壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統在鐵路建筑中的運用

王善永 上海鐵路局上海鐵路樞紐工程建設指揮部

壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統在鐵路建筑中的運用

王善永 上海鐵路局上海鐵路樞紐工程建設指揮部

結合工程實例分析了壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統的工作原理、技術特性；從上海綜合維修基地新建機械大庫工程屋面雨水排水建設實踐中，對工程中雨水排水系統系統安裝注意要點進行探討，可為類似工程提供借鑒。

壓力流；雨水排水；鐵路；運用

隨著經濟社會發展，高速鐵路路網的延伸，“大面積”、“大體量”建筑越來越多。傳統屋面排水系統工藝多按重力流屋面雨水系統設計，雨水管道的多少及管徑的大小是決定雨水排泄順暢的主要依據，而在大面積屋面建筑中僅靠傳統施工工藝，將導致雨水管道多、管徑大，從而影響建筑物的美觀和實用，傳統的重力流屋面排水系統已不能適應。本文結合上海綜合維修基地新建機械大庫工程實際，對屋面壓力流（虹吸式）雨水系統的應用進行探討，為今后類似工程提供借鑒和參考。

1 壓力流（虹吸式）屋面雨水系統工作原理

1.1 屋面雨水排水流態分類

建筑屋面雨水排水是建筑給水排水工程重要的組成部分。根據雨水在管道內的流態分類，屋面雨水排水系統可分為重力流、半有壓流和壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統三種，主要區別在系統的運行狀態管道內夾雜著空氣的多少。

圖1 壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統示意圖

1.2 壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統組成

壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統的設計流態為重力輸水有壓流的屋面雨水系統，系統設置相應的專用雨水斗并按照滿管壓力流狀態運行，主要由虹吸式雨水斗、雨水懸吊管、雨水立管、埋地管、雨水出戶管等組成，如圖1所示。

1.3 虹吸流狀態的形成的判斷

根據水力學規律，不可壓縮恒定流體能量符合伯努利(Bernoulli)方程，建筑工程中壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統管路內任意斷面x處壓力：

式中：

PX-管路內任意斷面x壓力，kPa；

Δhx-雨水斗頂面至管路內任意斷面x的幾何高差，m；

Vx-計算點的水流速度，m/s；

IR-管道的沿程水頭損失，m；

Z-管道的局部水頭損失，m。

當水流充滿管路、水流運動可用不可壓縮流體的伯努利(Bernoulli)方程描述、管路中有明顯負壓時即可以認為系統虹吸流狀態的形成。

1.4 管路內水流流態變化規律

壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統的屋面，管路內水流流態是變化的。在降雨初期，雨水量較少，屋面雨水高度未超過雨水斗高度時，雨水排水系統懸吊管內的雨水為非滿流，整個雨水排水系統工作狀態與重力排水系統相同。隨著降雨歷時的持續及降雨量的增加，屋面積水高度逐漸超過雨水斗高度，雨水排水系統工作狀態由重力流狀態，經半有壓流狀態進入到壓力流 (虹吸式)狀態，懸吊管內出現較明顯的負壓，虹吸的形成使系統排水能力迅速增大。降雨末期，雨量減少，屋面雨水高度又降低到雨水斗高度以下時，雨水狀態又重新回到重力流狀態。

1.5 管路內水流壓力變化規律

通過改變雨水斗頂面至管路內任意斷面 的幾何高差,可以判明全系統的壓力變化情況，在雨水斗的接出管上,雨水斗以下的連接管呈較小的正壓。在懸吊管上,從懸吊管的最遠端向立管一側偏移,管道的水頭損失迅速增加,可利用的水

頭維持不變,管內呈不斷增大的負壓,在轉折處負壓最大。從轉折處向下,可利用的水頭迅速增加,大大超過因管道長度增加而增加的水頭損失,立管內的負壓值也隨之很快減少至零,繼之出現逐漸增加的正壓,立管底部達到最大值。最后至雨水出戶管后正壓逐漸被消耗,至室外排水井處與大氣相通處管道中的壓力降為零。為了防止管道受壓損壞，保護排水管道，不同的雨水管道都有允許的最大負壓值，通常最大允許負壓為-90 kPa。雨水斗頂面距離排出管的幾何高差 越大，系統產生的抽力就越大，泄水能力也就越強。

2 工程應用

2.1 工程概況

上海綜合維修基地新建機械大庫工程為單層鋼架彩鋼板屋面結構，主跨結構建筑總高度為13.9 m，平面軸線尺寸為51 m×156 m，屋面坡度為5%，雙向排水，剖面見圖2。

圖2 屋面剖面示意圖

根據上海市暴雨強度公式，降雨歷時取5 min，重現期P= 5年,屋面徑流系數ψ=0.9，降雨強度q5=5.11L/（S·100 m2）。主跨屋面雨水設計流量q=ψFq5=365.9 L/s。

2.2 排水系統流態的選擇

屋面雨水排水應根據不同的屋面類型采用不同的雨水排水系統。通常對于多層住宅或建筑體量與之相似的一般民用建筑，其屋頂面積較小，建筑四周排水出路多，立管設置要服從建筑立面美觀要求，多采用重力流排水系統。高層建筑，匯水面積較小，采用重力流排水，增加一根立管，便有可能成倍增加屋面的排水重現期，增大雨水管系的宣泄能力,也多采用重力排水系統；而對于多跨工業廠房、庫房、公共建筑，通常匯水面積較大，室內生產工藝要求不允許或設置可敷設立管的地方較少，只有充分發揮每根立管的作用，方能較好地排除屋面雨水，應采用壓力流（虹吸式）排水系統。

