保定站房屋面虹吸雨水系統應用探討

耿儻

摘要：保定站房屋面采用的是較為先進的虹吸式雨水排水系統，運行以來取得了較好的效果。但對于虹吸系統應用中的一些熱點問題，如天溝或管道的漏水、過量雨水的溢流等問題還需要進行探討。本文在介紹虹吸雨水系統構成和原理的基礎上，結合保定站房虹吸雨水系統的具體特點，對有關問題進行分析，并提出相應對策。

Abstract： The roof of Baoding Station adopts more advanced siphon rainwater drainage system， which has achieved good results since its operation. However， some hot problems in siphon system application， such as leakage of gutter or pipe， overflow of excessive rainwater and so on， need to be discussed. On the basis of introducing the structure and principle of siphon rainwater system， combined with the concrete characteristics of Baoding Station room siphon rainwater system， this paper analyzes the relevant problems and puts forward corresponding countermeasures.

關鍵詞：虹吸雨水系統；天溝；應用探討

Key words： siphon rainwater system；gutter；application discussion

中圖分類號：TU823 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）19-0151-04

0 引言

在鐵路站房現代化建設過程中，由于屋面型式較為復雜，匯水面積大，對外觀的要求高，使傳統的重力式雨水系統很難滿足這一要求，于是開始大量應用虹吸雨水排水系統。2014年7月，石家莊火車站站房暴雨時因虹吸系統故障成為候車大廳內大面積漏水的原因之一，暴露出虹吸雨水系統設計方法、施工管理及后期維護等方面存在的很多問題。

1 虹吸雨水系統構成和工作機理

1.1 系統構成

屋面虹吸雨水系統的組成部分主要有虹吸式雨水斗、連接管、懸吊管、立管、排出管、雨水檢查井等。如圖1所示。

1.1.1 虹吸式雨水斗

虹吸式雨水斗的主要功能是氣水分離、防渦流等，可以有效控制雨水斗前的水位深度。當雨水斗前的水位深度趨于穩定并且接近設計水深時，系統內的水流就保持在滿管流狀態，系統開始發揮最大的排水效用。

雨水從雨水斗尾部進入連接管時，一般會在此處產生立軸漩渦。從力學角度分析，這是地球自轉、地心引力和大氣壓所產生的切力的共同作用所產生的。從水力學角度分析，當流體的旋轉角速度不為零時，流體質點在運動過程中圍繞自身旋轉，于是產生漩渦。為了防止漩渦的產生，一般在雨水斗內安裝防渦板。

1.1.2 連接管

連接管是整個虹吸系統能否形成虹吸作用的關鍵。如果連接管設計不合理，雨水在連接管內形不成虹吸作用，整個系統將無法在虹吸狀態下運行。可以調節連接管的長度和管徑來滿足系統的節點壓力平衡。

1.1.3 懸吊管

由于虹吸系統的特點，懸吊管可以零坡度設置，最大程度地減少對建筑空間的影響，但不允許反坡，以避免管道內的積水增加對建筑結構的荷載。系統懸吊管的長度越長，雨水充滿懸吊管需要的時間也就越久，間接地提高了天溝的蓄水能力。

1.1.4 立管

立管在系統中的作用是把雨水從高處輸送到排出管。由于真空作用，雨水立管的管徑比懸吊管的管徑要小，立管中的雨水流速直接影響這個系統的工作效率。

1.1.5 排出管

由于雨水立管中的水流速度較快，在雨水進入檢查井前，需要設置排出管釋放多余的水頭，減少高壓水流對井壁的沖擊和破壞。排出管的管徑比埋地干管要放大兩號處理，使管道內的水流由滿管流變為自由液態流。

1.2 工作機理

虹吸現象是一種普遍的流體力學現象，依靠管道內的真空作用使液體快速移動。管道內充滿液體時，由于管道兩端的液面存在高差，在勢能和大氣壓的作用下，液位較高的液體在管道內跌水形成真空，產生抽吸作用，使液體通流向低位管口，這就是虹吸的原理。

