建筑同層排水系列：橫支管管徑的選擇＊

關文民 段先湖 胡亞男

（1寧波世諾衛浴有限公司 浙江 寧波 315514）（2咸陽陶瓷研究設計院 陜西 咸陽 712000）（3中國建筑裝飾協會廚衛工程委員會 北京 100028）

在建筑衛生間同層排水系統中，隨著對完成面高度關注的不斷加強，對于管道的排水流量的考慮也越來越具體，管道的管徑和坡度的選擇，就成為一個值得探討的問題。

設計管道的管徑和坡度，主要是為了控制橫支管內污水的流動。控制橫支管內污水的流動的主要目的有：一方面要保證流動的自潔性，另一方面就是要達到最遠的輸送距離。

下面就橫支管的流動自潔性及污水輸送距離的影響因素、流量計算方法、標準坡度等方面進行詳細論述。

1 橫支管流動的自潔性

所謂自潔性，就是要沖走可能發生沉積的物體，防止橫支管內部堵塞，以保證管道的長期暢通。這些可能發生沉積的物質，一般是指密度大于水的物質。如果管道出現了內部充滿了水的情況，那么就可能出現氣水混合的狀態，由于氣泡區的壓縮和膨脹的特性，就會產生類似于水錘的作用，阻滯水的流動。因此，重力式排水，橫支管是不適合滿管流的。既然不適合滿管流，那么水在管道內充盈的高度就應該設置一個限度，如圖1所示。水在管道內的充盈的高度h，與管道通徑d的比值，稱為充盈度，即h／d。

圖1 水在管道內充盈高度

水在管道內的流動，會對管道內壁產生沖刷。沖刷的效果主要取決于水的流動狀態，而流動狀態跟雷諾系數Re有關，公式如下

式中：r——水力半徑，m；

u——流體流速，m／s；

ρ——流體密度，kg／m3；

μ——流體粘度，Pa·s。

當Re＜2 000時，流動狀態屬于層流；當2 000≤Re＜4 000時，屬于過渡流；當Re＞4 000時，則屬于湍流或紊流。

對于DN50～DN200的管道，當水的流速為0.6m／s時，按照以上公式進行計算，其雷諾系數Re為30 000～120 000，遠大于4 000。因此，排水管道的水流動狀態，一般為湍流狀態，如圖2所示。水流的表面是不平靜，是波動起伏的，因此，需要一個適當的空間，以防止水面波峰封閉管路，形成氣塞。

圖2 排水管道中水的流動狀態

對于湍流，管道內流動的水中所含有的固體物，均有被沖走的可能，對于已經沉淀的物質，也有被沖刷走的動力。但是，當管道內的平均流速相同時，水流離管徑中心越遠且越貼近管壁，流速就越小。無論管道內的流體如何湍流，在邊界層（靠近管壁的非常薄的流體層，稱之為邊界層）內，將會產生很大的粘滯力，使得必須有較大的流速，才能夠在邊界層形成足夠的速度，從而達到沖刷的目的。

根據國家標準GB 50015－2010《建筑給排水設計規范》的規定，對于管徑不大于DN200的管道內，流速應不小于0.65m／s。這樣，邊界層的厚度，就在相對合理的范圍內，水中的物質就不容易發生沉積。因此，適當設計管道的坡度，以確保水的流速，是減少管道發生沉積堵塞的必要條件。

2 橫支管的輸送能力

所謂最遠輸送，就是把懸浮在水面上的物體輸送到最遠處，達到最佳的輸送效果，以防止因為水的流失，而造成懸浮物過早地落在管道中。懸浮物體一般是指密度不大于水本身的物質。

從圖2可以看出，在波動的水的上方，需要有一個空間存在，以防止水的波峰封閉管道內水面上方的氣體通道，避免形成氣塞。

在能夠保障管道內氣體通道的情況下，水的流速越快，水位就越高，排污能力也就越強。因此，應該盡可能以把最大的排水能力設計在充盈度標準允許的最大充盈度為目標。按國家標準GB 50015－2010的規定，管徑＜160mm時，充盈度 ≤0.5；管徑≥160mm，充盈度 ≤0.6。對于套內住宅衛生間來說，一般管徑是不大于DN110的，因此，充盈度為0.5便是在同層排水橫支管設計中一個非常重要的參數。

