壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統(tǒng)在鐵路建筑中的運用

王善永 上海鐵路局上海鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部

壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統(tǒng)在鐵路建筑中的運用

王善永 上海鐵路局上海鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部

結(jié)合工程實例分析了壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統(tǒng)的工作原理、技術(shù)特性；從上海綜合維修基地新建機(jī)械大庫工程屋面雨水排水建設(shè)實踐中，對工程中雨水排水系統(tǒng)系統(tǒng)安裝注意要點進(jìn)行探討，可為類似工程提供借鑒。

壓力流；雨水排水；鐵路；運用

隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，高速鐵路路網(wǎng)的延伸，“大面積”、“大體量”建筑越來越多。傳統(tǒng)屋面排水系統(tǒng)工藝多按重力流屋面雨水系統(tǒng)設(shè)計，雨水管道的多少及管徑的大小是決定雨水排泄順暢的主要依據(jù)，而在大面積屋面建筑中僅靠傳統(tǒng)施工工藝，將導(dǎo)致雨水管道多、管徑大，從而影響建筑物的美觀和實用，傳統(tǒng)的重力流屋面排水系統(tǒng)已不能適應(yīng)。本文結(jié)合上海綜合維修基地新建機(jī)械大庫工程實際，對屋面壓力流（虹吸式）雨水系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行探討，為今后類似工程提供借鑒和參考。

1 壓力流（虹吸式）屋面雨水系統(tǒng)工作原理

1.1 屋面雨水排水流態(tài)分類

建筑屋面雨水排水是建筑給水排水工程重要的組成部分。根據(jù)雨水在管道內(nèi)的流態(tài)分類，屋面雨水排水系統(tǒng)可分為重力流、半有壓流和壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統(tǒng)三種，主要區(qū)別在系統(tǒng)的運行狀態(tài)管道內(nèi)夾雜著空氣的多少。

圖1 壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統(tǒng)示意圖

1.2 壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統(tǒng)組成

壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計流態(tài)為重力輸水有壓流的屋面雨水系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)置相應(yīng)的專用雨水斗并按照滿管壓力流狀態(tài)運行，主要由虹吸式雨水斗、雨水懸吊管、雨水立管、埋地管、雨水出戶管等組成，如圖1所示。

1.3 虹吸流狀態(tài)的形成的判斷

根據(jù)水力學(xué)規(guī)律，不可壓縮恒定流體能量符合伯努利(Bernoulli)方程，建筑工程中壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統(tǒng)管路內(nèi)任意斷面x處壓力：

式中：

PX-管路內(nèi)任意斷面x壓力，kPa；

Δhx-雨水斗頂面至管路內(nèi)任意斷面x的幾何高差，m；

Vx-計算點的水流速度，m/s；

IR-管道的沿程水頭損失，m；

Z-管道的局部水頭損失，m。

當(dāng)水流充滿管路、水流運動可用不可壓縮流體的伯努利(Bernoulli)方程描述、管路中有明顯負(fù)壓時即可以認(rèn)為系統(tǒng)虹吸流狀態(tài)的形成。

1.4 管路內(nèi)水流流態(tài)變化規(guī)律

壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統(tǒng)的屋面，管路內(nèi)水流流態(tài)是變化的。在降雨初期，雨水量較少，屋面雨水高度未超過雨水斗高度時，雨水排水系統(tǒng)懸吊管內(nèi)的雨水為非滿流，整個雨水排水系統(tǒng)工作狀態(tài)與重力排水系統(tǒng)相同。隨著降雨歷時的持續(xù)及降雨量的增加，屋面積水高度逐漸超過雨水斗高度，雨水排水系統(tǒng)工作狀態(tài)由重力流狀態(tài)，經(jīng)半有壓流狀態(tài)進(jìn)入到壓力流 (虹吸式)狀態(tài)，懸吊管內(nèi)出現(xiàn)較明顯的負(fù)壓，虹吸的形成使系統(tǒng)排水能力迅速增大。降雨末期，雨量減少，屋面雨水高度又降低到雨水斗高度以下時，雨水狀態(tài)又重新回到重力流狀態(tài)。

1.5 管路內(nèi)水流壓力變化規(guī)律

通過改變雨水斗頂面至管路內(nèi)任意斷面 的幾何高差,可以判明全系統(tǒng)的壓力變化情況，在雨水斗的接出管上,雨水斗以下的連接管呈較小的正壓。在懸吊管上,從懸吊管的最遠(yuǎn)端向立管一側(cè)偏移,管道的水頭損失迅速增加,可利用的水

