虹吸雨水的设计与若干问题析

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摘要：虹吸式屋面雨水排水系统是当今公认的较为先进的屋面雨水排放系统,然而经过大量的理论研究和实际应用发现该系统与传统的重力式屋面雨水排水系统相比有其独特的优势,但也存在一些不可避免的缺陷,所以实际工程中究竟选用何种屋面雨水排水系统要综合多种因素确定。

关键词：虹吸屋面雨水 排水系统  abstract: siphon type roof rainwater drainage system is now recognized as one of the more advanced roof rainwater drainage system, howevers, after a lot of theoretical research and practical application found that the system had its unique advantages comparing with the traditional gravity roof rainwater drainage system，but there are also some unavoidable defect, so in practical engineering how to chose roof rainwater drainage system should consider many factors..  keywords: siphon， roof rainwater， drainage system  虹吸式屋面雨水排水系统也称压力流排水系统,是当今国际上较为先进的屋面雨水排放系统,最早于1968 年在欧洲提出。1972 年瑞典建成了首个商业化的虹吸式屋面雨水排水系统。经过国际上水力学和工程学方面专家的努力,近年来发展迅速,相继在欧、美、日本等许多国家得到推广。我国大约在2001 年开始应用,而且很快被广泛应用于大型厂房、展览馆、候机楼、商业中心、仓库、办公大楼、体育馆等跨度大、结构复杂的屋面,是解决屋面雨水排水的有效方式。而笔者经过大量的理论研究和实际应用发现,这种新型的屋面雨水排放方式既有优势又有弊病。  1.工程概况  1 虹吸式屋面雨水排水系统简介  111 虹吸式屋面雨水排水系统的组成  虹吸式屋面雨水排水系统由虹吸式(防漩涡) 雨水斗、雨水悬吊管、雨水立管和雨水出户管组成。其中雨水斗需用防漩涡的虹吸式雨水斗,雨水悬吊管无需坡度。  112 虹吸式屋面雨水排水系统的形成及工作原理  经过大量的实验研究发现,虹吸式屋面雨水排水系统内管道的压力和水的流动状态是变化的。形成虹吸式水流其流态需经历波浪流、脉冲流(脉动流) 、活塞流(拉拔流) 、泡沫流(乳化流) 、满管流等五个阶段。在降雨初期,雨水排水系统悬吊管内的雨水为非满管流,以波浪流和脉冲流为主,系统处于重力流状态。随着雨量的增大则斗前水深逐步增大,水流逐步过渡到活塞流和泡沫流并间隙性地产生虹吸满管流流态,悬吊管内出现较明显的负压。虹吸的形成使系统排水能力突然增大,斗前水深又会回落,系统重新回到重力流方式。这种变换会来回持续一段时间,直到降雨量进一步增大,斗前水深趋向稳定,系统掺气量减少,最终形成稳定的虹吸满管流[2 ] 。形成虹吸满管流时尽管雨水可以充满管道,但水中仍会有少量气体掺入,只要水气比> 95 % ,就可近似地把水流看作是恒定流且不可压缩,这样虹吸满管流便成为一相流状态下的满管流。考虑实际液体的粘滞性,系统的工作原理就符合伯努利方程(恒定总流能量方程) [3 ] :  列出雨水斗水面1-1 和管道中任意断面x-x的能量方程(如图2) :  式中, z1 、zx 分别为断面1-1 和断面x-x 的位置水头; p1/γ、px/γ分别为断面1-1 和断面x-x 的压强水头; v1 2/2 g 、vx 2/2 g 分别为断面1-1 和断面x-x 的流速水头; h′w 为断面1-1 到断面x-x 的水头损失。当式中p1 = 0 ;因v1n vx ,则v1≈0 ,取v1 = 0 ;令δz = z1 - zx ,可得  从式(3) 可以分析断面x-x 的压强变化(如图2) : x-x 断面在水平悬吊管上时,δz 不变,且其值较小;而虹吸式雨水斗有较大的水头损失,而且随着x断面向立管一侧移动,管道的水头损失还会较快增加;加上x-x 断面较1-1 断面小得多,则vx 值较大。所以悬吊管内从雨水斗到立管将呈不断增大的负压,在与立管的交叉点处负压最大。