2.3 工程實施情況

若按照重力流雨水排水系統設計，選用DN100雨水斗，設計泄流量按10 L/s計算，則至少需重力式雨水斗N=365.9/ 10=36.6只，雙側對稱布置共取38只，室內立管需38根且需分別布置排出管。管道安裝工作量大，埋地工作量大大增大，工程造價增大，影響室內美觀且影響車輛檢修庫安全作業。傳統重力流排水方式不適合這種匯水面積較大，室內生產要求不宜設置較多立管的地方，只有充分發揮每根立管的作用，才能較好滿足要求。

現采用壓力流（虹吸式）雨水排水方式排除屋面雨水，雨水口布置方案見圖3。

圖3 屋面雨水分區示意圖

據圖3所示（圖中只較詳細畫出一個排水系統）采用6個獨立的虹吸式屋面雨水排水系統，則每個匯水分區設計雨水量Q=365.9/6=60.98L/s，選用100 mm壓力流（虹吸式）雨水斗，每個排水分區均勻布置5個虹吸式雨水斗，單斗泄流量按24 L/s計算，則1個獨立的虹吸式屋面雨水排水系統設計泄流量為Q=5×24=120 L/s＞60.98 L/s，計算結果見排水管路設計水力計算表1。雨水計算簡圖見圖4。

圖4 雨水計算簡圖

表1 排水管路設計水力計算結果簡表

從水力計算表可以看出，本系統最大負壓發生在節點8，即懸吊管與立管的連接處，負壓值為-66.687 kPa，小于最大允許負壓-90 kPa，滿足規范要求。

2.4 安裝施工注意事項

（1）本工程所采用壓力雨水斗為不銹鋼材質，具有獨特的整流功能和良好的排水性能；選用的管材和接口必須能夠同時滿足正、負壓的需要，在屋面結構施工時，必須配合土建工程預留符合雨水斗安裝需要的預留孔。

（2）虹吸式雨水斗應按產品說明書的要求和順序進行安裝。虹吸式雨水斗排出口與HDPE管道之間使用電焊管箍焊接，保證整體性和密封性非常可靠。雨水斗安裝時，應在屋面防水施工完成、確認雨水管道暢通。同一支排水系統上的壓力流屋面雨水排水系統的虹吸式雨水斗應設在同一水平面上。雨水斗安裝后，其邊緣與屋面相連處應嚴密不漏。

（3）雨水排水系統管材選用優質HDPE管，采用熱熔連接。懸吊橫管無坡度敷設,不得倒坡，管道的管壁必須具備相當的承壓能力。

（4）安裝在室內的雨水排水管道安裝完成后，必須進行灌水試驗。將雨水管排出口封堵嚴密，從雨水斗處注入清水，系統灌注至水面與天溝底相平，灌水高度必須到立管上部的雨水斗，持續1 h后，不滲不漏為合格。

2.5 技術優勢

（1）壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統在設計狀態下管道中充滿水而產生虹吸作用并快速排放雨水，是快速解決大面積屋面雨水排放的有效途徑。

（2）懸吊管接入的雨水斗數量較多，在滿足水力計算要求下，單雨水斗最大匯水面積可達到2 500 m2，更適合大跨度，大面積建筑物的屋面排水。

（3）立管數量大大減少，管道直徑小，工程造價降低，水平懸吊管無須坡度，建筑適應性、靈活性強，安裝方便、美觀，管道埋地工作量大大減少。

（4）壓力流（虹吸式）排水系統中雨水懸吊管可做到無坡度敷設，且虹吸作用時管內水流流速往往很高，因此系統具有較好的自清潔作用。

3 結束語

工程實踐表明，采用壓力流（虹吸式）雨水排水系統排水能力相對重力式雨水排水有很大的提高，系統節約管材、節約造價，現場施工量減少、施工方便，懸吊管不需坡度,管道走向可以根據需要靈活設置，不影響建筑總體美觀，對于室內地面下不宜設排水管道及設置室內檢查井的車站、庫房等大屋面工程場所尤為適宜。

隨著社會經濟發展，高速鐵路網的延伸，鐵路運營需要修建相應的車站、機車維修庫房等大面積匯水屋面建筑，采用壓力流雨水排水系統越來越多，希本文壓力流（虹吸式）雨水排水系統對類似工程起到一定的參考作用。

［1］《建筑給水排水設計規范》.中國計劃出版社.2010年8月.

［2］王增長.《建筑給水排水工程》.中國建筑工業出版社.2010年8月.

［3］陳耀宗等.《建筑給水排水設計手冊》.中國建筑工業出版社2008年10月.

［4］《建筑屋面雨水排水系統技術規程》.中國建筑工業出版社.2014年9月.

［5］《建筑給水排水及采暖工程施工質量驗收規范》.中國建筑工業出版社.2013年6月.

［7］徐志通等.《壓力流（虹吸式）屋面雨水排水系統的設計與運用》.《給水排水》2002年6期.

責任編輯：王 華

來稿日期：2015-02-06