虹吸式雨水管的应用
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摘要：通过对虹吸雨水斗的系统性能进行分析，以云南建工发展大厦的工程实例来阐述其施工的方法，并结合云南建工发展大厦工程屋面排水系统的选用，从而证明该系统在工程应用中的技术优势和技术特性。
中图分类号：TU823.6 文献标识码：A
目前，屋面雨水的排水系统设计在应用上可以分为2种系统。一种是传统的重力流系统，另一种则是在近20年来国际上快速发展起来的，在我国也是近5年内逐步得到应用的虹吸式雨水排水系统(简称为虹吸式雨水系统)。虹吸式雨水管道系统，实质上是利用雨水立管在满流的情况之下，水柱的自由落体对雨水斗产生了抽吸力、雨水管道系统悬吊管，使得常规靠重力流的雨水就会变成动力流雨水，从而能够在一定程度之上加快雨水的排放，且这不仅可以减小雨水立管的规格，还能减少雨水立管的数量，这极大的降低了其建设施工的成本，即提升了建筑企业的盈利水平。
1、虹吸雨水斗系统性能
虹吸雨水斗是由滤叶罩、空气挡板、固定环、斗体而组成的。在安装时，需要在虹吸的雨水斗中增添了减少雨水在进入雨水管前所产生漩涡的空气挡板。从而在很大程度上减少了进入排水系统的空气量，可以使排水管道尽早的形成满流。其关键技术为淹没式导流隔气的虹吸雨水斗，该雨水斗采用全淹没式排水方式，这是与传统雨水斗的最大区别。虹吸式雨水排放系统是由虹吸雨水斗、连接管、雨水悬吊管、雨水立管、雨水埋地管等组成，如图 1 所示。
虹吸雨水斗集水能力强。虹吸雨水斗在汇集雨水时由于盖班中存在负压，加速了斗前水的汇流速度，实验证明在相同口径雨水斗的情况下，一个虹吸雨水斗的排水量相当于5-8个普通的 87 型雨水斗的排水量。虹吸式雨水排放系统所用的管道不仅可比重力流小，而且可比重力流“少”，能够节约建筑空间。如上图 1所示，即一个横管，一个立管，可以上接几个甚至十多个雨水斗，而传纺的重力流系统则要多根立管。虹吸系统的立管因数量少，可利用楼梯间、立柱旁等处敷设，不占用更多的使用空间，横管也可以敷设在非敏感的公共走廊等处，进而节省了现代社会昂贵的建筑空间。
2、工程实例
云南建工发展大厦位于昆明市经济技术开发区信息产业基地的西南侧，地块北临城市主干道1#规划路，东临主干道2#规划路（道路红线40米），南接53-3#地块，西接28#路（道路红线15米）。这是云南建工集团建设开发的集商业、办公为一体的大型综合楼，是云南建工集团新的办公中心，首层为商业、银行及各办公大堂，二层为商业及办公用房，三层为办公用房、会议室、多功能厅及健身房，四层至十五层为云南建工集团办公用房。地下二到三层为机动车库（战时为常6级人员掩蔽所）、设备用房，地下一层为机动车库、非机动车库，员工餐厅及厨房、设备用房。项目的规划总用地面积50030.86m2，净用地的面积：34998.31m2；其总建筑的面积为163278.6m2，地下建筑的面积为53984.4 m2，地上建筑面积为109294.2m2。其中由于该工程屋面面积较大，导致雨水量也较大，所以利用虹吸排水技术可减少排水管管材及管径。该系统由虹吸式雨水斗、管材、管件、固定件及配套系统组成。该系统根据“伯努利”方程原理，利用雨水从屋面流向地面的高差所具有的势能，形成悬吊管内雨水负压抽吸流动，雨水连续流过悬吊管，并转入立管，跌落时形成的虹吸作用使雨水以较高的流速排出。其系统具有汽水分离性能好、流量大、斗前水位低等一系列的特点。而且所使用的虹吸雨水管，不仅可以有效地节约管材，还可以减小其管径。
3、施工方法及其应用
3.1、系统安装的要求
(1) 为了可以及时的解除出口处虹吸的作用，从而降低排出口的流速，减少其对窨井的冲刷力，因此需要增大排出管的规格参数。如图1所示
图1 排水管的做法
(2) 雨水斗的空气挡板在安装之后要尽量的不高于天沟的内底，这样就可以便于尽早的形成虹吸流。
(3) 虹吸雨水系统的负压值一般为≤-0.08MPa，过大的负压就会使得管道振动，减少其系统的使用寿命。无伸缩节的雨水系统，雨水立管的高度一般为≤15m。
(4) 管道三通的做法，系统管道的三通就要求做成顺水三通，当立管需要用90°弯头时，在中间就要加衔接管，来减少其局部的阻力，维持管道的顺畅流速。
(5) 管道穿楼面的做法，管道穿过楼面要进行加装套管，套管的内径比立管的外径大出20mm，套管与管道间填充难燃B1级以上的隔声材料。正如图2所示
图2 立管穿楼面示意
3.2、管道施工
