王紅艷（陜西銅川建筑勘察設(shè)計(jì)院有限公司，陜西省銅川市727000）

淺談屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王紅艷（陜西銅川建筑勘察設(shè)計(jì)院有限公司，陜西省銅川市727000）

隨著目前中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，特別是工業(yè)園區(qū)的建設(shè)，各地都在大力進(jìn)行大型廠房的建設(shè)，車間的規(guī)模越來越大，這就給屋面雨水的排放帶來了新的問題。自20世紀(jì)80、90年代虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)在我國(guó)逐漸應(yīng)用以來，為屋面雨水的排水方式提供了除重力流外的另一種排水方式選擇。本文主要對(duì)虹吸式屋面排水的原理、系統(tǒng)組成、工程設(shè)計(jì)以及日常維護(hù)作相應(yīng)介紹。

虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)；虹吸式雨水斗；懸吊管；溢流口

一般屋面排水系統(tǒng)常按其排水管的設(shè)置位置和排水方向分為外排水系統(tǒng)和內(nèi)排水系統(tǒng)；從水力學(xué)的觀點(diǎn)來分可分為重力流屋面排水和壓力流屋面排水系統(tǒng)兩類，后者強(qiáng)調(diào)在設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度下屋面排水系統(tǒng)內(nèi)的有壓狀況。不同的屋面雨水排水系統(tǒng)根據(jù)其所具有的水流狀態(tài)分析，采用不同的設(shè)計(jì)計(jì)算方式。傳統(tǒng)的屋面雨水排水系統(tǒng)按重力流設(shè)計(jì)，屋面重力式排水系統(tǒng)采用重力式雨水斗。虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)與重力式屋面雨水排水系統(tǒng)相比有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。以下重點(diǎn)介紹虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)過程。

1 重力流屋面雨水排水設(shè)計(jì)原理

重力流管道系統(tǒng)為非滿管流，管道中為氣水兩相流。管道的排水能力很大程度上取決于管道中的氣水比和管道的敷設(shè)坡度。由于立管的排水能力遠(yuǎn)大于雨水斗和懸吊管的排水能力，所以整個(gè)雨水系統(tǒng)的排水能力由雨水斗和懸吊管的選型決定?！督ㄖo排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)各種類型雨水斗及不同管徑不同坡度懸吊管的排水能力給出了實(shí)驗(yàn)及計(jì)算數(shù)值。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)《手冊(cè)》給出的數(shù)據(jù)依次對(duì)雨水斗、懸吊管、立管、排出管進(jìn)行合理選型即可。

2 虹吸式屋面雨水排水設(shè)計(jì)原理

虹吸式管道系統(tǒng)為滿管流，管道中為單相流。管道中的滿管流狀態(tài)由帶空氣擋板的虹吸式雨水斗促成，虹吸式雨水斗對(duì)應(yīng)一個(gè)產(chǎn)生滿管流的斗前水深，即當(dāng)水位達(dá)到或超過這個(gè)水深時(shí)，管道中將會(huì)形成滿管流。不同的虹吸式雨水斗對(duì)應(yīng)不同的斗前水深，斗前水深是虹吸式雨水斗排水能力的重要參數(shù)。系統(tǒng)排出管的流速水頭以及雨水斗至排出管的總水頭損失（包括沿程水頭損失和局部水頭損失）由雨水斗至排出管的高差水頭提供。

3 形成虹吸過程的水流流態(tài)

虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)按照滿管壓力流流態(tài)設(shè)計(jì)，但系統(tǒng)并不是始終在滿管壓力流流態(tài)下工作。在降雨之初雨量較小時(shí)，管道內(nèi)為非滿管重力流，系統(tǒng)管道內(nèi)處于波浪流和脈沖流。隨著雨量的增大，系統(tǒng)管道內(nèi)流態(tài)逐步過渡到活塞流和泡沫流，隨著斗前水深的不斷增大達(dá)到虹吸式雨水斗要求的斗前水深，最后形成滿管壓力流，這時(shí)由于虹吸的形成使系統(tǒng)的排水能力突然增大，斗前水深回落，系統(tǒng)重新回到重力流方式。受降雨量的控制，系統(tǒng)內(nèi)虹吸流與重力流交替進(jìn)行，隨著降雨量的增加在交替幾次后形成穩(wěn)定的虹吸流，當(dāng)降雨停止時(shí)系統(tǒng)重新回到重力流。

