淺談屋面雨水排水系統設計

王紅艷（陜西銅川建筑勘察設計院有限公司，陜西省銅川市727000）

淺談屋面雨水排水系統設計

王紅艷（陜西銅川建筑勘察設計院有限公司，陜西省銅川市727000）

隨著目前中國經濟的高速發展，特別是工業園區的建設，各地都在大力進行大型廠房的建設，車間的規模越來越大，這就給屋面雨水的排放帶來了新的問題。自20世紀80、90年代虹吸式屋面雨水排水系統在我國逐漸應用以來，為屋面雨水的排水方式提供了除重力流外的另一種排水方式選擇。本文主要對虹吸式屋面排水的原理、系統組成、工程設計以及日常維護作相應介紹。

虹吸式屋面雨水排水系統；虹吸式雨水斗；懸吊管；溢流口

一般屋面排水系統常按其排水管的設置位置和排水方向分為外排水系統和內排水系統；從水力學的觀點來分可分為重力流屋面排水和壓力流屋面排水系統兩類，后者強調在設計降雨強度下屋面排水系統內的有壓狀況。不同的屋面雨水排水系統根據其所具有的水流狀態分析，采用不同的設計計算方式。傳統的屋面雨水排水系統按重力流設計，屋面重力式排水系統采用重力式雨水斗。虹吸式屋面雨水排水系統與重力式屋面雨水排水系統相比有明顯的技術優勢。以下重點介紹虹吸式屋面雨水排水系統的原理和設計過程。

1 重力流屋面雨水排水設計原理

重力流管道系統為非滿管流，管道中為氣水兩相流。管道的排水能力很大程度上取決于管道中的氣水比和管道的敷設坡度。由于立管的排水能力遠大于雨水斗和懸吊管的排水能力，所以整個雨水系統的排水能力由雨水斗和懸吊管的選型決定。《建筑給排水設計手冊》對各種類型雨水斗及不同管徑不同坡度懸吊管的排水能力給出了實驗及計算數值。設計時根據《手冊》給出的數據依次對雨水斗、懸吊管、立管、排出管進行合理選型即可。

2 虹吸式屋面雨水排水設計原理

虹吸式管道系統為滿管流，管道中為單相流。管道中的滿管流狀態由帶空氣擋板的虹吸式雨水斗促成，虹吸式雨水斗對應一個產生滿管流的斗前水深，即當水位達到或超過這個水深時，管道中將會形成滿管流。不同的虹吸式雨水斗對應不同的斗前水深，斗前水深是虹吸式雨水斗排水能力的重要參數。系統排出管的流速水頭以及雨水斗至排出管的總水頭損失（包括沿程水頭損失和局部水頭損失）由雨水斗至排出管的高差水頭提供。

3 形成虹吸過程的水流流態

虹吸式屋面雨水排水系統設計時按照滿管壓力流流態設計，但系統并不是始終在滿管壓力流流態下工作。在降雨之初雨量較小時，管道內為非滿管重力流，系統管道內處于波浪流和脈沖流。隨著雨量的增大，系統管道內流態逐步過渡到活塞流和泡沫流，隨著斗前水深的不斷增大達到虹吸式雨水斗要求的斗前水深，最后形成滿管壓力流，這時由于虹吸的形成使系統的排水能力突然增大，斗前水深回落，系統重新回到重力流方式。受降雨量的控制，系統內虹吸流與重力流交替進行，隨著降雨量的增加在交替幾次后形成穩定的虹吸流，當降雨停止時系統重新回到重力流。

圖1為虹吸式屋面雨水排水系統的不同流態。

圖1

4 虹吸式屋面雨水排水系統組成

4.1 虹吸式雨水斗

用于虹吸式屋面雨水排水系統的雨水斗，它具有氣水分離、防渦流等功能。其斗前水深可有效控制，當斗前水位穩定達到設計水深時，系統內形成滿管壓力流。

4.2 連接管

虹吸式雨水斗至懸吊管間的連接短管（又稱尾管），通過改變連接管的管徑、長度，可調節雨水斗的進水量和系統的阻力。

4.3 懸吊管

懸吊在屋架、樓板和梁下或架空在柱上的雨水橫管。

4.4 溢流口

當降雨量超過系統設計排水能力時，用來溢水的孔口或裝置。

4.5 固定件

用于固定水平管和立管的裝置。固定件具有吸收管道振動、限制管道因熱脹冷縮導致的位移、避免管道因懸掛受力而變形，以及不影響管道水平受力等作用。

4.6 過渡段

過渡段設置在系統的排出管上，是水流流態由虹吸滿管壓力流向重力過渡的管段，為虹吸式屋面雨水排水系統水力計算的終點，在過渡段通常將系統的管徑放大。

5 重力式與虹吸式屋面雨水排水系統比較

重力式雨水排水系統，由于管道內為氣水兩相的非滿流，同時一根雨水立管所連接的雨水斗數量有限制，所以管道的排水能力相對較小。為滿足設計要求通常情況下要設置大量的雨水立管，尤其是在對建筑外觀要求較高的情況下，雨水立管的排出管需要埋地處理，一方面排出管需要穿越建筑物的基礎，增加了施工中與土建專業相互協調的工作量；另一方面排出管對應室外較多的雨水檢查井，增加了室外給排水工程的工作量。

