虹吸雨水的設(shè)計(jì)與若干問(wèn)題析

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摘要：虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)是當(dāng)今公認(rèn)的較為先進(jìn)的屋面雨水排放系統(tǒng),然而經(jīng)過(guò)大量的理論研究和實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的重力式屋面雨水排水系統(tǒng)相比有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),但也存在一些不可避免的缺陷,所以實(shí)際工程中究竟選用何種屋面雨水排水系統(tǒng)要綜合多種因素確定。

關(guān)鍵詞：虹吸屋面雨水 排水系統(tǒng)  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統(tǒng)也稱(chēng)壓力流排水系統(tǒng),是當(dāng)今國(guó)際上較為先進(jìn)的屋面雨水排放系統(tǒng),最早于1968 年在歐洲提出。1972 年瑞典建成了首個(gè)商業(yè)化的虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)國(guó)際上水力學(xué)和工程學(xué)方面專(zhuān)家的努力,近年來(lái)發(fā)展迅速,相繼在歐、美、日本等許多國(guó)家得到推廣。我國(guó)大約在2001 年開(kāi)始應(yīng)用,而且很快被廣泛應(yīng)用于大型廠房、展覽館、候機(jī)樓、商業(yè)中心、倉(cāng)庫(kù)、辦公大樓、體育館等跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的屋面,是解決屋面雨水排水的有效方式。而筆者經(jīng)過(guò)大量的理論研究和實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn),這種新型的屋面雨水排放方式既有優(yōu)勢(shì)又有弊病。  1.工程概況  1 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)簡(jiǎn)介  111 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的組成  虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)由虹吸式(防漩渦) 雨水斗、雨水懸吊管、雨水立管和雨水出戶(hù)管組成。其中雨水斗需用防漩渦的虹吸式雨水斗,雨水懸吊管無(wú)需坡度。  112 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的形成及工作原理  經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)內(nèi)管道的壓力和水的流動(dòng)狀態(tài)是變化的。形成虹吸式水流其流態(tài)需經(jīng)歷波浪流、脈沖流(脈動(dòng)流) 、活塞流(拉拔流) 、泡沫流(乳化流) 、滿(mǎn)管流等五個(gè)階段。在降雨初期,雨水排水系統(tǒng)懸吊管內(nèi)的雨水為非滿(mǎn)管流,以波浪流和脈沖流為主,系統(tǒng)處于重力流狀態(tài)。隨著雨量的增大則斗前水深逐步增大,水流逐步過(guò)渡到活塞流和泡沫流并間隙性地產(chǎn)生虹吸滿(mǎn)管流流態(tài),懸吊管內(nèi)出現(xiàn)較明顯的負(fù)壓。虹吸的形成使系統(tǒng)排水能力突然增大,斗前水深又會(huì)回落,系統(tǒng)重新回到重力流方式。這種變換會(huì)來(lái)回持續(xù)一段時(shí)間,直到降雨量進(jìn)一步增大,斗前水深趨向穩(wěn)定,系統(tǒng)摻氣量減少,最終形成穩(wěn)定的虹吸滿(mǎn)管流[2 ] 。形成虹吸滿(mǎn)管流時(shí)盡管雨水可以充滿(mǎn)管道,但水中仍會(huì)有少量氣體摻入,只要水氣比> 95 % ,就可近似地把水流看作是恒定流且不可壓縮,這樣虹吸滿(mǎn)管流便成為一相流狀態(tài)下的滿(mǎn)管流?？紤]實(shí)際液體的粘滯性,系統(tǒng)的工作原理就符合伯努利方程(恒定總流能量方程) [3 ] :  列出雨水斗水面1-1 和管道中任意斷面x-x的能量方程(如圖2) :  式中, z1 、zx 分別為斷面1-1 和斷面x-x 的位置水頭; p1/γ、px/γ分別為斷面1-1 和斷面x-x 的壓強(qiáng)水頭; v1 2/2 g 、vx 2/2 g 分別為斷面1-1 和斷面x-x 的流速水頭; h′w 為斷面1-1 到斷面x-x 的水頭損失。