大型屋面中壓力流雨水排放系統(tǒng)的應(yīng)用

邱克文

摘要:本文討論了大型屋面的公共建筑中雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并主要對壓力流雨水排放系統(tǒng)的工作原理、技術(shù)優(yōu)勢及管材的選用等進(jìn)行了分析，并結(jié)合實(shí)際工程對壓力流雨水排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與步驟進(jìn)行說明。

關(guān)鍵詞:壓力流雨水排放系統(tǒng)；虹吸式雨水斗；管材

八十年代初，歐洲研究開發(fā)出一種新的屋面雨水排放技術(shù)-虹吸雨水系統(tǒng)（也稱有壓流雨水系統(tǒng)），該技術(shù)主要應(yīng)用于大型屋面建筑的雨水排放。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，該技術(shù)逐步成熟完善，并在各個(gè)國家迅速推廣應(yīng)用。中國給排水界于九十年代初開始涉足該領(lǐng)域的研究，當(dāng)時(shí)因設(shè)計(jì)四機(jī)庫而較早接觸虹吸雨水系統(tǒng)的航空航天設(shè)計(jì)院的專家，與清華大學(xué)聯(lián)合開發(fā)出該系統(tǒng)的核心技術(shù)-雨水斗和管道壓力計(jì)算程序，并在國內(nèi)的機(jī)場建筑工程中進(jìn)行推廣，經(jīng)過十年左右的調(diào)整完善，在技術(shù)上已處于世界先進(jìn)行列。

1 壓力流雨水排放系統(tǒng)的工作原理及組成

1.1 壓力流雨水排放系統(tǒng)的原理

壓力流雨水排放系統(tǒng)采用特殊的雨水斗，并利用復(fù)雜的計(jì)算來控制各段雨水管的管徑，平衡各雨水斗的壓力和流量，避免管道中的摻氣，從而使雨水管道中很容易形成液態(tài)單相流狀態(tài)，單相流迅速流動(dòng)產(chǎn)生負(fù)壓，于是形成虹吸效應(yīng)，屋面雨水被迅速抽吸。

1.2 壓力流雨水排放系統(tǒng)的組成

部分壓力流雨水排放系統(tǒng)同樣由雨水斗、雨水管組成，但通常為多斗系統(tǒng)（即多個(gè)雨水斗接入一根橫管和立管）。

1.2.1 虹吸雨水斗

與傳統(tǒng)的雨水斗相比，虹吸雨水斗特別設(shè)計(jì)了整流器，因而在淹沒水深較淺的情況下也能防止旋渦的生成，避免空氣被抽吸摻入。有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，淹沒水深為4cm時(shí)，虹吸雨水斗就能實(shí)現(xiàn)管內(nèi)不摻氣的完全滿流狀態(tài)，而普通雨水斗的淹沒水深須達(dá)到40m。雨水斗按材質(zhì)分類有鑄鐵雨水斗、鑄鋁雨水斗和不銹鋼雨水斗，排出管的管徑有DN50、DN75和DN100三種規(guī)格，其對應(yīng)的試驗(yàn)排水能力分別為6L/s、12L/s、24L/s，根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，其實(shí)際排水能力可以達(dá)到試驗(yàn)排水能力的兩倍左右。而DN100普通雨水斗的排水能力為15.5L/s，且是相對固定的。

1.2.2 懸吊管

懸吊管在虹吸雨水系統(tǒng)中是必不可少的，虹吸現(xiàn)象就在懸吊管與立管的連接處產(chǎn)生，而且懸吊管把多個(gè)雨水斗連在一起，節(jié)省了立管。因系統(tǒng)中雨水的流動(dòng)是由負(fù)壓推動(dòng)，屬于有壓流，所以懸吊管不需要設(shè)坡度，而且根據(jù)計(jì)算懸吊管多為DN50和DN75的小管，可以大大節(jié)省屋面下的空間。重力流系統(tǒng)的懸吊管多為DN100～DN150，坡度為2%～1%，與其他管道的設(shè)置經(jīng)常產(chǎn)生矛盾。

1.2.3 立管

壓力流雨水排放系統(tǒng)的立管比重力流系統(tǒng)大大減少，因?yàn)橛晁窋?shù)量少，并且用懸吊管匯集到立管，不過虹吸雨水系統(tǒng)的立管管徑較大，須隱藏在管井內(nèi)。重力流系統(tǒng)多為單斗系統(tǒng)，造成建筑內(nèi)立管林立，對裝修影響很大。