頭維持不變,管內(nèi)呈不斷增大的負(fù)壓,在轉(zhuǎn)折處負(fù)壓最大。從轉(zhuǎn)折處向下,可利用的水頭迅速增加,大大超過因管道長度增加而增加的水頭損失,立管內(nèi)的負(fù)壓值也隨之很快減少至零,繼之出現(xiàn)逐漸增加的正壓,立管底部達(dá)到最大值。最后至雨水出戶管后正壓逐漸被消耗,至室外排水井處與大氣相通處管道中的壓力降為零。為了防止管道受壓損壞，保護(hù)排水管道，不同的雨水管道都有允許的最大負(fù)壓值，通常最大允許負(fù)壓為-90 kPa。雨水斗頂面距離排出管的幾何高差 越大，系統(tǒng)產(chǎn)生的抽力就越大，泄水能力也就越強(qiáng)。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

上海綜合維修基地新建機(jī)械大庫工程為單層鋼架彩鋼板屋面結(jié)構(gòu)，主跨結(jié)構(gòu)建筑總高度為13.9 m，平面軸線尺寸為51 m×156 m，屋面坡度為5%，雙向排水，剖面見圖2。

圖2 屋面剖面示意圖

根據(jù)上海市暴雨強(qiáng)度公式，降雨歷時取5 min，重現(xiàn)期P= 5年,屋面徑流系數(shù)ψ=0.9，降雨強(qiáng)度q5=5.11L/（S·100 m2）。主跨屋面雨水設(shè)計流量q=ψFq5=365.9 L/s。

2.2 排水系統(tǒng)流態(tài)的選擇

屋面雨水排水應(yīng)根據(jù)不同的屋面類型采用不同的雨水排水系統(tǒng)。通常對于多層住宅或建筑體量與之相似的一般民用建筑，其屋頂面積較小，建筑四周排水出路多，立管設(shè)置要服從建筑立面美觀要求，多采用重力流排水系統(tǒng)。高層建筑，匯水面積較小，采用重力流排水，增加一根立管，便有可能成倍增加屋面的排水重現(xiàn)期，增大雨水管系的宣泄能力,也多采用重力排水系統(tǒng)；而對于多跨工業(yè)廠房、庫房、公共建筑，通常匯水面積較大，室內(nèi)生產(chǎn)工藝要求不允許或設(shè)置可敷設(shè)立管的地方較少，只有充分發(fā)揮每根立管的作用，方能較好地排除屋面雨水，應(yīng)采用壓力流（虹吸式）排水系統(tǒng)。

2.3 工程實施情況

若按照重力流雨水排水系統(tǒng)設(shè)計，選用DN100雨水斗，設(shè)計泄流量按10 L/s計算，則至少需重力式雨水斗N=365.9/ 10=36.6只，雙側(cè)對稱布置共取38只，室內(nèi)立管需38根且需分別布置排出管。管道安裝工作量大，埋地工作量大大增大，工程造價增大，影響室內(nèi)美觀且影響車輛檢修庫安全作業(yè)。傳統(tǒng)重力流排水方式不適合這種匯水面積較大，室內(nèi)生產(chǎn)要求不宜設(shè)置較多立管的地方，只有充分發(fā)揮每根立管的作用，才能較好滿足要求。

現(xiàn)采用壓力流（虹吸式）雨水排水方式排除屋面雨水，雨水口布置方案見圖3。

圖3 屋面雨水分區(qū)示意圖

據(jù)圖3所示（圖中只較詳細(xì)畫出一個排水系統(tǒng)）采用6個獨立的虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)，則每個匯水分區(qū)設(shè)計雨水量Q=365.9/6=60.98L/s，選用100 mm壓力流（虹吸式）雨水斗，每個排水分區(qū)均勻布置5個虹吸式雨水斗，單斗泄流量按24 L/s計算，則1個獨立的虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計泄流量為Q=5×24=120 L/s＞60.98 L/s，計算結(jié)果見排水管路設(shè)計水力計算表1。雨水計算簡圖見圖4。