形成虹吸作用一般需要具備三個條件：①進口水面高于出水口水面；②管道中充滿液體；③管道中有明顯負壓。

屋面虹吸雨水系統即是依據這個原理，屋面高度較地面具有足夠的高差，滿足了第一個條件；虹吸式雨水斗能夠有效阻止空氣進入管道，在斗前水深達到設計要求時，管道內是滿流狀態，滿足了第二個條件；雨水在進入立管時，由于重力作用出現跌水，形成局部真空，產生負壓作用，滿足了第三個條件。雨水系統在虹吸作用下迅速地把屋面上的雨水排走，減少了雨水帶給屋面的附加荷載。

1.3 虹吸雨水系統運行分析

降雨過程中，降雨量并不是持續不變的，下面對不同降雨量時的系統運行狀態進行簡單分析。

①實際降雨量接近設計雨量時。當實際降雨量接近設計雨量時，管道內的雨水是滿管流狀態。天溝內的水位超過斗前水深后，懸吊管上游率先形成滿管流，并迅速向下游推進，此時管道內的降雨開始時進入的氣團也迅速被推向立管方向，當管道內的氣團全部被排出以后，整個系統就在完全的滿管流狀態下運行。

②實際降雨量超過設計雨量時。當實際降雨量超過設計雨量時，虹吸系統仍舊以滿管流的狀態運行。區別只是超出設計雨量的降雨會逐漸在天溝內聚集，使天溝的水深逐漸增大，超過天溝的保護高度后進入溢流系統。

③實際降雨量遠低于設計雨量時。實際降雨過程中，雨水系統在多數時間是處于這種狀態的，也就是氣水兩相流的狀態，這個狀態的運行機理較為復雜，本文暫不做討論，但可以確定的是系統的排水效率雖然沒有得到充分發揮，但是完全可以滿足實際的排水需求。

2 保定站房虹吸雨水系統應用探討

2.1 保定站工程概況

保定站位于保定市中心，京廣鐵路里程K134+587m。新建站房分兩期建成，西站房于2012年12月投入使用；東站房于2015年10月投入使用，站房全部建筑面積34997m2。

2.2 保定站房虹吸雨水系統基本情況

根據站房的結構形式，劃分為五個大的匯水區域。中間候車廳為金屬板屋面，屋面坡度為5%，總匯水面積為17496m2，設置8組虹吸雨水系統，采用YG80虹吸式雨水斗38個，每個雨水斗匯水面積為460m2。兩側辦公區單個屋面匯水面積1440m2，分別設置1組虹吸雨水系統，采用YG80虹吸式雨水斗4個，每個雨水斗匯水面積為360m2。管道系統采用HDPE管材，雨水懸吊管的最大管徑為De200mm，雨水立管的最大管徑De160mm，排出管的最大管徑De315mm。

系統天溝采用沿主體外墻外側設置環行天溝，采用2mm厚不銹鋼板工廠預制，現場焊接拼接，在相鄰的虹吸系統間設置溢流堰。天溝尺寸為：寬度W=0.5m，高度H=0.3m，天溝內設計最大水深240mm，天溝保護高度60mm。由于系統設計時采用了50年暴雨重現期來計算降雨量，滿足《虹吸式屋面雨水系統技術規程》中規定的“屋面虹吸雨水系統與溢流設施的總排水能力不應小于50年暴雨設計重現期的雨水量”，所以未設置溢流口。

2.3 虹吸雨水系統應用的相關問題探討

保定站房虹吸雨水系統運行三年多以來，運行良好，但是隨著使用期的延長以及今后應對極端天氣方面，難免會出現一些問題。下面對一些常見問題展開探討：

2.3.1 天溝漏水問題

近期發現不銹鋼天溝底板表面出現斑點的銹跡，表明天溝受到腐蝕。除了材質的原因外，酸性雨水腐蝕應該是主要因素。在潮濕環境下，空氣中的硫化物或氮的氧化物與水結合形成腐蝕性較強的酸雨，不銹鋼板長期處于這樣的環境下就會發生腐蝕漏水。另外焊縫位置存在的物理缺陷，比如說氣孔、未熔合或者未焊透都是潛在的腐蝕源。

