虹吸式屋面雨水系統設計研究

梅璟 劉敏

摘 ?要：文章對虹吸式屋面雨水排水系統的優化設計方法進行闡述，并以某建筑為例進行分析，充分地了解到了支流匯入懸吊管對屋面雨水系統所產生的水力影響，采用何種計算方法來模擬系統中的水力狀況，將精確計算方法及常規計算方法進行對比，精確計算方法得出的結果更加合理，為虹吸式屋面雨水系統設計提供了新的思路。

關鍵詞：虹吸式屋面雨水系統;流量取值;雨水斗;管徑;水力校核

中圖分類號：TU823 ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）28-0086-02

Abstract： This paper expounds the optimal design method of the siphon roof rain water drainage system， and takes a building as an example to fully understand the hydraulic influence of the tributary into the suspension pipe on the roof rain water system. What kind of calculation method is used to simulate the hydraulic condition in the system， and the accurate calculation method is compared with the conventional calculation method， and the results obtained by the accurate calculation method are more reasonable， which provides a new idea for the design of siphon roof rain water system.

Keywords： siphon roof rain water system; flow value; rain water bucket; pipe diameter; hydraulic check

前言

虹吸式屋面雨水系統在實際的應用過程中，主要是運用虹吸式雨水斗，氣水分離需在斗前水位達到一定深度后實現。系統借助雨水的勢能，在排水管道中形成負壓，當雨水管道處于壓滿流狀態時，受負壓抽吸作用影響，屋面的雨水會保持高流速狀態，將屋面上的雨水快速的排除掉。虹吸式屋面雨水系統具有排水能力強，排水速度快，安裝方便，建筑成本更低等優勢，在大型屋面施工中被廣泛的應用，有效的解決了屋面存水問題。

1 虹吸式屋面雨水排水系統設計

1.1 雨水設計流量取值方法

雨水設計流量的取值會直接影響雨水管管徑及雨水斗的數量，為雨水系統的優化設計奠定了堅實的基礎，是系統合理設計的前提。雨水系統不僅要求屋面雨水能夠快速、及時地排出去，在滿足排放要求的前提下，盡可能節約工程成本，降低運行成本[1]。雨水設計流量是指在單位時間內，對暴雨強度作用下屋面匯水面積上的降雨量進行優化設計。為了提升暴雨強度設計效果，應嚴格按照相鄰地區及當地的暴雨強度公式來進行設計，設計重現期主要是指對雨量相關資料進行有效的統計和分析，對暴雨強度出現的時間間隔進行計算，其取值是影響雨水設計流量大小的主要因素，若重現期較長，則說明設計流量越大，設計工作的安全性便越高。但是也會極大的增加投入量，促使工程造價大大提升。因此，重現期在設計過程中，應以氣候特征為設計依據，明確屋面構造及建筑物的重要程度等因素，通常一般建筑物的雨水設計流量取值為2-5年，重要的公共建筑的取值為10年以上[2]。

1.2 雨水斗設計

雨水斗被廣泛應用于屋面雨水排水狀態的控制中，能夠有效防止空氣通過雨水斗而進入到排水系統中去，為虹吸式雨水排水系統的建立提供了前提。因此，在雨水斗的選擇上，針對反渦流功能蓋罩的壓力流，有必要選擇經過優化設計的專用雨水漏斗。布置位置應根據管道的敷設情況、建筑結構及屋面的匯水情況來決定。虹吸式排水系統作為一種多斗壓力流雨水排水系統，懸掛管上的多斗受負壓作用，相互之間的影響很小[3]。為了能夠展現出雨水斗的穩定性，需要在同一水平面上布置同一系統的雨水斗。雨水斗數量的確定，根據具體選型來確定不同類型雨水斗的雨水流量及最大泄流量。為了提升懸吊管設計效果及設計質量，應嚴格按照滿管壓力流狀態進行優化設計，在降雨的初期，由于雨水量過少，主要是以重力流為主，水力坡度能夠實現排水，主要是依靠雨水斗出口處至懸吊管中心線中的高差來形成水力坡度。為了提升排水的通暢性，防止屋面上存蓄大量的水，而出現積水溢流情況，需要將雨水斗出口與懸吊管中心線之間的高差控制在>1m。屋面排水系統出現癱瘓，受排水立管出現故障所致，應保證在屋面匯水范圍內的雨水排水立管數量多于2根[4]。

1.3 管徑確定方法

影響壓力流雨水管道系統正常使用的主要因素是系統中的壓力及流速，為了降低管道的運行成本，提升管道的自清能力，需要將懸吊管的流速控制在≮1m/s。懸吊管管徑的計算應根據懸吊管的最小設計流速、設計流量及≯RXO中的規定要求進行計算。RXO=，其中，Pmax主要是指系統最大允許負壓值，一般≯80kPa。LXO主要是指懸吊管的等效長度[5]。

