温出水管流出，在水流推力作用下，保温出水管口的单开门打开，让水流出。门开启程度由排水流量及流速决定，当水位降低没有水流出时，单开门在重力作用下自动关闭，可阻止冷空气进入井体内，达到保温效果。井内堆放块石及保温出水管采用变径结构可提高管口流速，水流速度越大，越不容易冻结，有利于排水。
由于井式保温出水口四周土壤存在冻结和融化的过程。本发明的热学问题是一个带相变的温度场问题，采用数值试验方法可以进行保温效果的验证。用焓法处理相变问题得到的热量平衡控制微分方程为：
式中：T，C，λ分别为介质的温度、体积比热和导热系数。
采用上述控制方程，通过有限元方法，对本发明保温效果进行数值试验，结果表明：整个冬季井式保温出水口的水温波动幅度很小，热量损失小。另外，本发明结构2004开始已在东北大兴安岭林区公路排水系统中得到应用。现场观测表明：井式保温出水口内的水温与相连接的地下排水管内的水温相差很小。理论计算和实践证明本发明保温效果理想，利于冬季排水、减少冻害发生。
本发明的优点和产生的有益效果是：
1、本发明结构2004年开始在东北大兴安岭林区公路排水系统中得到应用。现场观测表明：其结构提高出水口内温度，延长排水时间，井式保温出水口内的水温与相连接的地下保温出水管内的水温相差很小，利于冬季排水、减少冻害发生。
2、采用钢筋水泥圆管做出水口的井体，可以减少表层冻胀力的作用，以免结构被冻胀破坏，使整个机构的使用寿命得以延长。钢筋水泥圆管顶部采用挤塑聚乙烯板进行保温处理，可极大的降低顶部土层厚度，同时采用预制钢筋水泥圆管也提高了施工速度；本发明主体结构位于地表以下，可减少对地表景观的影响。
3、在保温出水管口设置一单向开启的门，该门在水流冲力作用下，向外开启，无水流动时，门在自重作用下关闭，可防止冬季冷空气进入主体井内。
4、保温出水管采用保温变径结构，靠近井壁端直径大，出口端直径变小，增大了出口流速，降低冰点。
5、井内堆放块石，用以提高水位，井壁四周采用挤塑聚乙烯材料进行保温处理，这些措施能提高出口水温、出口流速，延长冬季排水时间，减少冻害发生。
实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种井式保温出水口，由土层，干草保温层，挤塑聚乙烯保温材料，钢筋水泥圆管，进水管，保温出水管，块石层构成，井壁为预制钢筋水泥圆管，进水管位于钢筋水泥圆管下部，保温出水管位于钢筋水泥圆管上部，钢筋水泥圆管周围有挤塑聚乙烯保温材料，井内堆放块石，地表部分为干草保温层和土层。
上述的保温出水管靠近井壁端直径大，出口端直径小。
保温出水管口有一合页式单开门。
保温出水管与进水管可相互平行，其间相对距离为0.6～2.5m。
挤塑聚乙烯材料为挤塑聚乙烯板，厚度范围为5～30cm，导热系数0.028W/m·K。
井式保温出水口的工作原理是：
地下水通过井底部的进水口进入钢筋水泥圆管内，当水位到达出水口高度位置时，水从保温出水管流出，在水流推力作用下，保温出水管口的单开门打开，让水流出。门开启程度由排水流量及流速决定，当水位降低没有水流出时，单开门在重力作用下自动关闭，可阻止冷空气进入井体内，达到保温效果。井内堆放块石及保温出水管采用变径结构可提高管口流速，水流速度越大，越不容易冻结，有利于排水。
由于井式保温出水口四周土壤存在冻结和融化的过程。本发明的热学问题是一个带相变的温度场问题，采用数值试验方法可以进行保温效果的验证。用焓法处理相变问题得到的热量平衡控制微分方程为：
式中：T，C，λ分别为介质的温度、体积比热和导热系数。
采用上述控制方程，通过有限元方法，对本发明保温效果进行数值试验，结果表明：整个冬季井式保温出水口的水温波动幅度很小，热量损失小。另外，本发明结构2004开始已在东北大兴安岭林区公路排水系统中得到应用。现场观测表明：井式保温出水口内的水温与相连接的地下排水管内的水温相差很小。理论计算和实践证明本发明保温效果理想，利于冬季排水、减少冻害发生。
本发明的优点和产生的有益效果是：
1、本发明结构2004年开始在东北大兴安岭林区公路排水系统中得到应用。现场观测表明：其结构提高出水口内温度，延长排水时间，井式保温出水口内的水温与相连接的地下保温出水管内的水温相差很小，利于冬季排水、减少冻害发生。
2、采用钢筋水泥圆管做出水口的井体，可以减少表层冻胀力的作用，以免结构被冻胀破坏，使整个机构的使用寿命得以延长。钢筋水泥圆管顶部采用挤塑聚乙烯板进行保温处理，可极大的降低顶部土层厚度，同时采用预制钢筋水泥圆管也提高了施工速度；本发明主体结构位于地表以下，可减少对地表景观的影响。
3、在保温出水管口设置一单向开启的门，该门在水流冲力作用下，向外开启，无水流动时，门在自重作用下关闭，可防止冬季冷空气进入主体井内。