圖4 雨水計算簡圖

表1 排水管路設(shè)計水力計算結(jié)果簡表

從水力計算表可以看出，本系統(tǒng)最大負(fù)壓發(fā)生在節(jié)點8，即懸吊管與立管的連接處，負(fù)壓值為-66.687 kPa，小于最大允許負(fù)壓-90 kPa，滿足規(guī)范要求。

2.4 安裝施工注意事項

（1）本工程所采用壓力雨水斗為不銹鋼材質(zhì)，具有獨特的整流功能和良好的排水性能；選用的管材和接口必須能夠同時滿足正、負(fù)壓的需要，在屋面結(jié)構(gòu)施工時，必須配合土建工程預(yù)留符合雨水斗安裝需要的預(yù)留孔。

（2）虹吸式雨水斗應(yīng)按產(chǎn)品說明書的要求和順序進(jìn)行安裝。虹吸式雨水斗排出口與HDPE管道之間使用電焊管箍焊接，保證整體性和密封性非?？煽?。雨水斗安裝時，應(yīng)在屋面防水施工完成、確認(rèn)雨水管道暢通。同一支排水系統(tǒng)上的壓力流屋面雨水排水系統(tǒng)的虹吸式雨水斗應(yīng)設(shè)在同一水平面上。雨水斗安裝后，其邊緣與屋面相連處應(yīng)嚴(yán)密不漏。

（3）雨水排水系統(tǒng)管材選用優(yōu)質(zhì)HDPE管，采用熱熔連接。懸吊橫管無坡度敷設(shè),不得倒坡，管道的管壁必須具備相當(dāng)?shù)某袎耗芰Α?/p>

（4）安裝在室內(nèi)的雨水排水管道安裝完成后，必須進(jìn)行灌水試驗。將雨水管排出口封堵嚴(yán)密，從雨水斗處注入清水，系統(tǒng)灌注至水面與天溝底相平，灌水高度必須到立管上部的雨水斗，持續(xù)1 h后，不滲不漏為合格。

2.5 技術(shù)優(yōu)勢

（1）壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統(tǒng)在設(shè)計狀態(tài)下管道中充滿水而產(chǎn)生虹吸作用并快速排放雨水，是快速解決大面積屋面雨水排放的有效途徑。

（2）懸吊管接入的雨水斗數(shù)量較多，在滿足水力計算要求下，單雨水斗最大匯水面積可達(dá)到2 500 m2，更適合大跨度，大面積建筑物的屋面排水。

（3）立管數(shù)量大大減少，管道直徑小，工程造價降低，水平懸吊管無須坡度，建筑適應(yīng)性、靈活性強(qiáng)，安裝方便、美觀，管道埋地工作量大大減少。

（4）壓力流（虹吸式）排水系統(tǒng)中雨水懸吊管可做到無坡度敷設(shè)，且虹吸作用時管內(nèi)水流流速往往很高，因此系統(tǒng)具有較好的自清潔作用。

3 結(jié)束語

工程實踐表明，采用壓力流（虹吸式）雨水排水系統(tǒng)排水能力相對重力式雨水排水有很大的提高，系統(tǒng)節(jié)約管材、節(jié)約造價，現(xiàn)場施工量減少、施工方便，懸吊管不需坡度,管道走向可以根據(jù)需要靈活設(shè)置，不影響建筑總體美觀，對于室內(nèi)地面下不宜設(shè)排水管道及設(shè)置室內(nèi)檢查井的車站、庫房等大屋面工程場所尤為適宜。

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高速鐵路網(wǎng)的延伸，鐵路運營需要修建相應(yīng)的車站、機(jī)車維修庫房等大面積匯水屋面建筑，采用壓力流雨水排水系統(tǒng)越來越多，希本文壓力流（虹吸式）雨水排水系統(tǒng)對類似工程起到一定的參考作用。

［1］《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》.中國計劃出版社.2010年8月.

［2］王增長.《建筑給水排水工程》.中國建筑工業(yè)出版社.2010年8月.

［3］陳耀宗等.《建筑給水排水設(shè)計手冊》.中國建筑工業(yè)出版社2008年10月.

［4］《建筑屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》.中國建筑工業(yè)出版社.2014年9月.

［5］《建筑給水排水及采暖工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》.中國建筑工業(yè)出版社.2013年6月.

［7］徐志通等.《壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計與運用》.《給水排水》2002年6期.

責(zé)任編輯：王 華

來稿日期：2015-02-06