壓力流的形成與立管流速有直接關系，需要將流速控制在≮2.2m/s，確保能夠具備一定的沖刷力。一般，在立管上會產生系統的最大流速，為了降低噪聲，需要將管內的流速控制在≯10m/s。對于排出管，需要將管徑放大，防止水流對檢查井造成較大的沖擊，需要將流速控制在≯1.8m/s。立管、出戶管管徑的確定，應通過查水力計算表，對出戶管及立管的流量流速、不大于RO的規定進行控制。R0=。其中，9.81H0主要是指可利用的最大壓力值。LO主要是指最不利計算管路的等效長度[6]。

1.4 水力校核方法

為了保證系統的正常運行，應做好滿管壓力流的設計及水利校核工作。在對各管段的局部損失及沿程損失進行計算時，主要是根據各管段的管長及管徑來進行計算，確保系統的最大負壓值能夠符合相關的設計要求，防止氣蝕破壞管道。在同一節點的不同支路中，在對水頭的損失差進行計算時，需要將損失度控制在一定范圍內，以確保各支路排水的順暢性，彼此之間無法互相干擾。當計算結果未能滿足相關規定要求時，應做好系統中管徑的調整工作，并對系統進行優化布置，并重復以上的步驟，直到滿足校核要求為止[7]。

2 實例分析

某建筑，長為110m，寬為70m，面積為F=7700m2，懸吊管的標高為12.8m。若雨水斗的屋面標高是13.5m時，排出管的標高則為-1.32m。屋脊與寬平行，設計重現期為P=5a，5min暴雨強度為428L/（s·hm2），管材為內壁涂塑離心排水鑄鐵管，應對壓力流屋面雨水排水系統進行合理的設計。

2.1 計算過程

虹吸式雨水系統計算方法為：（1）屋面設計雨水量為Q=ΨFq5/10000=231.66L/s。（2）對雨水斗的口徑進行合理的選擇，明確雨水斗的口徑數量及布置方式，將壓力流雨水斗的口徑設置為75mm，但將排水量設置為Q=12L/s，共取20個，分布在2側，每側10個，每個系統中各5個，將雨水斗的間距控制在6m，將設計重現期的時間控制在大于5年以上。（3）系統中可利用的最大壓力值為E=10H=10×（13.2+1.3）=145kPa。（4）管路等效長度L0=1.4L=1.4×52.3=73.22。（5）管路等效長度阻力損失R0=E/L0=145/73.22=1.98kPa/m。（6）懸吊管單位管長壓力損失，在立管與懸吊管的連接處會發生最大負壓，為了提升安全性，負壓值取-70kPa。懸吊管的等效長度為LX0=1.5LX=1.5×28.0=42m。懸吊管的管長壓力損失RX=70/39.5=1.772kPa/m。（7）管徑及水力的計算，從最小流速出發，在虹吸式雨水管道水力計算表中來確定管徑值。

2.2 計算結果分析

在計算期間，常規計算法，一般在節點8處會出現最大負壓，負壓值為-40.05kPa，在節點10處會出現最大正壓，正壓值為43.55kPa，支管匯入點為節點4、節點5、節點6和節點7，壓力差分別為-2.06、0.51、-3.53、-11.82kPa，排出管口處的余壓為43.58kPa。精確計算法，一般在節點8處會出現最大負壓42.32kPa，在節點9處會出現最大正壓，正壓值為53.86kPa，支管匯入點為節點4、節點5、節點6和節點7，壓力差分別為-1.78、1.51、-2.99、-9.81kPa，排出管口余壓為48.82kPa。

以上兩種計算結果顯示，兩種計算方法下，管內壓力的變化趨勢無明顯的差異，節點8處均發生了最大負壓值，與事實相符合。在節點1-3處壓強具有一致性，是由于此處的節點無支流匯入。兩種計算方法下，最大正壓值中存在顯著的差異，節點9處為埋地干管與雨水立管的連接處，此處會產生最大正壓值，與實際的情況相符合。通過對此處的值進行精確的計算，可知最大的正壓值，相對于常規計算法數值更高，說明使用常規計算方法所計算出來的最大正壓值要明顯低于實際情況[8]。在對虹吸式雨水系統中的水力進行計算時，若是采用傳統的計算方法將會產生一定的局限性，在計算期間應使用一根計算管路進行連接，主要用于連接最遠端的雨水斗至埋地干管的管路位置處，來了解各節點處的壓強。但是該種方法在多斗雨水排水系統中的水利計算中，由于未能充分的考慮到雨水斗的支管匯入懸吊管的節點壓強及能量變化情況的影響。因此，在虹吸式雨水排水系統水力計算中應優先使用精確計算方法。

3 結論

在對虹吸式雨水排水系統的水利狀況進行計算時，應采用一種更為精確的計算方法，以恒定總量的能量功能為依據，并充分的考慮到支流在匯入到懸吊管中，對水力所產生的影響，以提升計算結果的準確性。因此可知，在虹吸式雨水排水系統水力計算中，應使用精確計算方法，合理選擇方案，以確保系統能夠實現正常運行。

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