虹吸式雨水排水系统在屋面排水工程中的应用
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【摘 要】目前中国经济飞速发展，车间的规模越来越大，这就给屋面雨水的排放带来了新的问题，虹吸式排水应运而生。新技术、新工艺的应用较为普遍，虹吸式排水在工程中也被采用。
【关键词】虹吸式；排水系统；节约成本
Siphon stormwater drainage system in the roof drainage works
Wang Wen-hong
(Shanxi Electric Power Construction four companies operating the Department of Taiyuan Shanxi 030000)
【Abstract】China's rapid economic development, the increasing scale of the workshop, which brought new problems to roof rainwater emissions siphon drainage came into being. New technology, new technology applications are more common, siphon drainage in the project has also been adopted.
【Key words】Siphon;Drainage system;Cost savings
虹吸式屋面雨水排水系统和重力式屋面雨水排水系统均由雨水斗、雨水悬吊管、雨水立管、雨水埋地管组成，但因为系统的工作原理完全不同，在二种不同水力条件下工作，因此系统中各部件的功能要求是不一样的，系统也有其相应的一套计算方法。虹吸式屋面雨水排水系统的最大改进和技术进步是开发了一种具有良好整流功能的雨水斗。雨水斗在其额定设计流量时处于淹没泄流排水状态，不渗气；设计排水量大；雨水斗淹没泄流的斗前水深小。采用了虹吸式雨水斗的屋面雨水排水系统，在降雨过程中相当于从屋面上的一个稳定水面的水池中泄水，经屋面内排水管系，从排出管排出，管道全充满的压力流状态，雨水的排水过程是一个虹吸排水过程。所以，把具有虹吸排水能力的屋面雨水内排水系统称之为虹吸式屋面雨水内排水系统。虹吸式屋面排水系统的管道在设计降雨强度呈负压，管材的选用应考虑承受负压的能力，雨水斗淹没泄流的斗前水位降低到其一定的值，雨水斗开始有空气渗入，排水管道内的真空被破坏，排水系统会从虹吸压力流的工况转向重力流。
2. 正文
降雨过程中屋面承接的雨水沿屋面坡向汇集到天沟，传统的雨水排放是将天沟中汇集的雨水通过雨水斗、雨水立管、排出管排至雨水窨井，或是通过雨水斗、悬吊管、雨水立管、排出管排至雨水窨井。一般屋面排水系统常按其排水管的设置位置和排水去向分为外排水系统和内排水系统，从水力学的观点来分可分为重力流屋面排水和压力流屋面排水系统两类，后者在于强调在设计降雨强度下屋面排水系统内的有压状况。不同的屋面雨水排水系统根据其所具有的水流状态的分析，采用不同的设计计算方式。传统的屋面雨水排水系统按重力流设计，屋面重力式排水系统采用重力式的雨水斗，雨水斗排水状况是自由堰流，流入雨水斗的雨水渗入空气，形成水、气混合流，雨水斗的设计流量偏小，根据规范第4.9.20规定，重力流屋面雨水排水管系的悬吊管应按非满流设计，其充满度不宜大于0.8，管内流速不宜小于0.75m/s。且坡度不宜小于0.5％，需要较大的悬吊管管径和坡降。