虹吸式雨水排水技術在建筑施工中的應用

李 輝

（晉中市城鄉規劃設計研究院，山西 晉中 030600）

0 引言

虹吸式雨水系統排水管泄流量較大，由于負壓抽吸作用，雨水懸吊管內的水發生高效的流動，并且增強懸吊管的適用性，可做到水平無坡度敷設。根據建筑排水需求，靈活調整懸吊管接入雨水斗的數量，在保證排水效果的同時減少雨水立管的數量，可根據建筑建設需求更加有效地利用建筑空間。相比普通重力流雨水斗，虹吸式雨水斗的排水量明顯更大，可高效排出屋面的雨水，由于雨水的快速外排，還有利于減輕建筑物所受的荷載，集多重效果于一體。本文簡述虹吸式雨水排水技術的原理，再引入工程實例，著重對具體的技術應用要點、設計計算、關鍵施工內容等方面進行分析，以期起到拋磚引玉的作用。

1 虹吸式雨水排水技術的原理

虹吸式雨水排水系統集虹吸雨水斗、懸吊管、雨水立管等多部分于一體，其結構如圖1所示。

圖1 虹吸式雨水排放系統示意圖

在降雨初期，累積雨水量相對較少，雨水斗內的水量有限，此時排水系統的功能類似于傳統的重力流雨水系統；隨著雨水累積量的增加，雨水斗內的水量超過設計標高，此時導流罩發揮出作用，能夠分隔雨水和空氣，通過應用該設施，促使排水管道內產生負壓，實現對雨水的抽吸處理，產生具有較高排水效率的虹吸式排水現象。

2 虹吸式雨水排水技術在工程實例中的應用

2.1 工程概況

某工程項目建筑內容包含商場、辦公樓、住宅等，施工設計暴雨強度為6.78L/（s·100m2），排水設施建設中采用虹吸式雨水排水系統，用于高效排出屋面的雨水，實現向集水井的快速轉移，減少雨水堆積量，減輕雨水對屋面的侵蝕和荷載作用。

2.2 施工準備

（1）加強對設計圖紙的審核，評估各項設計內容的可行性，例如垂直度、標高等各方面均要達到要求。

（2）確定套管采取固定、密封措施，保證套管足夠穩定且無泄漏現象。

（3）根據現場施工條件，確定排水管道的鋪設順序，基本流程是依次完成埋地管道、垂直立管、支管和排水管的鋪設作業。

（4）管道專業施工人員注重與土建及其他相關專業的協調，避免發生施工沖突。

2.3 設計要點及關鍵參數的計算

（1）合理布設雨水斗，經過位置優化后，使其頂面至懸吊管管中的高差不少于1m，具體布設情況如圖2所示。

圖2 雨水斗結構

（2）根據立管管徑，合理控制雨水斗頂面至過渡段的高差，其中該管徑不超過DN75時高差以3m以上為宜，在DN90及以上時將高差增加至5m。

（3）立管、懸吊管的設計流速分別不低于2.2m/s、0.75m/s，同時要求立管的流速不超過10m/s。

（4）排水管系過渡段下游的流速需得到有效地控制，應滿足不超過2.5m/s的要求，以削弱雨水流動時的沖刷作用，若流速超過該值，需配套消能設施[1]。

（5）雨水斗至過渡段的水頭損失允許誤差ΔP(kPa)也屬于虹吸式雨水排水系統的重點設計指標，要求該誤差在5kPa以內，具體計算方法如下：

式中：

hver——雨水斗至出戶管過渡段的幾何高差，m；

ρ——水的密度；

g——重力加速度；

∑（L×R+Z）——雨水斗至計算點的總水頭損失（其中，L×R——沿程水頭損失，Z——局部水頭損失），kPa。

（6）排水系統最大負壓不低于90kPa，具體根據工程建設現場的海拔、管材特性等條件而定。對于虹吸式雨水排水系統中的懸吊管，其壓力Px(kPa)按如下方式計算：

式中：

Δhx——雨水斗頂面至懸吊管管中的幾何高差，m；

Vx——計算點的流速，m/s；

ρ、g、∑（L×R+Z）的意義同公式（1）。

（7）管道的沿程阻力。

式中：

R——水力坡降；

λ——摩阻系數；

Dj——管道的計算直徑，m；

V——流速，m/s；

g―重力加速度，9.81m/s2。

2.4 虹吸雨水排水系統中關鍵組成部分的安裝

不銹鋼雨水斗和管道屬于本建筑工程虹吸雨水排水系統的重點施工內容，合理安裝到位是系統得以正常運行的重要前提。安裝中，天溝需保持平直，布設在同一天溝內的雨水斗的高度需一致，同時安裝到位的雨水斗應有足夠的穩定性。主體結構施工時，充分考慮雨水斗的安裝要求，在主體結構上預留300mm的空洞，后續可經由該處將底盤安裝到位，對于安裝后存在的空隙，對其做有效的封堵，保證該部位有足夠的嚴密性。防水卷材施工時間安排在封堵作業完成后，嚴格控制防水層的厚度，充分發揮出該結構的防水作用[2]。而后組織夾圈的安裝作業，再安排找平，配套空氣擋板和防護罩，共同增強防護效果。對于虹吸管道的安裝，技術細節較多，需注重如下幾點：

