屋面虹吸式雨水排水系統

張美霞

隨著建筑技術的不斷發展,超大型建筑不斷涌現,一些大型單體建筑如展覽館、體育場、工業廠房等屋面跨度大、面積廣,屋面荷載承受能力較小,這就要求降雨時屋面積蓄的雨水在短時間內能夠迅速排出,傳統的重力流雨水排放系統要達到這一要求,就必須增加雨水斗數量及立管根數,加大立管管徑。如果采用虹吸式雨水排放方式,系統管道中雨水流態為滿流有壓狀態,排水量大,排放迅速且立管根數少,管徑小,橫向懸吊管無坡度,能夠最大限度滿足建筑使用功能。

目前國際上虹吸式雨水排放技術已經很成熟。該技術就是利用虹吸原理,雨水排放時在管道中形成滿管壓力流,利用建筑物屋面高度和雨水所具有的勢能,產生虹吸現象,屋面雨水在管道內負壓的抽吸作用下以較高的流速被排出室外,從而迅速排除屋面積水。下面就對屋面虹吸式雨水排放系統的工作情況、系統組成以及施工方法做較為詳盡的描述。

1 工作原理

虹吸現象在我們日常生活中經常可以看到。其工作原理就是當兩個液面存在高差時,此高差部分水通過事先裝滿水的管道在重力作用下的流動,從而使上部管道中產生負壓,水就會不斷地被排放。高差越大,管內的水流速度越大,排水越迅速。虹吸式屋面雨水排放系統就是利用這一原理,當雨水來臨時,屋面逐漸形成積水,當屋面雨水達到一定高度時,通過控制進入防漩渦式雨水斗,從而極大地減少了雨水進入排水系統時所夾帶的空氣量,使得系統中排水管道呈滿流狀態,當雨水通過管道變徑時,在此處產生負壓,加快雨水排放的速度。

2 工作狀態

虹吸式雨水排放系統管內壓力和水的流動狀態是不斷變化的過程。降雨初期,雨量一般較小,懸吊管雨水流態是有自由液面的波浪流。根據雨量大小的不同,部分情況下無法形成虹吸作用,是以重力流為主的流態。隨著雨量的增加,管內逐漸呈現脈動流,進而出現滿管氣泡流和滿管汽水混合流,直到出現單項流狀態。降雨末期,雨水量減少,雨水斗淹沒泄流的斗前水位降低到某一特定值,雨水斗逐漸有空氣摻入,排水管內的虹吸作用被破壞,排水系統又從虹吸狀態轉變為重力流狀態。在整個過程中,隨著雨水量的變化,懸吊管內的壓力和水流狀態出現反復變化的情況。與懸吊管相似,立管內的水流狀態也會從附壁流逐漸向氣泡流、汽水混合流過渡,最終在虹吸作用形成時,出現接近單項流的狀態。

3 系統組成

與傳統的重力流排水系統組成一樣,虹吸式排水管道系統的組成為:雨水斗、管道及管道配件。

一般來說,雨水斗的設計是整個虹吸系統能否按設計要求工作的關鍵所在之一,它的穩流性越好,產生虹吸所需的屋面匯流高度越低,總體性能越優越。目前常用的雨水斗的材質有HDPE、鑄鐵或不銹鋼。

管道作為虹吸式屋面雨水排放系統最主要的部分,管道的變徑可以加速雨水斗排放和流量,必須確保系統安全可靠,高效持續的運行。虹吸式屋面雨水排放系統管道要求具有相當的承壓能力、較高的防火性能,并做到盡可能降低噪聲、吸收振動,最大程度滿足抗溫度變化引起的形變。目前最常用的管道材質為HDPE管材。HDPE管具有以下主要優良性能:1)抗寒性能。充滿水的HDPE管道被凍結后,管道會隨著結冰情況發生彈性伸縮,一旦冰融化,管道可自行恢復到原來狀態,不會發生絲毫損傷。2)抗外力。在室溫情況下,HDPE管的抗壓性能極佳。在溫度很高或極端低溫條件下(約-40℃)管道仍能抗外力。3)耐火性。HDPE管是阻燃性物質,管道在火中燃燒不會放出有毒氣體。4)噪聲低。HDPE管是軟性材料,彈性模量 E小,管道能限制以空氣或固體為載體的聲音傳播。5)抗輻射性。通過添加碳黑,HDPE管能抵抗由太陽紫外線引起的管材老化脆化現象。

