虹吸式屋面雨水排水系統施工技術研究

文／王佳 中鐵建大灣區建設有限公司 廣東廣州 511455

引言：

上世紀六十年代在歐洲建筑行業內第一次提出屋面雨水利用虹吸效應進行排水，十年后便建成第一個“虹吸式屋面雨水排水系統”。對于一座大型屋面建筑，在確定使用虹吸排水時，應在屋面排水設計階段做好各類準備工作及設計參數，如當地歷年雨水降水量，選取管材的阻尼系數，屋面匯水面積，天溝的收水量等，并結合給排水施工中易出現的問題，在屋面雨水排水系統施工安裝時，結合質量控制要點，提高虹吸排水的有效性和科學性，保證施工質量，發揮出虹吸排水的最大優勢，在完成它的功能性作用下與建筑外觀有效融合，提高建筑美學觀感。

1、工程概況及系統組成

本工程為陜西秦龍現代生態智能創意農業園展覽館工程，屋面為網架結構，主體為鋼框架結構，鋼桁梁最大跨度為43m，建筑總長為266m，建筑面積為10255m，建筑層數為一層，建筑高度為27.5m，為不規則結構。屋面采用PTFE 雙膜結構，屋面排水采用虹吸式雨水排水系統，該系統包含雨水天溝、防漩渦雨水斗、雨水平管、雨水立管。經過科學的計算，利用防漩渦裝置控制斗前水流狀態，在雨水斗的水位達到一定界值時，管道內會自然產生“壓力差”，由此該系統會自動形成“虹吸壓力流”；因此屋面虹吸排水系統具有排水速度快的特點，從而使雨水平管的安裝不需要放坡，在虹吸狀態下為滿管流。該系統對安裝空間要求不高，且用材節省，可以多個雨水口合用一根排水立管，并且排水功能相較傳統重力式而言更加強大。但因該系統既要防漩渦，又會產生壓力差，所以對雨水斗和管材要求較高，雨水斗經過特殊結構設計需防止水流渦旋，且能夠進行水氣分離。管材要求能夠抗壓抗沖擊，穩定耐腐蝕，并且自重越輕越好。本工程選用高密度聚乙烯類管材。

2、虹吸式屋面雨水排水系統的工作原理

2.1 工作原理

屋面虹吸排水系統其工作本質為“壓力流排水法（負壓法）”。具體原理為在初降雨階段，天溝內水面高度未漫過雨水斗時，水和空氣可同時進入管道，此時整個系統工作狀態同重力排水系統，該流態為“重力流”；若降雨持續增大，屋面積水越來越多，天溝內匯水即將沒過雨水斗時，吊管內滿管狀態尚不穩定，仍有少許空氣進入，此流態為“二相流”；若降雨繼續增大，天溝內水深完全沒過雨水斗，此時防漩渦雨水斗發揮作用，其特殊的結構設計讓進入水斗中的雨水流態穩定持續，且不會產生旋渦現象，此時完全杜絕了空氣進入，并且吊管內呈現滿流，該流態為“滿管壓力流態”。屋面雨水在向下排出時本身具有勢能，通過懸吊雨水平管在雨水立管中下落時產生“虹吸效應”。此時懸吊平管與立管接口處的負壓力為最大值，該區域為“負壓區”。因為屋面虹吸排水系統運行時存在有壓狀態下工作，所以懸吊雨水平管可以水平布置，節省空間；并且雨水在“虹吸狀態”下流速很大，對管道還能起到自然清潔的作用。在相同管徑排水管下，“虹吸式屋面雨水排水系統”的排水量遠遠大于“傳統重力式排水系統”。 （圖1）

圖1

2.2 系統設計

虹吸式屋面雨水排水系統是一種“多斗壓力流排水系統”，其力學原理為“伯努里方程”。

“伯努里方程”:

系統中每點的“壓力計算公式”：

L-“管長”，R-“單位長度的阻力損失”，L×R-“沿程阻力損失”

依據《給水排水設計規范》壓力流方程式：

Q-“流量”， C-“摩阻系數”，dj-“管道計算內徑”

∑hj-“局部阻力損失”

關于“沿程水頭損失摩阻系數C”：因為不同材質的表面摩擦阻力系數不同，甚至同一材質因等級的區別、生產的批次不同，表面摩擦阻力系數也會變化；此外路徑越長，摩擦阻力越大，特別是“屋面虹吸排水系統”布設管路靈活，路徑一般都比較長，這些都會影響“摩阻系數”的計算結果。

2.3 天溝設計

目前在我國建筑設計行業內對屋面虹吸雨水排水系統天溝的設計規范尚有欠缺，沒有統一的標準和規定，有時甚至出現不同的設計人員計算出來的結果大相徑庭。在天溝設計方面，我們整個建筑行業仍有待提高。