（1）管道與管件需緊密連接，同時連接部位不可殘留油污以及其他雜質。

（2）測量熔體深度時，選用游標卡尺或其他精度較高的工具，規范操作，根據實測結果判斷熔體深度的實際情況。

（3）焊接彎頭時，作業人員嚴格依據設計圖紙的要求操作，必須遵循圖紙中的指示方向，同時設置清晰的位置標記。

（4）管道連接時，向加熱套筒內將虹吸管道的末端直接插入，全程不對虹吸管道做旋轉處理；將管件推至加熱頭處，直至其達到規定位置為止；為保證熱熔效果，作業人員需嚴格依據規范要求控制加熱時間，經過加熱處理后，從加熱頭上取下管件，直接插入，使其達到預先設定的標記處即可，插入時不旋轉管件，以免影響管道的密封性。

2.5 排水管道的排水性能試驗

排水管道安裝完成后，組織灌水試驗，根據試驗情況判斷管道是否具有足夠的嚴密性和順暢性。在現階段的虹吸式排水系統建設中，應用較為廣泛的排水性能試驗方法有如下三種：

（1）水容積增減的方法。對排水系統的立管出口部位做密封處理，根據排水區域的面積予以劃分，形成獨立的儲水區；經過分區處理后，向出水區內加水，水深控制在0.5m以內；開啟排水出口5s，并及時記錄在隨后30s內的屋面水面高度，根據實際測量數據展開計算，進而評估排水能力。

（2）管道流量計測量的方法。為測定水的流量，配套流量計，將其布設在排水系統出口干管的位置，再對出口做密封處理；根據排水區的面積劃分出獨立的儲水區，向其中加水并使水深控制在0.5m以內；開啟排水出口5s，及時記錄30s的流量，根據儀表顯示的數據進行計算，以所得結果為參考，評估排水能力。

（3）降雨觀測的方法。考慮現場天氣條件，選擇降雨天氣安排觀測，根據測定結果計算，從而評估虹吸式雨水排水系統的排水能力。為保證計算結果的準確性，降雨量選用的是工程所在地區的氣象部門監測數據。

2.6 虹吸式雨水排水系統的施工注意事項

（1）在虹吸式雨水排水系統的結構組成中，雨水斗的斗前深度不超過5mm較為合適，雨水斗離墻距離不少于1m，相鄰兩雨水斗布設間距不大于20m。

（2）根據建筑各部分結構適配合適規格的雨水斗，其中設有天溝、檐溝屋面，優先采用的是DN50～DN150的雨水斗，平屋面排水選用DN50或DN60型即可。

（3）于屋面或天溝的最低點布設虹吸式雨水斗。若排水系統連接多個雨水斗，需要將彼此間的連接管穩定接在懸吊管處。

（4）管道的連接方法根據管道類型而定，其中HDPE管采取焊接連接的方法；鑄鐵管可選擇的連接方式主要有節套式連接和機械式接口連接；鋼管施工中，諸如溝槽式連接、焊接連接等均是可選擇的方法。無論采取何種管道連接方法，均要滿足管道連接緊密、穩定的基本要求。

（5）天溝雨水斗安裝期間，需要在建筑主體結構施工中設置的預留孔處將底盤安裝到位，產生的縫隙用混凝土封堵，保證嚴密性。此外，雨水斗邊緣與屋面的連接部位也應保持密封狀態。在各項密封措施均落實到位后，安排防水施工，按設計要求控制防水層的厚度。為實現對管路系統的防護，在其安裝完成后配套隔柵防護罩。

（6）施工人員嚴格依據圖紙要求施工管道，將合適規格的管道布設至指定位置，其中以變徑部位的位置較為特殊，與設計值的偏差需在±0.20m以內。在確認管道所處位置無誤后，予以固定。

（7）管道轉彎和交匯處的角度達到90°時，可能會由于角度較大而影響管道的流通狀態，為此在轉彎部位設雙45°彎頭，以此來保證水的高效流動。此外，密封性是排水系統實現虹吸功能的重要前提，因此需要嚴格依據要求將管道安裝到位，再做全面的檢查，保證各處均有足夠的嚴密性。