由于天溝與雨水斗均為不銹鋼材質，不會因腐蝕電勢區別而產生銹蝕，但焊縫檢驗合格后未做酸性鈍化處理，且焊接部位未采取合理的防腐措施，在長期的銹蝕影響下，很可能發生漏水。

不銹鋼焊接時應采用不銹鋼焊絲，氬弧焊，可用環氧基防腐涂料涂刷焊接部位，如果現場條件允許，在涂刷防腐涂料后，還應該采用丙綸無紡氈，以便將腐蝕對不銹鋼板材的影響降到最低程度。發現表面出現銹蝕后，我們及時對銹蝕部位了采取除銹、刷防腐涂料等防腐措施，以控制腐蝕的發展。

2.3.2 天溝向室內溢水問題

反思石家莊站出現的“水簾”問題，除了系統出現“氣塞”以外，系統未設置溢流措施也是原因之一。天溝的溢水問題主要以下三個方面：

①天溝尺寸不足。

由于天溝側壁與金屬屋面板間存在縫隙，假如天溝內雨水排除不及時，雨水就會滿流過天溝而進入室內。

虹吸雨水系統在降雨初期雨量較小時，其排水方式仍舊是重力流排水。隨著雨量增大，天溝內達到設計水深以后，虹吸式雨水斗就能有效阻止空氣進入系統，形成穩定的滿管流，相當于屋面上一個水面穩定的水池在進行泄水，因此天溝的尺寸必須保證產生虹吸的水位深度和保護高度以及溢流系統需要的高度等，同時天溝的寬度應該能夠保證雨水斗周圍均勻進水，以最大程度發揮虹吸系統的排水效能。

虹吸系統施工前有必要對天溝尺寸進行校核。

對本工程的天溝尺寸進行驗證：

設計雨水流量為Qr=1.5*553*460/10000=38.16L/s；

天溝的最大設計水深Hw=0.8*H=0.24m；

不銹鋼表面粗糙度系數N=0.0125；

天溝局部的最不利坡度S=0.001；

經計算天溝的過水斷面Ag=0.5*0.24=0.12m2；

則水力半徑R=Ag/（W+2Hw）=0.12/（0.5+2*0.24）=0.122；

天溝的排水速度Vg=0.1222/3*0.0011/2/0.0125=0.624；

天溝的允許排水量Qg=0.12*0.624=74.9L/s>Qr=38.16 L/s。

經驗證，天溝尺寸滿足排水要求。

②鋼結構撓度異常導致天溝變形，產生溢水。

不銹鋼天溝與金屬屋面連成一體，特別對于跨度大的鋼結構屋面，在承受雨水、積雪等荷載時，容易出現撓曲現象。鋼結構屋面產生的撓曲變形，導致天溝局部塌落、局部凸起，凸起位置的雨水斗不再是天溝內的最低點而使其排水功能減弱或喪失，當天溝變形嚴重導致排水功能降低較多時，就會導致過量雨水從天溝和屋面板間的縫隙溢流到室內。

應用中，大型屋面鋼結構的撓度異常校核非常重要，設計人員須充分了解工程當地的氣象資料，并且考慮應對最不利情況的出現，最大程度減少撓度變異的危害。后期維護也應該關注天溝的撓度變化，及時采取應對措施消除隱患。

③天溝沒有設置溢流措施導致溢水。

《虹吸式屋面雨水系統技術規程》中規定的“屋面虹吸雨水系統與溢流設施的總排水能力不應小于50年暴雨設計重現期的雨水量”，本工程采取提高暴雨設計重現期（實際采用50a）的方式提高排水能力，所以未設置溢流口。這種做法是存在弊端的。提高暴雨重現期導致系統管徑過大，在一般的降雨條件下，系統形成虹吸作用的幾率減小，排水效果降低，假如系統出現堵塞或者管道氣密性失效，過量雨水就會直接溢流到室內。