天溝設計計算公式：

當天溝坡度＞0.003 時，天溝的排水量應根據《室外排水設計規范》（GB50014-2006，2011年版）。

當天溝坡度≤0.003 時，宜采用《建筑與小區雨水利用工程技術規范》(GB50400-2006）。給出的以下公式計算：

式中Qdg—短溝設計排水量，L/s；

Qlg—長溝設計排水量，L/s；

kdg—安全系數；kdf—斷面系數；

ω —水流有效斷面面積，mm；

S—深度系數；X—形狀系數；

Lx —長溝容量系數。

3、施工工藝流程和施工方法

3.1 工藝流程

具體工藝流程如下：

3.2 施工方法

3.2.1 測量計算

在進行現場實際測量時，要嚴格落實專項施工方案和規范標準，從施工圖紙并結合現場提取所需材料的數量及規格，根據工期計劃和進度需求，配備所需的人員和機具設備。

3.2.2 預埋預留

在進行屋面結構混凝土澆筑前，應提前埋設鋼套管，套管應高出設計樓面標高至少5cm，排水管道在穿過地下室外墻位置應在地下室結構施工時提前埋置好防水套管。

3.2.3 管道預制安裝

因為屋面虹吸排水系統對材料有抗壓抗沖擊的要求，且自重越輕越好，所以高密度聚乙烯HDPE 材質一般為常規首選材料。該材料一般采用“熱熔焊連接”方式。在熱熔焊接前應對焊口表面進行削切清理，使管材焊口處對接嚴密。焊口固定在夾具上校準對中，并保證焊縫軸向誤差符合規范標準。嚴格按照材質本身特性選取適當穩定和界面壓力，當管材焊口加熱到規定的時間和溫度后，將其取出并在規定的壓力下自然冷卻。

3.2.4 放線定位

為保證管道安裝整齊美觀、錯落有致，在安裝前要對整個排水系統路徑走向、預留洞口、管道轉向等進行定位放線，用墨斗彈出定位線，安裝雨水管網時嚴格按照定位線控制管路走向，以達到管道間距勻稱、橫平豎直。

3.2.5 支架制作安裝

支架的制作安裝需嚴格按照施工圖紙及相關規范標準執行。支架構件一般采用鍍鋅鋼材，吊桿一般選用φ12 鍍鋅圓鋼，懸吊雨水平管采用40＊40＊3 型角鋼加吊桿固定。吊桿間距可控制在2.5-3m 范圍內，吊桿長度一般大于1m 以保證雨水斗與雨水平管的距離?；瑒庸芸ㄩg距一般保證在10 倍的管徑長度，且一般每間隔6m 設固定管卡。雨水立管管卡間距一般為20 倍管徑長度，且每隔8m 設固定管卡。雨水平管接入立管位置即在最大負壓力值處應增設緊固點。在系統安裝時，為保持良好的水力狀況應使用大曲率半徑的彎頭和順水Y 型三通， 嚴禁使用T 型三通。懸吊管與立管、立管與排出管的連接應采用2 個45℃彎頭或大曲率半徑的彎頭。

3.2.6 雨水斗安裝

（1）對于未設計天溝的雨水斗安裝，在進行屋面工程施工時，要對雨水斗預留孔洞進行保護。

（2）在完成屋面保溫防水等一系列施工后，要先清理預留孔洞及周邊雜物，清理干凈后再進行防漩渦雨水斗安裝。安裝雨水斗分兩部分組成，先安裝斗體和落水口，再安裝防渦流裝置和防葉罩。雨水斗緣口處應低于屋面1cm-2cm，用防水砂漿填充緊密壓實，SBS 防水卷材包裹落水口緣口不少于5cm，套上防渦流裝置和防葉罩，并緊固好螺絲，再用密封膏封邊處理，確保雨水斗水平牢固。

（3）虹吸式雨水斗與屋面或天溝和管路系統應可靠連接。

（4）系統接多個虹吸式雨水斗時，雨水斗排水連接管應接在懸吊管上，不得直接在雨水立管的頂部。

（5）接入同一懸吊管的虹吸式雨水斗宜在同一屋面標高。

圖2

3.2.7 排水天溝與屋面接觸面處的密封處理

因金屬對熱脹冷縮較為敏感，為解決此問題，天溝與屋面接觸部位一般均為金屬天溝的脹縮留有間隙，并未完全密封，因此此處極易發生漏水現象。因此在設計、施工過程中一定要重視天溝與屋面接觸面的防水、密封處理。（三元乙丙柔性防水材料、丁基橡膠密封膠帶）。

3.2.8 管道系統灌水試驗

按照《虹吸式屋面雨水排水系統技術規程》要求采用“灌水試驗”，在進行灌水試驗前，先用堵水氣囊試漏球將雨水管出水口處封堵嚴實，再從屋面雨水斗處灌入清水，直到整個排水系統灌滿至天溝底面相平，滿水狀態保持“1h”無任何滲漏即為試驗合格。