2 壓力流雨水排放系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

降雨過程中屋面承接的雨水沿屋面坡向匯集到檐溝和天溝，經(jīng)雨水斗、懸吊管及立管、排出管排出。從水力學(xué)的觀點(diǎn)可分為重力流屋面排水系統(tǒng)和壓力流屋面排水系統(tǒng)兩類。不同的屋面雨水排水系統(tǒng)，采用不同的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。此前，我國的屋面排水系統(tǒng)按重力流設(shè)計(jì)，屋面重力流雨水排水系統(tǒng)采用重力式雨水斗，雨水斗的排水狀況是自由堰流，流入雨水斗的雨水摻入空氣，形成水氣混合流，雨水斗的設(shè)計(jì)流量?。话粗亓α饔?jì)算的懸吊管要求不大于0.8的充滿度和大于5%的坡度，因此需要較大的管徑和坡降；為了維持連接在同一懸吊管上的各個(gè)雨水斗的正常工作，限定連接雨水斗的數(shù)量不多于4只，導(dǎo)致雨水立管的根數(shù)增加。重力流屋面雨水排水系統(tǒng)受其水力特性的限制，造成排水立管多、管徑大、排水能力小，對于大面積工業(yè)廠房及公共建筑屋面雨水排水系統(tǒng)則更顯突出。壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統(tǒng)，采用虹吸式雨水斗，排水能力有很大的提高；在符合水力計(jì)算的條件下，接入懸吊管的雨水斗的個(gè)數(shù)不受限制，因此減少了立管和埋地管的數(shù)量；懸吊管不需坡度，安裝方便、美觀；系統(tǒng)按虹吸流計(jì)算，可以減少選用管道的管徑，管內(nèi)流速增加，有利于提高自凈能力；由于單一系統(tǒng)的懸吊管長度可達(dá)150m，主立管可以靠近外墻，建筑物內(nèi)可以不需做管道井，不埋設(shè)管道，對于建筑物內(nèi)地面下管道多或不宜設(shè)井的場所尤為適宜?？梢姡瑝毫α鳎ê缥剑┪菝嬗晁潘到y(tǒng)與重力流相比有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

3 設(shè)計(jì)步驟

計(jì)算屋面面積；計(jì)算總的降雨量；布置雨水斗，組成屋面雨水排水管網(wǎng)；繪制水力計(jì)算草圖，標(biāo)注各管段的長度；估算管徑：對水平懸吊管采用懸吊管的總阻力損失值700mbar，除以總等效長度，計(jì)算出單位管長的壓力損失的估算值，以此選出各管段的管徑。立管與排出管管徑可采用相應(yīng)的控制流速初選管徑，一般立管可比懸吊管最大直徑小一號；進(jìn)行第一次水力計(jì)算，計(jì)算結(jié)果若已滿足本文第5章的要求，則可按計(jì)算結(jié)果繪成正式圖紙；若第一次計(jì)算不滿足本文第5章的要求，則應(yīng)對系統(tǒng)重新布置，然后再次進(jìn)行水力計(jì)算，直至滿足為止，按最后結(jié)果繪制圖紙。

4 壓力流雨水排放系統(tǒng)水力計(jì)算要點(diǎn)

水力計(jì)算的目的是充分利用系統(tǒng)提供的可利用水頭，減小管徑，降低造價(jià)；使系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)由不同支路計(jì)算的壓力差限定在一定的范圍內(nèi)；保證系統(tǒng)安全、可靠、正常地工作。

水力計(jì)算是在初步布置的管路系統(tǒng)上進(jìn)行的，計(jì)算的成功要遵守水力計(jì)算的各項(xiàng)要求。因此，管路系統(tǒng)不同區(qū)段的管徑、連接的配件，以至管路的布置都可能有所變動(dòng)。手工進(jìn)行水力計(jì)算是非常繁瑣的，最好使用專用軟件，用Excel編制電子表格進(jìn)行計(jì)算比較方便。水力計(jì)算的要點(diǎn)如下：

管道的設(shè)計(jì)最小流速不小于1m/s，使管道有良好的自凈能力，這一要求適用于系統(tǒng)的所有管段；最大流速常發(fā)生在立管上，宜小于6 m/s，以減小水流動(dòng)時(shí)的噪音，最大不小于10 m/s。系統(tǒng)底部的排出管的流速壓力流小于1.5 m/s，減少水流對排水井的沖擊。

排水管系統(tǒng)的總水頭損失與排水管出口速度水頭之和應(yīng)小于雨水斗天溝底面與排水管出口的幾何高差，其壓力余量宜稍大于100mbar（1mbar=100Pa）。

壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統(tǒng)的最大負(fù)壓值在懸吊管與總立管的交叉點(diǎn)。該點(diǎn)的負(fù)壓值，應(yīng)根據(jù)不同的管材而有不同的限定值。對于使用鑄鐵管和鋼管的排水系統(tǒng)應(yīng)小于-900 mbar；對于塑料管道，管徑50~160應(yīng)小于-800 mbar，管徑200~300應(yīng)小于-700 mbar。

壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)由不同支路計(jì)算得到的壓力差不大于-150 mbar。

壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統(tǒng)使用內(nèi)壁噴塑柔性排水鑄鐵管或鋼管及高密度聚乙烯管等，采用海曾-威廉公式計(jì)算管道的沿程阻力損失，并采用不同的C值。

5 結(jié)論

大屋面雨水排水系統(tǒng)采用壓力流排水具有許多優(yōu)點(diǎn)：

①雨水斗在屋面上可以靈活設(shè)置；

②壓力流雨水斗的排水能力大大高于同樣規(guī)格的重力流雨水斗，因此可減少雨水斗的設(shè)置數(shù)量；

③由于壓力流管道按滿管流設(shè)計(jì)，橫管不需要設(shè)坡度，因此可以降低地下室的層高，節(jié)省建筑造價(jià)；

④壓力流的排水系統(tǒng)屬單相滿管流，在同樣條件下，相同的屋面匯水面積可減少管道的數(shù)量和直徑。從而減少室外雨水檢查井的數(shù)量；

⑤壓力流時(shí)，雨水在管道中高速流動(dòng)，可起到清潔管道的作用，避免管道淤積。

目前，壓力流排水系統(tǒng)的各種配件大部分還依賴進(jìn)口。國內(nèi)國內(nèi)有些廠家已經(jīng)開發(fā)研制出了國產(chǎn)系列產(chǎn)品，這可以使系統(tǒng)造價(jià)大大減小。