可以說，對于天溝與屋面板存在縫隙的屋面，溢流措施是防止雨水進入室內的最后一道屏障，這道屏障缺失，給系統的安全運行埋下了極大的安全隱患，石家莊火車站的漏水事件即是典型的案例，需要人們深刻反思當前虹吸系統的設計思路和改進方法。

2.3.3 負壓造成HDPE管材開裂漏水

本工程管道采用的是排水專用的HDPE管材，其特點是密度小、重量輕，焊接工藝簡單，施工方便，具有良好的韌性、氣密性，較小的伸縮率，抗沖擊性較好。但是在其他工程實踐中發現，雨水排放過程中出現管道漏水現象，經檢查是立管上部局部管壁凹陷，產生裂縫漏水，同時系統的排水效率顯著降低。

通過虹吸系統運行機理，在立管頂部出現最低負壓值，一般在系統設計時，需通過水力計算控制該負壓值在允許范圍之內，防止由于負壓作用破壞管材或者出現雨水“汽化”。虹吸規程規定系統最低的負壓不能低于-90kPa。為了保證管材不被破壞，設計時應采用不低于PE80等級的高密度PE材料，并要求供貨商提供耐正壓和耐負壓的檢測報告。對于雨水立管來說，必須能夠承受設計要求的最低負壓，而由于排出管已經轉變為傳統重力流，所以沒有耐負壓的限制。

2.3.4 “氣塞”或“水塞”導致雨水井冒水、排水效率降低

虹吸規程規定，每個虹吸雨水系統要設置專門的雨水檢查井，且必須與大氣連通，井蓋上的通氣孔面積不少于井蓋面積的30%。同時應注意下游管路應比系統排出管放大管徑處理，并保證管道通暢。

由于虹吸雨水系統為有壓流，排水速度是普通重力流的3至5倍，暴雨時短時間內會有大量雨水被排進雨水檢查井，要求檢查井及下游管路要有足夠的排水能力并且保持暢通。如果檢查井尺寸偏小或者下游管路管徑不足，就會使排入井內的高流速雨水受到壅塞形成“水塞”，對檢查井造成破壞并影響排水效果。同時，降雨初期形成的氣團不能順利排出，在系統內形成“氣塞”，使整個系統的虹吸作用遭到破壞，極大的降低排水效率。

虹吸雨水系統投入使用的第一年，站房北側的雨水檢查井在暴雨時出現檢查井蓋被頂開，雨水噴泉般從井內涌出。經檢查，發現雨水井下游管路因其他施工造成堵塞，造成井內雨水無法順利排走，經處理管道通暢后系統運行正常。

2.4 保定站房虹吸雨水系統的維護要點

①檢查格柵罩是否被固定在雨水斗上，對松動的格柵罩進行加固；②檢查屋面上是否有障礙物阻礙雨水進入系統，保證雨水徑流通暢；③每年對天溝、雨水斗進行兩次檢查和清理，保證天溝、虹吸雨水斗和管道內無沉積的泥沙或樹葉等雜物，發現天溝銹蝕時應及時采取防腐措施，防止腐蝕加??；④建立并保存日常檢查記錄。⑤為了保持虹吸系統內部的負壓，要特別注意管道和檢查口的水密性和氣密性，定期對虹吸雨水系統進行檢查，確保整個系統狀態良好。

3 結語

屋面虹吸雨水系統主要針對各種大面積屋面或復雜屋面的雨水排放，其排水性能較重力流雨水系統得到了極大的改善。在驗收和后期維護過程中，需嚴格按照給排水規范和虹吸雨水系統技術規程的規定，做好質量控制和后期維護，使其更好地服務于鐵路運輸安全生產。

參考文獻：

[1]CECS183：2015，屋面虹吸雨水系統技術規程[M].

[2]姜文源.屋面雨水排水技術綜述.福建給水排水專題資料，2004（1）：15-17.

[3]歸談純.屋面虹吸雨水系統熱點問題探討[J].中國給水排水，2006，22（4）：41-43.

[4]范懋功.首都機場四機庫屋面雨水虹吸系統運行十年反思[J].建筑給排水，2006，32（9）：55-56.