4、保温出水管采用保温变径结构，靠近井壁端直径大，出口端直径变小，增大了出口流速，降低冰点。
5、井内堆放块石，用以提高水位，井壁四周采用挤塑聚乙烯材料进行保温处理，这些措施能提高出口水温、出口流速，延长冬季排水时间，减少冻害发生。
附图说明
图1为井式保温出水口纵剖面示意图。
图2为图1A-A’断面图。
图3为图1B-B’断面图。
图4为图1C-C’断面图。
图5为图1D-D’断面图。
图2为图1A-A’断面图。
图3为图1B-B’断面图。
图4为图1C-C’断面图。
图5为图1D-D’断面图。
具体实施方式
为更好地理解本发明，通过以下实施例予以进一步说明，但并非对本发明的限定。
以大兴安岭拉莫公路K106+146采用的井式保温出水口为例。地理坐标：N50°55.734′，E120°01.563′。海拔高度738m，属于高纬度岛状多年冻土区。
施工过程是：在出水位置挖一个圆柱状坑，深约170cm，底部距离多年冻土上限10cm。如图1-图5所示，在预制的钢筋水泥圆管4上部及下部各设置一个直径20cm的圆孔，预接保温出水管6和进水管5。钢筋水泥圆管4底部用15cm厚的挤塑聚乙烯平板封闭，进行底部保温和隔水，侧面用15cm厚的U形挤塑聚乙烯板包裹，边缘用胶封闭；将保温处理后的钢筋水泥圆管4放入坑内，钢筋水泥圆管4下部圆孔与进水管5连接；在井内堆放1/2井壁高度的块石层8；将保温出水管6与钢筋水泥圆管4上部圆孔连接后，用土回填井与土层间的空隙；之后将水泥圆管4的顶部用30cm厚的挤塑聚乙烯平板封闭，然后将隔水土工膜包裹的干草做成一个冒顶，覆盖在整个出水结构的顶部，然后再在冒顶上覆盖20cm厚的土层1，一则防止大风将干草保温层2吹走，二则加强保温效果。干草保温层2平均厚度60cm。
保温出水管6与进水管5倾斜度范围为2％～20％；保温出水管6与进水管5可相互平行，其间相对距离为0.6～2.5m。
单开门7与保温出水管6出口为合页式连接；保温出水管6前端直径为15cm，后端(靠近井壁)直径为20cm，整个保温出水管长120cm。块石平均粒径10cm。钢筋水泥圆管壁厚5cm。
水泥管顶部和底部的保温层采用挤塑聚乙烯平板，侧面采用挤塑聚乙烯材料的U形板，连接处采用专用胶水联结，厚度范围为5～30cm，导热系数0.028W/m·K，抗压强度大于0.3Mpa，体积吸水率小于1％，干草保温层厚度20～80cm；钢筋水泥管壁厚5～8cm。块石层8堆放高度为井深度的1/2～3/4。
本实施例于2004年秋施工完成，经过3个冬季的实践验证，井式保温出水口的结构保温效果理想、提高了排水流速，延长了排水系统的冬季排水时间，减少了工程病害的发生。
以大兴安岭拉莫公路K106+146采用的井式保温出水口为例。地理坐标：N50°55.734′，E120°01.563′。海拔高度738m，属于高纬度岛状多年冻土区。
施工过程是：在出水位置挖一个圆柱状坑，深约170cm，底部距离多年冻土上限10cm。如图1-图5所示，在预制的钢筋水泥圆管4上部及下部各设置一个直径20cm的圆孔，预接保温出水管6和进水管5。钢筋水泥圆管4底部用15cm厚的挤塑聚乙烯平板封闭，进行底部保温和隔水，侧面用15cm厚的U形挤塑聚乙烯板包裹，边缘用胶封闭；将保温处理后的钢筋水泥圆管4放入坑内，钢筋水泥圆管4下部圆孔与进水管5连接；在井内堆放1/2井壁高度的块石层8；将保温出水管6与钢筋水泥圆管4上部圆孔连接后，用土回填井与土层间的空隙；之后将水泥圆管4的顶部用30cm厚的挤塑聚乙烯平板封闭，然后将隔水土工膜包裹的干草做成一个冒顶，覆盖在整个出水结构的顶部，然后再在冒顶上覆盖20cm厚的土层1，一则防止大风将干草保温层2吹走，二则加强保温效果。干草保温层2平均厚度60cm。
保温出水管6与进水管5倾斜度范围为2％～20％；保温出水管6与进水管5可相互平行，其间相对距离为0.6～2.5m。
单开门7与保温出水管6出口为合页式连接；保温出水管6前端直径为15cm，后端(靠近井壁)直径为20cm，整个保温出水管长120cm。块石平均粒径10cm。钢筋水泥圆管壁厚5cm。
水泥管顶部和底部的保温层采用挤塑聚乙烯平板，侧面采用挤塑聚乙烯材料的U形板，连接处采用专用胶水联结，厚度范围为5～30cm，导热系数0.028W/m·K，抗压强度大于0.3Mpa，体积吸水率小于1％，干草保温层厚度20～80cm；钢筋水泥管壁厚5～8cm。块石层8堆放高度为井深度的1/2～3/4。
本实施例于2004年秋施工完成，经过3个冬季的实践验证，井式保温出水口的结构保温效果理想、提高了排水流速，延长了排水系统的冬季排水时间，减少了工程病害的发生。