同时为了在同一根雨水管上的各个雨水斗的雨水能够正常排放，因而限定一根雨水悬吊管的雨水斗的数量不得超过4个，这也导致了雨水悬吊管和雨水立管数量的增加，同时增加了 屋面荷载，也增加了工程的造价。重力流屋面排水系统受其水力特性的限制，造成排水立管多，管径偏大，排水能力偏小，对于大面积工业厂房及公共建筑屋面排水系统则更显突出。为此，应大力推广一种称之为虹吸式屋面雨水排水系统，该系统能很大地提高屋面雨水排水的能力；悬吊管接入雨水斗的数量不受限制，节省了不少的雨水立管；悬吊管不需做坡度，安装方便、美观；系统按虹吸式压力流计算可以减小选用管道的管径；工程实践证明可大量减少工程造价。虹吸式屋面雨水排水系统与重力式屋面雨水排水系统相比有明显的技术优势。以下就来重点介绍一下虹吸式屋面雨水排水系统的原理和设计过程。
2.1 屋面雨水排水系统的工作原理。
虹吸式屋面雨水排水系统和重力式屋面雨水排水系统均由雨水斗、雨水悬吊管、雨水立管、雨水埋地管组成，但因为系统的工作原理完全不同，在二种不同水力条件下工作，因此系统中各部件的功能要求是不一样的，系统也有其相应的一套计算方法。虹吸式屋面雨水排水系统的最大改进和技术进步是开发了一种具有良好整流功能的雨水斗。雨水斗在其额定设计流量时处于淹没泄流排水状态，不渗气；设计排水量大；雨水斗淹没泄流的斗前水深小。采用了虹吸式雨水斗的屋面雨水排水系统，在降雨过程中相当于从屋面上的一个稳定水面的水池中泄水，经屋面内排水管系，从排出管排出，管道全充满的压力流状态，屋面雨水的排水过程是一个虹吸排水过程。所以，把具有虹吸排水能力的屋面雨水内排水系统称之为虹吸式屋面雨水内排水系统。虹吸式屋面排水系统的管道在设计降雨强度下呈负压，管材的选用应考虑承受负压的能力但在比较小的降雨强度或降雨过程的末期 ，降雨量减Px=Δhx•ρ•g－Vx2•ρ/2－Σ（L•R＋Z）
R=λ•L/Dj•v2/2gΔP=hver•ρ•g－Σ（L•R＋Z）小，雨水斗淹没泄流的斗前水位降低到其一定的值，雨水斗开始有空气渗入，排水管道内的真空被破坏，排水系统会从虹吸压力流的工况转向重力流。
虹吸式屋面雨水排水系统管道内设计状态下的压力分布与一般的重力式屋面雨水排水系统有明显的区别。虹吸式屋面雨水排水系统自雨水斗连接管以下，管道内呈负压，在悬吊管也
与立管的交叉点处负压最大，其后立管上的负压减小，至临界点负压消失，管道内的压力为零，水流状态转为重力流。从上面的分析可以得出，雨水斗的进水水面至临界总高度是有效作用高度，在设计计算中应充分利用；另一方面对雨水斗至悬吊管的末端的总水头损失应有所限制，以控制悬吊管末端的最大负压值。
2.2 雨水斗的技术特性。
2.2.1 式雨水斗的基本结构。
虹吸式雨水斗有DN50～DN150等多种规格，能够满足工程的实际要求，其材质有铸铁、铝合金钢、不锈钢、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP），下沉的雨水斗置于屋面层中，上部设有进水格栅。在降雨过程中，通过格栅盖进入雨水斗的屋面雨水落入深斗内，斗内带孔隙的整流罩，使处于涡流状态的雨水平稳地以淹没泄流流出进入排水管。下沉式的雨水斗最大限度的减小了天沟的进水深度，使屋面承受的雨水荷载降至最小，同时又使雨水斗的出口获得较大的淹没水深，消除了在设计流量下工作时的渗气现象， 提高了雨水斗的额定流量。虹吸式雨水斗应带有格栅，格栅间隙形状可以是孔状或细槽状，间隙口直径应不小于6mm，且不大于15mm。
2.2.2 吸式雨水斗的额定流量的确定。