从立管与悬吊管交点向下,δz 值迅速增加, vx 值保持不变,而h′w增加缓慢,所以立管内的负压值也随之很快减少至零,继之出现逐渐增加的正压,立管底部达到最大值后再逐渐减少,正压逐渐被消耗,至排水井处与大气相通,管道中的压力为零,雨水斗的进水水面至排出口的总高度差,即有效作用水头,全部用尽。  在实际工程设计中,考虑到计算的误差,也基于安全及其他一些因素,对可利用的总水头需留一定余量。对于高大建筑,可利用的总水头比较富裕,临界点宜选在排水管的出口处,把排水出户管列入压力管段的计算范围,以减少该管段的管径,降低造价;反之,如果建筑物的可利用总水头不太富裕,则可以把临界点的位置移到立管的下部,排出管按重力流计算,节省一些水头损失,使系统在虹吸状态下能正常工作。  2 虹吸式屋面雨水排水系统的利弊分析  2.1 虹吸式屋面雨水排水系统的优势  根据虹吸式屋面雨水排水系统的形成与理论分析可见,该系统与传统的重力式屋面雨水排水系统相比具有以下优势:  (1) 可充分利用屋面至地面排出管的位能,提高管内流速,减小管径;  (2) 由于虹吸排水系统中排水管均按满流有压状态设计,因此雨水悬吊管可做到无坡度敷设,管道安装要求空间小,方便设计和施工;同时节约了宝贵的建筑空间;  (3) 当产生出虹吸作用时管道内水流流速很高,因此,系统具有较好的自清作用;  (4) 悬吊管接入的雨水斗数量多,在满足水力计算要求下,接入的雨水斗数量不受限制,据实际经验知悬吊管的长度可达150m 左右,从而减少了立管的数量,也可减少与室外管道的连接管和埋地管长度,地下部分工作量少,造价低。  2.2 虹吸式屋面排水系统对管材的要求  虹吸式屋面排水系统对管材的选取有以下更高的要求:  (1) 承压能力强高层建筑屋面雨水排水如采用虹吸式屋面雨水排水系统对管材的承压能力要求更高;  (2) 管材质量轻由于虹吸式屋面雨水排放系统管道的重量需由建筑结构承担,所以在保证系统稳定、安全、高效工作的前提下减小管道系统的重量对于降低整个工程造价起着非常重要的作用,尤其是一些大型钢结构屋面的虹吸式排水,合理地选择管材能减少屋面结构的用钢量;  (3) 管道密闭性能好 密闭性是形成虹吸排水的前提,许多虹吸屋面排水系统的事故都是由于管路系统的密闭性能差而造成的;  (4) 需要管道具有良好的吸收震动特性为了确保系统的使用寿命,保证其可以安全稳定的运营,要求管道具有良好的吸收震动特性。  (5) 对管件的特殊要求首先要与管材材质相同,以简化水力计算,同时保证系统管材连接的统一性,降低连接处渗气的可能性;其次为保持良好的水力状况,避免形成水塞,应使用大曲率半径的弯头和顺水y型三通,严禁使用t 型三通。  2.3 虹吸式屋面雨水排水系统的弊端  在理论研究与实际工程设计中发现虹吸式屋面雨水排水系统存在以下的弊端:  (1)虹吸式屋面雨水排水系统的设计从理论上说,其水力计算是系统管道在设计流量下的全部阻力损失与天沟水位具有的位能相平衡为基础。总阻力超过天沟水位的位能,屋面将开始积水,所以实际上是一种极限设计法,它对超设计重现期流量没有调节能力,有人提出设置溢流设施,即设置溢流口、溢流堰、溢流管系等溢流设施。这样会增加屋面雨水排水系统的造价,同时溢流排水有可能危害建筑设施和行人安全。  (2) 虹吸式雨水系统的设计关键是精确地进行水力计算,而计算中所采用的阻力降公式本身存在较大的误差,若只作粗略估算,则可能使计算结果与实际阻力降相差很大,导致工程上造成不必要的浪费或排水能力达不到要求。而目前国内缺乏适合的计算软件,所以设计本身就可能存在问题。  (3) 对于低层建筑和小型屋面的建筑虹吸式屋面雨水排放系统使用受限。建筑物如没有足够的高度,可利用总水头小,体现不出虹吸式屋面雨水系统的优势;小型屋面因雨水量太小,相应选择的雨水管径也小,实际运行中很小的管径在建筑屋面施工时很容易被施工垃圾堵塞,甚至较小的屋面垃圾也容易堵塞管道,所以,虹吸系统设计时不宜使用50mm以下的管道;而不稳定的水量(如阳台) 是无法计算设计水量的,也不能用虹吸式屋面雨水系统处理。  (4) 虹吸排水系统立管数量较少,易产生一根排水立管发生故障,屋面排水系统瘫痪的严重问题。  (5) 因产生虹吸所需天沟壅水高度较高,所以雨水斗下沉深度较大。  (6) 大量实际工程的计算经验证明当悬吊管水平长度不超过有效高差10 倍时,虹吸排水系统是经济的,但在高度与长度比值较小的情况下用虹吸排水系统就不经济。  3 结语  屋面雨水采用哪种排水方式应综合考虑建筑形式、建筑高度、屋面面积、屋顶结构、排水斗和雨水斗布置情况及材料选择等多方面因素决定。在实际工程设计中,对于新兴的虹吸式屋面雨水排水系统既要肯定其优势又要掌握其弊端,只有充分体现其优势,降低其缺陷影响的设计才是好的设计方案。  注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。