4 系統主要技術要點

系統的一體性與密閉性是整套排放系統的關鍵點。為保證虹吸排水的產生和持續作用,就要求從雨水斗到管道整個系統是一體的,各部分緊密連接。如果雨水斗有一個完全敞開的入口,空氣就會在水流旋轉作用的帶動下,從入口處進入整個雨水排放系統,這樣就無法形成滿流形成虹吸狀態,也就無法形成高效的虹吸式排放系統。因此,只有當雨水口的入口處半敞開時,才能有效阻止空氣隨時進入系統,當斗前水滿足一定要求時,能夠形成水封,完全隔斷空氣,迅速形成虹吸作用。除了保證在入口處有效阻止空氣進入,還必須保證管道中沒有空氣進入。所以另一個要求就是系統的完全密閉性,要保證管道無滲漏。因為在虹吸作用時,管道內的水流是壓力流狀態,管壁承受壓力,接口處容易發生滲漏,另外一旦發生滲漏,管內壓力狀態發生改變,影響正常的虹吸作用。

4.1 雨水斗

1)虹吸式屋面雨水排水管雨水斗至過渡段總水頭損失與過渡段流速水頭之和不得大于雨水斗至過渡段的幾何高差;2)各雨水斗至其過渡段的水頭損失允許誤差應小于5 kPa,一般來說雨水斗之間的距離不能大于20 m;3)雨水斗離墻至少1 m;4)雨水斗頂面至懸吊管管中的高差不宜小于1 m。

4.2 管道系統

1)懸吊管設計流速不宜小于0.75 m/s,立管設計流速不宜小于2.2 m/s;2)過渡段下游的流速不宜大于2.5 m/s,若大于2.5 m/s應采取消能措施;3)虹吸雨水管道要求管內負壓不超過-0.08 MPa;4)管道施工時當水流有 90°的方向改變時,此處采用雙45°彎頭、支管匯集處采用斜45°三通。

4.3 檢驗與試驗

在系統管道完成后,排水管道按規范要求做灌水試驗。系統灌水試驗合格后,還要求做排水性能試驗。

表1 兩種排水系統的優缺點

5 經濟效益分析

虹吸式雨水排水系統在一定程度上可降低工程造價。主要表現在以下方面:1)虹吸式雨水排水管道均按照滿流有壓狀態設計,排水管泄流量遠遠大于重力排水系統中同一管徑排水管的泄流量,也就是說排泄同樣的雨水量,采用虹吸式排水系統的排水管管徑要小于重力排水系統的排水管管徑;2)虹吸排水系統中雨水懸吊管內水流在負壓抽吸作用下流動,懸吊管可做到水平無坡度敷設,懸吊管接入雨水斗的數量不受限制,這樣可以減少雨水立管的數量;3)虹吸式雨水斗排水量遠遠大于普通重力流雨水斗,能夠迅速排除屋面雨水,雨水斗前水深較淺,降低了建筑物屋面荷載要求,能夠大大節約工程造價;4)選用虹吸式雨水排水系統時,大大提高空間的兩用,尤其在室外排管時為建筑物地下室錯綜復雜的機電管線排布提供了便利。

虹吸式雨水排水系統與重力流雨水排水系統的優缺點可從表1反映。

虹吸式雨水排水系統在雨水斗布置、管線走向布局方面便于建筑空間設計,而且系統立管根數少、管徑小,降低了屋面荷載要求,對于大型建筑在一定程度上降低工程造價。

虹吸式雨水排放在技術具有較強的先進性,在施工布置上具有較大的靈活性,在工程造價上有較突出的合理性,因而我們相信虹吸式雨水排放技術將作為一項日趨成熟的雨水排放技術逐漸成為大型建筑雨水排放設計施工的首選。