圖1為虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的不同流態(tài)。

圖1

4 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)組成

4.1 虹吸式雨水斗

用于虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的雨水斗，它具有氣水分離、防渦流等功能。其斗前水深可有效控制，當(dāng)斗前水位穩(wěn)定達(dá)到設(shè)計(jì)水深時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)形成滿管壓力流。

4.2 連接管

虹吸式雨水斗至懸吊管間的連接短管（又稱尾管），通過改變連接管的管徑、長(zhǎng)度，可調(diào)節(jié)雨水斗的進(jìn)水量和系統(tǒng)的阻力。

4.3 懸吊管

懸吊在屋架、樓板和梁下或架空在柱上的雨水橫管。

4.4 溢流口

當(dāng)降雨量超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)排水能力時(shí)，用來溢水的孔口或裝置。

4.5 固定件

用于固定水平管和立管的裝置。固定件具有吸收管道振動(dòng)、限制管道因熱脹冷縮導(dǎo)致的位移、避免管道因懸掛受力而變形，以及不影響管道水平受力等作用。

4.6 過渡段

過渡段設(shè)置在系統(tǒng)的排出管上，是水流流態(tài)由虹吸滿管壓力流向重力過渡的管段，為虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)水力計(jì)算的終點(diǎn)，在過渡段通常將系統(tǒng)的管徑放大。

5 重力式與虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)比較

重力式雨水排水系統(tǒng)，由于管道內(nèi)為氣水兩相的非滿流，同時(shí)一根雨水立管所連接的雨水斗數(shù)量有限制，所以管道的排水能力相對(duì)較小。為滿足設(shè)計(jì)要求通常情況下要設(shè)置大量的雨水立管，尤其是在對(duì)建筑外觀要求較高的情況下，雨水立管的排出管需要埋地處理，一方面排出管需要穿越建筑物的基礎(chǔ)，增加了施工中與土建專業(yè)相互協(xié)調(diào)的工作量；另一方面排出管對(duì)應(yīng)室外較多的雨水檢查井，增加了室外給排水工程的工作量。

虹吸式雨水排水系統(tǒng)，管道內(nèi)為滿管壓力流，排水能力由雨水斗至排出管的高差水頭提供，所以管道的排水能力較重力式有大幅提高。一根雨水立管所連接的雨水斗數(shù)量沒有限制，并且系統(tǒng)的水平懸吊管安裝不需要坡度，為管道的設(shè)計(jì)和安裝提供了很大的方便，尤其是對(duì)于復(fù)雜屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著巨大的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)的立管較少，可以減少室外雨水檢查井的數(shù)量，簡(jiǎn)化了室外給排水工程的設(shè)計(jì)和施工。虹吸式雨水排水系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要更精確的水力計(jì)算，系統(tǒng)的安裝精度也有較高要求。

6 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

6.1 布置雨水斗

根據(jù)不同類型的虹吸式雨水斗的設(shè)計(jì)流量，按照設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的暴雨強(qiáng)度計(jì)算出一個(gè)虹吸式雨水斗的匯水面積，然后按照虹吸式雨水斗的匯水面積布置雨水斗。

