水封破壞與應對措施

張 勤 曹文飛

在建筑生活排水系統中,水封的存在舉足輕重,直接關系到整個排水系統的安全。然而,由于設計、施工和管理等環節的疏忽,水封破壞的現象時有發生,嚴重影響了人們的生活。下面從水封外在和內在兩個方面的因素來分析水封破壞的原因,并提出相應的應對措施。

1 排水管道內的氣壓動態變化是水封破壞的主要外因

1.1 排水立管內流態及氣壓動態變化對水封破壞的影響

對于單一橫支管排水,立管上端開口通大氣,立管下端經排出橫干管接室外檢查井的情況下,排水橫支管內的污水當進入立管時會攜帶一部分氣體隨水流一起豎直下落,若不能及時補充帶走的氣體,立管的上部便會出現負壓。由于流速在立管內是越來越大的,由能量守恒定律可知,立管頂部的負壓值為整個排水過程的最大負壓值,如圖1所示[2,3]。

最大負壓值的負壓抽吸作用一旦超出了水封承受的負壓極限就造成了水封的破壞。最大負壓值的大小與排水橫支管接入立管處的水舌阻力系數和立管中水流速度有密切關系,想方設法減小水舌阻力系數和實現立管水流的增阻消能對于保護水封安全和增加立管的通水能力有十分重要的工程意義。

在單立管排水系統中,立管負壓越來越小直至正壓產生并在立管底部出現最大正壓值,形成對靠近立管底部的基層衛生器具水封的正壓噴濺作用,當最大正壓值形成的氣阻壓力超出水封高度時,水封便被破壞了。

1.2 排水橫管內流態及氣壓動態變化對水封破壞的影響

污水由豎直下落進入橫管后,橫管中的水流狀態可分為急流段、水躍段及躍后段、逐漸衰減段。急流段水流速度大,水深較淺,沖刷能力強。急流段末端由于管壁阻力,水流速度減小,水深增加形成水躍。在水流繼續向前流動的過程中,由于管壁阻力,能量逐漸減小,水深隨之減小,趨于均勻流,如圖2所示[3]。

橫干管水躍的產生是室內排水系統壓力動態變化的關鍵原因。之所以在立管與橫干管連接處發生水躍,是因為立管中的流速遠遠大于水平管的流速,立管底部的水流動能便遠大于橫干管的動能,為消耗立管和橫干管內水流的動能差,勢必會在橫干管中產生水躍。水躍是多余能量的外在表現形式,這一現象主要影響底層排水橫支管衛生器具的水封破壞。

2 水封裝置自身性能是影響水封破壞的內因

2.1 水封深度與水封破壞

《建筑給水排水設計規范》[4]4.5.9條規定:“帶水封的地漏水封深度不得小于50 mm。”水封深度除了支付管道氣壓變化引起的動態損失外,余下的水封高度還要足以支付蒸發損失、毛細作用等靜態損失。一般認為,負壓作用或正壓作用后水封裝置中剩余的水封深度至少要有20 mm～25 mm才能夠支付這類其他損失,否則視為水封破壞。水封作用機理應被看作一系列的動態變化過程,原始狀態為50 mm深度的水封在經歷最大負壓值的負壓抽吸后,水封恢復,此時的水封剩余深度在經歷最不利正壓作用穿透至水封再次恢復后,能否支付其他的靜態損失就不得而知了。負壓抽吸后的水封剩余深度與水封的形式有密切關系,水封形式具體體現為水封出水端與進水端過水斷面面積比,我們將這一比值定義為水封抗壓能力(水封強度)。

2.2 水封抗壓能力與水封破壞

趙世明先生曾對水封抗壓能力作了詳細的介紹和研究,并推導出在負壓抽吸作用下水封抗壓能力與剩余水封深度的數學表達式[5]:h=h0-P/(n+1)。其中,h為負壓抽吸作用后的剩余水封剩余深度,mm;h0為原始水封深度,mm;P為水封出水端水面上作用的負壓值,mm H2O;n為水封抗壓能力(即出水端與進水端過水斷面面積比)。

分析可知,n(即水封抗壓能力)與剩余水封深度成正比,n越大剩余水封深度越大,即負壓作用損失的水封深度越小,水封就越安全;n越小剩余水封深度越小。這一關系同樣適用于正壓作用。

3 防止水封破壞的應對措施

3.1 加強通氣

在實際應用中,要尤其注重專用通氣立管的設置。專用通氣立管在通氣系統中屬于中級標準。建筑標準要求較高的多層住宅和公共建筑、10層及10層以上的高層建筑的生活污水立管應設置專用的通氣立管。設置專用通氣立管后,向負壓區補充的空氣不經過水舌,水舌阻力系數趨向于0,立管內的最大負壓值減小。

長期的使用經驗表明,設置專用通氣立管的排水系統對防止有害氣體和臭味內逸效果明顯。排水立管隔層通過H管與專用通氣立管連接,立管管道內的空氣及時地得到補充,對立管內空氣起到平衡作用,在減小負壓的同時,也減小立管底部的最大正壓值,減輕其對底層衛生器具的噴濺作用,使得水封免受破壞。

3.2 合理布置排水橫干管

1)注重底層排水支管與排水橫干管的連接設計。現代建筑排水立管數量多、高度大、立管水流速度大,會在立管底部管道內因氣、水沖擊產生較大的正壓。在設計中要嚴格執行現行規范規定的“排水支管連接至排出管或排水橫干管上時,連接點距立管底部下游水平距離不宜小于3.0 m,且不得小于1.5 m”,當不能滿足此要求時,排水底層排水橫支管應單獨排出或匯合后單獨排出。2)避免排出管淹沒出流。在地下水較豐富的地區,易出現糞水井、污水井等檢查井內水位偏高現象,若井內水位高于排出管管底標高,則會造成淹沒出流,不利于排水和通氣,因此排出管不宜埋設過深。一旦出現排出管淹沒出流的情況,應采取必要的通氣系統,使排出管及時通氣。

3.3 選取合理的存水彎形式

在實際應用中應選取水封抗壓能力大的存水彎。市場上存在各種類型的存水彎,比較常見的有碗式存水彎、機械式存水彎、瓶式存水彎、筒式存水彎和管式存水彎等。其中,碗式存水彎抗壓能力小于1,應嚴禁使用。推薦使用P形管式存水彎,它的水封抗壓能力大于1,且具有良好的水力條件,不易堵塞和蒸發,配合器具通氣管使用效果更好。

4 結語

水封的破壞因素是多方面的,本文從外因和內因兩個方面加以著重分析,并提出了相應的解決對策。排水管道的氣壓動態變化對水封的影響在外因中起著主要作用,對此提出了加強通氣和合理布置橫干管的對策;水封深度和水封抗壓能力是水封破壞的內因,對此除了嚴格執行規范不低于50 mm水封深度界限的規定,還應重視水封抗壓能力對水封作用的影響,建議在實際工程中選用水封抗壓能力大于1的P形存水彎。

[1] CECS 172-2004,排水系統水封保護設計規程[S].

[2] 樊建軍,梅 勝,何 芳.建筑給水排水及消防工程[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.

[3] 王增長.建筑給水排水工程[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.

[4] GB 50015-2003,建筑給水排水設計規范[S].

[5] 趙世明.水封的抗壓能力[A].全國建筑給水排水委員會排水分會第二屆第二次學術交流會[C].2009.