虹吸式雨水排水系統，管道內為滿管壓力流，排水能力由雨水斗至排出管的高差水頭提供，所以管道的排水能力較重力式有大幅提高。一根雨水立管所連接的雨水斗數量沒有限制，并且系統的水平懸吊管安裝不需要坡度，為管道的設計和安裝提供了很大的方便，尤其是對于復雜屋面雨水排水系統的設計有著巨大的優勢。系統的立管較少，可以減少室外雨水檢查井的數量，簡化了室外給排水工程的設計和施工。虹吸式雨水排水系統在設計時需要更精確的水力計算，系統的安裝精度也有較高要求。

6 虹吸式屋面雨水排水系統的設計

6.1 布置雨水斗

根據不同類型的虹吸式雨水斗的設計流量，按照設計重現期的暴雨強度計算出一個虹吸式雨水斗的匯水面積，然后按照虹吸式雨水斗的匯水面積布置雨水斗。

6.2 布置雨水管道

根據雨水斗的位置布置懸吊管和立管的位置。布置懸吊管時應注意，雖然虹吸式雨水排水系統不要求懸吊管設排水坡度，但不得倒坡，以保證懸吊管內的雨水能夠排空。在布置立管時應注意，一根立管所負責的匯水面積不宜太大，對匯水面積大于5000m2的大型屋面，宜設置不少于2組獨立的立管。不同高度的屋面、不同結構形式的屋面宜采用獨立的立管。

6.3 水力計算

式中：Z1為1-1過水斷面的位置水頭；P1為1-1過水斷面的壓強；Z2為2-2過水斷面的位置水頭；P2為2-2過水斷面的壓強；γ為水的容量；g為重力加速度；hw為總水頭損失。

6.3.1 計算控制流速

懸吊管設計流速不宜大于10m/s，立管設計流速不宜小于2.2m/s，且不宜大于10m/s；過渡段下游流速不宜大于2.5m/s，當流速大于2.5m/s時，應采取消能措施。

各雨水斗水力平衡控制：當采用多斗系統時，各雨水斗至系統過渡段的水頭損失允許誤差小于10kPa。

6.3.2 系統內最大負壓控制

為了避免水流在管道內蒸發影響排水能力，管道內的負壓需大于水的蒸發壓力。根據系統安裝場所的大氣壓力以及管道內的水溫、管道材質、管道及管件的耐負壓能力確定系統內的負壓允許值。同時管道內負壓不應低于一90kPa。

表1 不同水溫的氣化壓力表

虹吸式屋面雨水排水系統的水力計算是基于不可壓縮流體的伯努利方程式：

6.3.3 立管管徑

立管管徑應根據計算確定，可小于上游懸吊管管徑。

6.4 溢流口設計

虹吸式屋面雨水排水系統和溢流口的總排水能力，不宜小于設計重現期為50年、降雨歷時5min時的設計雨水流量。溢流口水流形式為堰流，溢流口的形式決定了不同類型的堰流形式，工程實際中大部分溢流口的形式屬于寬頂堰。寬頂堰流水力計算公式：

式中：Qq-溢流口的排水流量；b-溢流口寬度；△h-溢流口高度；g-重力加速度。

溢流口的設置高度如圖2。

圖2

7 維護

虹吸式雨水排水系統應定期維護，使其保持良好的工作狀態。系統的日常維護的主要內容為清除屋面、天溝、雨水斗和管道中的雜物，龍其是在雨季來臨前應對屋面雜物進行及時的清理，否則屋面雜物極易堵塞雨水斗，從而使整個系統的排水能力大大降低，造成雨水倒灌至室內的嚴重后果。同時日常維護中還應注意管道是否得到牢靠的固定，否則當出現脈沖流時管道振動劇烈影響安全。

[1]《虹吸式屋面雨水排水系統技術規程》（CECS183：2005）.

[2]《建筑給排水設計規范》（GB50015-2003，2009年版）.

[3]《水力學》（成都科技大學水力學教研室編）.

TU823.6

A

2095-2066（2016）05-0028-02

2016-1-15

王紅艷（1976-），女，工程師，本科，主要從事給排水工程設計工作。