6.2 布置雨水管道

根據(jù)雨水斗的位置布置懸吊管和立管的位置。布置懸吊管時(shí)應(yīng)注意，雖然虹吸式雨水排水系統(tǒng)不要求懸吊管設(shè)排水坡度，但不得倒坡，以保證懸吊管內(nèi)的雨水能夠排空。在布置立管時(shí)應(yīng)注意，一根立管所負(fù)責(zé)的匯水面積不宜太大，對(duì)匯水面積大于5000m2的大型屋面，宜設(shè)置不少于2組獨(dú)立的立管。不同高度的屋面、不同結(jié)構(gòu)形式的屋面宜采用獨(dú)立的立管。

6.3 水力計(jì)算

式中：Z1為1-1過水?dāng)嗝娴奈恢盟^；P1為1-1過水?dāng)嗝娴膲簭?qiáng)；Z2為2-2過水?dāng)嗝娴奈恢盟^；P2為2-2過水?dāng)嗝娴膲簭?qiáng)；γ為水的容量；g為重力加速度；hw為總水頭損失。

6.3.1 計(jì)算控制流速

懸吊管設(shè)計(jì)流速不宜大于10m/s，立管設(shè)計(jì)流速不宜小于2.2m/s，且不宜大于10m/s；過渡段下游流速不宜大于2.5m/s，當(dāng)流速大于2.5m/s時(shí)，應(yīng)采取消能措施。

各雨水斗水力平衡控制：當(dāng)采用多斗系統(tǒng)時(shí)，各雨水斗至系統(tǒng)過渡段的水頭損失允許誤差小于10kPa。

6.3.2 系統(tǒng)內(nèi)最大負(fù)壓控制

為了避免水流在管道內(nèi)蒸發(fā)影響排水能力，管道內(nèi)的負(fù)壓需大于水的蒸發(fā)壓力。根據(jù)系統(tǒng)安裝場(chǎng)所的大氣壓力以及管道內(nèi)的水溫、管道材質(zhì)、管道及管件的耐負(fù)壓能力確定系統(tǒng)內(nèi)的負(fù)壓允許值。同時(shí)管道內(nèi)負(fù)壓不應(yīng)低于一90kPa。

表1 不同水溫的氣化壓力表

虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的水力計(jì)算是基于不可壓縮流體的伯努利方程式：

6.3.3 立管管徑

立管管徑應(yīng)根據(jù)計(jì)算確定，可小于上游懸吊管管徑。

6.4 溢流口設(shè)計(jì)

虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)和溢流口的總排水能力，不宜小于設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為50年、降雨歷時(shí)5min時(shí)的設(shè)計(jì)雨水流量。溢流口水流形式為堰流，溢流口的形式?jīng)Q定了不同類型的堰流形式，工程實(shí)際中大部分溢流口的形式屬于寬頂堰。寬頂堰流水力計(jì)算公式：

式中：Qq-溢流口的排水流量；b-溢流口寬度；△h-溢流口高度；g-重力加速度。

溢流口的設(shè)置高度如圖2。

圖2

7 維護(hù)

虹吸式雨水排水系統(tǒng)應(yīng)定期維護(hù)，使其保持良好的工作狀態(tài)。系統(tǒng)的日常維護(hù)的主要內(nèi)容為清除屋面、天溝、雨水斗和管道中的雜物，龍其是在雨季來臨前應(yīng)對(duì)屋面雜物進(jìn)行及時(shí)的清理，否則屋面雜物極易堵塞雨水斗，從而使整個(gè)系統(tǒng)的排水能力大大降低，造成雨水倒灌至室內(nèi)的嚴(yán)重后果。同時(shí)日常維護(hù)中還應(yīng)注意管道是否得到牢靠的固定，否則當(dāng)出現(xiàn)脈沖流時(shí)管道振動(dòng)劇烈影響安全。

[1]《虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（CECS183：2005）.

[2]《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50015-2003，2009年版）.

[3]《水力學(xué)》（成都科技大學(xué)水力學(xué)教研室編）.

TU823.6

A

2095-2066（2016）05-0028-02

2016-1-15

王紅艷（1976-），女，工程師，本科，主要從事給排水工程設(shè)計(jì)工作。