3 提高虹吸式雨水排水系統高效排水的技術要點

3.1 保證水的持續流動

虹吸式雨水排水系統內的水流應有持續性，否則易影響到虹吸作用，抑制排水效果。而部分管道轉彎部位的角度較大，不利于水的正常流動，管道流速的降低可能會導致虹吸作用被削弱。考慮到該問題，若水流存在90°的方向轉變，需要注重對彎頭部位的平順處理，例如增設銜接管道，避免流速在短時間內大幅下降。若系統中存在90°的T型支管，此管道布設條件下若橫管內的水高速流動，將由于管壁的阻礙而導致水的流速急劇降低，此時管壁將遭到過強的水流沖擊作用，同時在水流撞擊管壁后還將產生水流回流的現象，進而衍生出水塞問題，不利于排水管的正常運行，使虹吸作用受到嚴重的影響。為解決該問題，可適當增加管道的管徑，也可在支管匯集部位設斜45°三通，此類措施均有利于調節管道內的水體流動狀態，保證虹吸作用的有效性。

3.2 高度關注氣水混合流的影響

系統管道存在虹吸作用時，管道內部水中溶解的氣體會匯聚成氣泡，以由于此類氣泡的摻雜，并不能獲得理想化的液體單相流。隨著水的逐步流動，存在于其中的微小氣泡有釋放的跡象，但此時依然存在氣水混合流，因此虹吸作用持續存在，排水系統仍具有一定的排水能力。系統內的負壓也是影響管道水流態的重要因素，在負壓過高的條件下，管道內的水以較快的速度流動，即此時存在氣蝕現象，隨著該現象的持續發生，金屬管道易受到嚴重的損傷。不僅如此，較高的負壓將迫使小氣泡破裂，在此期間管道有強烈的震動現象，將對管道的耐久性造成不利影響。由于管道內氣團的存在，將干擾系統的正常排水，虹吸作用減弱，充斥在管道內的水流較少，即水流的充滿度不足，自然難以達到高效排水的效果。對比來看，管道內的中間部位存在氣團時，水流主要沿管壁流動，此時建設的虹吸式雨水排水系統運行效果大打折扣，幾乎與傳統重力雨水排水系統相當，并不能取得良好的排水效果。

3.3 提升系統的完整性和嚴密性

雨水斗至管道系統間的各類排放系統應具有完整性，各組成部分需要保持緊密銜接的關系，在此前提下，才可以促進系統虹吸排水作用的持續發生，從而滿足高效排水的要求。若配套的雨水斗有敞開的入口，受水流旋轉的影響，空氣將經由入口匯聚至排放系統內，由于管道內夾雜空氣，管道內的虹吸作用削弱，雖然仍能夠虹吸排水，但顯然不具備過高的排水能力，甚至在進氣量較大時其排水效果與常規的重力式排水系統相當。

工程建設中，為提升常規重力式排水系統的運行能力，通常對懸吊管的布設方式有特定的要求，例如按照2%的最小坡度安裝到位，但對于虹吸式系統而言，其在此方面并無特定的要求，可以在坡度為0時進行安裝作業，在此布設方式下，不存在重力勢能的作用，系統難以正常排水。根據該虹吸式排水系統的管道布設特點可知，只有在雨水口的入口呈半敞開的狀態時，才可實現對空氣的阻隔，避免其進入系統內，保證管道內水的高效排放；斗前水深達到特定的要求后，才具備產生水封的條件，此時才能夠有效地隔斷空氣，以此來建立起排水系統的虹吸作用。

需注意的是，除了阻隔空氣進入入口外，還需要加強對系統管道的防護，避免空氣進入其中。由此看來，提升系統的密封性極具必要性，要求建設成型的各管道均無滲漏現象。之所以存在此方面的要求，是因為虹吸時管道中存在壓力流，管壁、承插口兩部分均要承受壓力作用，可能由于某處質量薄弱而出現滲漏；此外，若確實存在滲漏現象，將迫使管內的壓力發生變化，進而干擾管道的虹吸作用，導致整個排水系統無法正常運行，虹吸作用減弱，排水效果變差。

4 結束語

綜上所述，在建筑工程建設中，除了主體結構的建設外，配套高效的排水系統也尤為關鍵。在現階段的建筑排水技術體系中，虹吸式雨水排水技術頗具代表性，其在解決屋面雨水排放問題方面有良好的效果，即便是在超高建筑中也依然具有可行性。虹吸式雨水系統的斗前水深較淺，在設計和施工得當的前提下，能夠創造較高的虹吸效率，同時由于雨水的高效排放，還可減輕對屋面的負荷。放眼技術發展趨勢，虹吸式雨水排水技術因其原理成熟、運行效果突出而得到廣泛的應用，工程技術人員應予以高度的重視，結合建筑工程實際環境靈活應用，切實提高建筑的排水效果。