4、虹吸式屋面雨水排水系統中常見問題及處理措施

4.1 虹吸式屋面雨水排水系統的運行

在虹吸式屋面雨水排水系統中，經常會存在因為設計計算不全面或施工質量不達標，造成有些位置的雨水立管閑置，而有效位置的雨水管出現滿載或超負荷的現象。由于虹吸式屋面雨水排水系統自身特點：雨水立管較少，單根立管輻射屋面匯水面積大；所以一旦出現系統功能不能正常運行，造成的后果將會比傳統重力式排水系統更嚴重。因為虹吸式雨水斗超負荷容易出現滿溢現象；而如果大面積雨水不能有組織排出，很容易對建筑物本身造成侵蝕。所以，這就要求虹吸式屋面雨水排水系統在設計和施工時一定要結合建筑自身特點，滿足屋面排水需求。

4.2 虹吸雨水斗的安裝

虹吸式屋面雨水排水系統在實際應用中，經常會發現不銹鋼材質虹吸雨水斗和鋼板材質天溝的焊口位置存在腐蝕現象，很容易出現滲漏。這是因為碳鋼和不銹鋼在進行焊接時，容易產生腐蝕電勢，這兩種金屬間出現導電連接體時，焊接處就易銹蝕。該現象在南方潮濕環境下尤為明顯，如果再讓酸雨侵蝕，更會加速焊口處的腐蝕性。要解決此類問題，只有將虹吸式雨水斗和天溝都選用不銹鋼（同材質）材料，焊接過程中也要選擇同材質的不銹鋼比（氬弧焊），焊接完成后及時用酸洗鈍化膏進行處理即可。

4.3 屋面虹吸排水管材的選用

隨著我國建筑行業的日益發展，雨水排水系統管材材質選擇性也日益廣泛。市場上常見的有不銹鋼材質、鑄鐵材質和HDPE 材質。虹吸式屋面雨水排水系統在考慮其路徑長和減少自重提高穩定性的前提下，對于使用HDPE 管不失為最佳選擇。然而，虹吸效應對雨水平管造成的負壓問題要予以一定的重視，虹吸系統在呈現滿管壓力流態時，在懸吊雨水平管和雨水立管交接處會出現最大負壓狀態。HDPE 管材對于正壓力承壓能力較好，但對于負壓力往往承壓能力較弱。在實際應用中，經常會出現HDPE 懸吊平管被吸扁凹陷而導致產生裂紋，嚴重的甚至會出現漏水。所以，在選用HDPE 管材時，管件和管材強度不應小于PE80 等級的，應嚴格按高密度聚乙烯材料管。

5、虹吸式屋面雨水排水系統質量控制關鍵點

（1）嚴格按照施工設計圖紙并結合建筑給排水質量控制相關規范標準來編制切實可行的專項施工方案；

（2）在專項施工方案審批完成后，以專項施工方案為依據，進行施工技術交底的編制，施工技術交底中應詳細說明施工工藝流程、質量控制標準、施工方法措施、安全注意事項等工作內容，務必做到能夠切實指導現場施工；

（3）嚴格把握好材料質量關。對于質量不合格的材料一經發現堅決退場，對原材料的出廠合格證、質檢報告進行鑒別，并對進場后的材料按量按批次進行取樣并送第三方質檢單位進行復檢，出具合格檢測報告后，該批材料方可投入使用；

（4）在施工過程中要嚴把質量關，嚴格檢查每一個施工環節，把控好每一道施工工序，保質保量地完成施工任務；

（5）在施工完成后按照建筑給排水工程相關質量驗收標準進行規范驗收，確保施工質量驗收合格。

結語：

經過一個雨季的檢驗使用，展覽館虹吸式屋面雨水排水系統能夠很好地實現該建筑大面積屋面排水功能的使用要求。綜上所述，隨著我國建筑行業的不斷發展，社會經濟水平的不斷提高，各種大跨度大面積屋面地標性建筑需求越來越大。因此，傳統重力式屋面雨水排水系統的缺點就被無限放大，如雨水平管需放坡、雨水立管安裝數量大、管道易堵塞、材料需求量大、空間占有率高，現場施工量大等各類缺陷；而虹吸式屋面雨水排水系統能夠很好地改善傳統重力式屋面雨水排水系統的各類缺陷，如排雨水速度快、不易堵塞、空間占有率低、材料用量少、成本節約、有自清潔功能、整套系統維護率低等優點，其科學性、經濟學、美觀性、安全性對比傳統重力式排水系統均有顯著優勢。因此，虹吸式屋面雨水排水系統的應用必將成為大跨度大面積屋面建筑雨水排放的趨勢和方向。