(1) 管道熔焊，我们在组装的时候，管道比较适合采用直接的对接熔焊。对接熔焊的两个接触面要求同轴、无污染、无毛刺、平整。高处碰接的时候要采用电焊管箍的连接方法。管箍在进行通电加热之后，热熔收缩区提供了焊接所需要的压力，在焊接之时，管箍的外部和中部均不会被熔融。焊接时要求用采用磨砂纸来去除清除管箍内油脂、管头氧化层。在通电焊接的时候要充分的确保管头插入的直线度和深度。将我们需要熔焊的两管口要用与管材相互配套的同轴夹口器夹好，进行一个接触面的处理。在接触面处理合格之后安装电热片来通电，等到管口熔化到规定状态的时候切断电源，并拆去电热片，利用同轴夹口器的调距装置，迅速的将两管口对接并压紧到其规定的程度(熔体凸出管外达管壁的三分之一)，冷却一定时间(5min)。
(2) 管道支吊架的安装，管材配套的卡箍和支撑杆与高密度聚乙烯雨水管的使用。该系统为动力排水，悬吊管不反坡就可以了。吊装的方法如图3所示。主吊杆之间的间距是取决于悬吊管规格和滑杆规格。
图3 悬吊管安装示意
在立管安装的时候要尽量的使用厂家配套的包箍。立管的间距要依据管道的规格参数来确定，通常为管外径的15倍左右。
(3) 现场放样绘制管道的制作图，是为了保证在楼(地)面上进行管道预拼装的精确性，在绘制加工图的过程之中，将现场每一个节点间的距离要变现在加工图上。雨水管道进行布置的时候还要充分的考虑利用管道的结构形式来自行的降解温度变形产生的能量，要求雨水收集的立管长度为≥1m，收集水平悬吊管与立管之间的水平距离为≥1m。水平悬吊管到主立管之间的距离为≥1m。
3.3、雨水斗安装
(1) 雨水斗斗体的固定，因为虹吸雨水系统是属于动力排水，在系统工作的时候振动比较大，虹吸雨水斗在安装的时候就务必要与屋面刚性固定。如图4所示。
图4 雨水斗固定方法
(2) 精确的预留出安装洞，在屋面结构层施工的时候要依据设计来精确的预留出雨水斗的安装洞，并且保证雨水斗安装的位置距离四周障碍物在1m以上。集水坑深度，雨水斗在安装之后，空气挡板应该与防水屋面的高度一致。如图5所示。
图5 雨水斗示意图
4、存在的主要问题及解决建议
4.1管径的选取及水力计算
目前，国内外对虹吸式雨水排放系统的计算方法主要有两种，一种是基于满流状态的伯努利方程，其方法是国内水力学课程的基础之一，经过了科学的验证。另一种是基于两相流技术的计算，这种计算方法是建立在生产厂家自己大量试验基础上的，属于半经验计算方法，该方法是普遍适用还是只对厂家自己的产品适用还有待定论，目前只有少数专业厂家掌握该项技术，而一般的设计单位缺乏相应的试验条件，还不能完全掌握此种计算方法。虹吸式雨水排放系统的设计目前还没有统一的国家规范，设计依据也往往是各个专业公司自己的企业标准。
4.2管道噪音
由于管道内的压力变化有正有负，在未达到满管虹吸状态时，管内水流还夹带着空气，系统在运行中会有较大的震动和噪声，虽然震动可以被紧固系统吸收一小部分，但对结构的影响不能忽视，在设计阶段应提醒相关专业机构或人员在结构计算中考虑此部分荷载。
4.3斗前水深的控制
斗前水深的控制实际上是对集水沟深度的控制。斗前的水深太浅或者不能完全淹没，雨水斗系统便不能形成有效的虹吸满流，此时系统就不能在虹吸状态下运行，排水能力就不能达到设计要求的状态。若斗前水深太深，会增加屋面荷载，而且还可能占用下层空间，尤其对于钢结构的屋面还可能造成屋面与排水沟不能完全封闭，从而有可能使雨水通过其间缝隙渗漏至室内。合理的控制天沟深度、斗前水深及屋面、天沟的承载力并设置必要的溢水系统防止积水过高，是解决此类问题的关键。
4.4悬吊系统的稳定性补偿及热力补偿
虹吸式雨水排放系统的排水状态受斗前水深及雨水斗自身调整的影响很大，甚至经常在有压流和气水混合流之间来回变化和调整，而系统管道内的压力与系统的排水状态密切相关，这样就容易导致管道内部压力急剧变化，因此悬吊系统适宜采用铰支方式进行固定，减缓水流变化时对悬吊系统的冲击并保证其稳定。
总之，虹吸式雨水系统具有悬吊管无需坡度的优点、节省安装空间、管径小，将会使它更适宜于大跨度、大屋面的屋面雨水排水工程。同时，检查井数量和埋地管上的减少及其一个良好的自清作用，随之也会带来日后管理工作的便捷和减少其施工量的好处。因此，随着虹吸式雨水系统应用技术的不断发展，且日趋成熟，也逐渐的被工程建设单位和设计人员所接受和认可。
参考文献
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