提高充盈度，就意味著不能僅以大管徑來提高排水的能力。而實際上，應以潔具的排水量來確定管道的管徑和坡度。在保證沖水自潔速度的情況下，盡可能提高充盈度。坡度太小，自潔沖水速度不足；坡度太大，充盈度不夠。因此，綜合考慮管徑和坡度的設計，才是一個科學的方法。根據國家標準GB 50015－2010的規定，設計出管道的坡度和最大充盈度，如表1所示。

表1 管道的幅度和最大充盈度

3 流量計算方法

根據國家標準GB 50015－2010的規定，橫支管內的水的流量，其計算方法是按以下公式計算：

式中：qp——計算管段排水設計秒流量，L／s；

A——管段設計充盈度下的過水面積，m2；

v——速度，m／s；

R——水力半徑（過流面積和濕周的比值），m；

I——排水管坡度；

n——粗糙系數（其中鑄鐵管為0.013；塑料管為0.009）。

確定相應的潔具的廢水流量qp，按照流量公式，根據最小流速v＝0.65的原則，首先可以計算出充盈度下的過水面積A。然后根據最佳充盈度的h／d＝0.5的原則，計算出相應的管道管徑，再根據管道的管徑系列標準，確定出管道的管徑d。然后根據管道直徑，重新確定出充盈度，就可以計算出水力半徑R。最后，根據管道的材料，和最小流速v＝0.65的原則，可以計算出相應的坡度。

實際生活中，衛生間潔具的使用頻率差異非常大。洗面器與坐便器，幾乎每天使用，但浴缸的使用頻率，一般就比較低。甚至，有些住戶在入住后，取消了浴缸，改成了更高使用頻度的淋浴。這樣，如何權衡管徑與坡度，甚至是管道布局，例如采用單行還是串聯，來達到同樣的流量，就成了一個技術問題，需要根據具體的實際情況進行反復核算來決定。

由于節水產品技術水平的不斷發展，標準的部分規定已經亟待更新，例如，大便器的排水管問題。按照國家標準規定，大便器的排水管不得小于DN110。按照標準坡度I＝0.026敷設管道，按上式流量公式和流速公式反復計算，得出的流速v＝1.04m／s，充盈度h／d＝0.235時，流量剛好是按GB 50015－2010提供的坐便器的流量qp＝1.5L／s。此時，充盈度僅為0.235，其輸送能力明顯不足。而采用標準允許的最小坡度I＝0.004，自潔流速僅為v＝0.54m／s，達不到0.65m／s。經過反復核算，在滿足坐便器的流量qp＝1.5L／s時，應該采用坡度I＝0.007，流速v＝0.65m／s，充盈度為0.33。

根據上述計算可知，DN110的管道應用于坐便器的沖洗，充盈度最高為0.33，還有提高的空間，以增加輸送距離。

上述情況如果應用在DN90的管道，應用坡度I＝0.006 5這個略高于最小坡度標準值0.006的坡度，那么，在充盈度h／d＝0.45時，流量剛好是按 GB 50015－2010提供的坐便器的流量qp＝1.5L／s，而且流速v＝0.65m／s，可以滿足自潔要求。

由此可見，國家標準中規定的坐便器排水橫支管管徑不小于DN110，在理論上是有缺陷的，如果采用管徑為DN90的管道，效果會更好。

4 結語

綜上所述，衛生間橫支管內的污廢水流動的狀態，基本上是湍流。管道的坡度和管徑的確定，需要以高于自潔流速和合理的充盈度為原則，來確保管道的暢通無阻。隨著節水產品種類的不斷增加，舊標準也需要隨之同步更新，甚至應該制定出超前指標。