任何型式的雨水斗的泄流量都随斗前水位的增加而加大。对于虹吸式雨水斗，要求在正常 的工作条件下，雨水斗不渗入空气。这样就有一个临界水位，当雨水斗前的水位小于该水位 时雨水斗开始有空气渗入，虹吸式屋面雨水排水系统的压力流状态被破坏。所以，虹吸式雨 水斗的额定流量是以不渗入空气为确定原则，提出相应的斗前水深，以DN50雨水斗为例，当 泄流量为6L/s时，斗前水深降至45mm，水流出现乳化现象，数量降至40mm，渗气量为 0.2L/s。虹吸是雨水斗的斗前水深不宜大于55mm。两个雨水斗之间的间距不应超过20m。
2.2.3 力计算。
虹吸式屋面雨水排水系统的水力计算应包括对系统中每一管路的水力学工况作精确的计算 。计算结果应包括每一计算管段的管径、计算长度、流量、流速、压力。 虹吸式屋面雨水排水系统的水力计算应符合以下规定：
（1）虹吸式屋面雨水排水管系雨水斗至过渡段总水头损失与过渡段流速水头之和不得大于 雨水斗至过渡段的几何高差。
（2）雨水斗顶面至悬吊管管中的高差不宜小于1m。
（3）雨水斗顶面至过渡段的高差在立管管径小于等于DN75时宜大于3m，在立管管径大于等于DN90时宜大于5m。
（4）悬吊管设计流速不宜小于0.75m/s，立管设计流速不宜小于2.2m/s，不宜大于10m/s。
（5）虹吸式屋面雨水排水管系过渡段下游的流速不宜大于 2.5m/s，当流速大于2.5m/s时应采取消能措施。
2.2.3.1 各雨水斗至过渡段的水头损失允许误差应小于5KPa。水头 损失允许误差按下列公式计算：
式中ΔP――水头损失允许误差，KPa；
hver――雨水斗至出户管过渡段的几何高差，m；
ρ――水的密度，4℃时，ρ=1000Kg/m3；
g――重力加速度，9.81m/s2；
Σ（L•R＋Z）雨水斗至计算点的总水头损失，KPa；其中L• R为沿程水头损失，Z为局部水头损失。
2.2.3.2 系统内的最大负压计算值应根据安装地的海拔高度、管 道材质、管材和管件的最大、最小工作压力等确定，但不应低于90KPa。悬吊管内的压力按下 列公式计算：
式中Px――悬吊管内压力，KPa；
Δhx――雨水斗顶面至悬吊管管中的几何高差，m；
Vx――计算点的流速，m/s；
ρ――水的密度，4℃时，ρ=1000Kg/m3；
g――重力加速度，9.81m/s2。
Σ（L•R＋Z）雨水斗至计算点的总水头损失，KPa。
2.2.3.3 管道的沿程阻力系数应按下列公式计算。
式中R――水力坡降；
λ――摩阻系数；
Dj――管道的计算直径，m；
V――流速，m/s；
g――重力加速度，9.81m/s2。
2.2.3.4 过渡段下游管道应按重力流雨水排水系统设计。
另外还需要的资料为当地的暴雨强度公式和该建筑物的屋 面汇水面积。
2.3 虹吸式屋面雨水排水系统的安装与敷设。
（1）虹吸式屋面雨水排水系统适用于大屋面的工业厂房和 公共建筑的雨水排出。按虹吸压力流进行水力计算。
（2）平屋面排水宜采用DN50或DN60雨水斗；设有天沟、檐沟 屋面排水宜采用DN50～DN150的雨水斗。
（3）虹吸式雨水斗应布置在屋面或天沟的最低点，虹吸式 雨水斗的布置对雨水立管作对称布置。
（4）当虹吸式雨水排水系统接多个虹吸式雨水斗时，雨水 斗排水连接管应接在悬吊管上，不得直接接在雨水立管的顶部。
（5）管道安装，钢管的安装采用焊接连接、法兰连接或沟 槽式连接；铸铁管安装采用机械式接口或节套式连接；HDPE管的安装采用焊接连接。
2.4 系统验收。
雨水斗安装位置应符合设计要求。雨水斗边缘与屋面之间 连接处应严密不漏。
管道安装应符合现行国家标准《建筑给水排水及采暖工程 施工质量验收规范》GB50242－2002的有关规定。
雨水主立管及水平干管均应作通水试验，排水应畅通，无堵塞。
采用虹吸式屋面雨水排水系统，大大减轻了屋面的荷载，从而节省了工程的造价。
［文章编号］1006-7619（2011）02-10-068