當(dāng)式中p1 = 0 ;因v1n vx ,則v1≈0 ,取v1 = 0 ;令δz = z1 - zx ,可得  從式(3) 可以分析斷面x-x 的壓強(qiáng)變化(如圖2) : x-x 斷面在水平懸吊管上時(shí),δz 不變,且其值較小;而虹吸式雨水斗有較大的水頭損失,而且隨著x斷面向立管一側(cè)移動(dòng),管道的水頭損失還會(huì)較快增加;加上x(chóng)-x 斷面較1-1 斷面小得多,則vx 值較大。所以懸吊管內(nèi)從雨水斗到立管將呈不斷增大的負(fù)壓,在與立管的交叉點(diǎn)處負(fù)壓最大。從立管與懸吊管交點(diǎn)向下,δz 值迅速增加, vx 值保持不變,而h′w增加緩慢,所以立管內(nèi)的負(fù)壓值也隨之很快減少至零,繼之出現(xiàn)逐漸增加的正壓,立管底部達(dá)到最大值后再逐漸減少,正壓逐漸被消耗,至排水井處與大氣相通,管道中的壓力為零,雨水斗的進(jìn)水水面至排出口的總高度差,即有效作用水頭,全部用盡。  在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,考慮到計(jì)算的誤差,也基于安全及其他一些因素,對(duì)可利用的總水頭需留一定余量。對(duì)于高大建筑,可利用的總水頭比較富裕,臨界點(diǎn)宜選在排水管的出口處,把排水出戶(hù)管列入壓力管段的計(jì)算范圍,以減少該管段的管徑,降低造價(jià);反之,如果建筑物的可利用總水頭不太富裕,則可以把臨界點(diǎn)的位置移到立管的下部,排出管按重力流計(jì)算,節(jié)省一些水頭損失,使系統(tǒng)在虹吸狀態(tài)下能正常工作。  2 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的利弊分析  2.1 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)  根據(jù)虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的形成與理論分析可見(jiàn),該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的重力式屋面雨水排水系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)勢(shì):  (1) 可充分利用屋面至地面排出管的位能,提高管內(nèi)流速,減小管徑;  (2) 由于虹吸排水系統(tǒng)中排水管均按滿(mǎn)流有壓狀態(tài)設(shè)計(jì),因此雨水懸吊管可做到無(wú)坡度敷設(shè),管道安裝要求空間小,方便設(shè)計(jì)和施工;同時(shí)節(jié)約了寶貴的建筑空間;  (3) 當(dāng)產(chǎn)生出虹吸作用時(shí)管道內(nèi)水流流速很高,因此,系統(tǒng)具有較好的自清作用;  (4) 懸吊管接入的雨水斗數(shù)量多,在滿(mǎn)足水力計(jì)算要求下,接入的雨水斗數(shù)量不受限制,據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)知懸吊管的長(zhǎng)度可達(dá)150m 左右,從而減少了立管的數(shù)量,也可減少與室外管道的連接管和埋地管長(zhǎng)度,地下部分工作量少,造價(jià)低。  2.2 虹吸式屋面排水系統(tǒng)對(duì)管材的要求  虹吸式屋面排水系統(tǒng)對(duì)管材的選取有以下更高的要求:  (1) 承壓能力強(qiáng)高層建筑屋面雨水排水如采用虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)對(duì)管材的承壓能力要求更高;  (2) 管材質(zhì)量輕由于虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)管道的重量需由建筑結(jié)構(gòu)承擔(dān),所以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、高效工作的前提下減小管道系統(tǒng)的重量對(duì)于降低整個(gè)工程造價(jià)起著非常重要的作用,尤其是一些大型鋼結(jié)構(gòu)屋面的虹吸式排水,合理地選擇管材能減少屋面結(jié)構(gòu)的用鋼量;  (3) 管道密閉性能好 密閉性是形成虹吸排水的前提,許多虹吸屋面排水系統(tǒng)的事故都是由于管路系統(tǒng)的密閉性能差而造成的;  (4) 需要管道具有良好的吸收震動(dòng)特性為了確保系統(tǒng)的使用壽命,保證其可以安全穩(wěn)定的運(yùn)營(yíng),要求管道具有良好的吸收震動(dòng)特性。  (5) 對(duì)管件的特殊要求首先要與管材材質(zhì)相同,以簡(jiǎn)化水力計(jì)算,同時(shí)保證系統(tǒng)管材連接的統(tǒng)一性,降低連接處滲氣的可能性;其次為保持良好的水力狀況,避免形成水塞,應(yīng)使用大曲率半徑的彎頭和順?biāo)畒型三通,嚴(yán)禁使用t 型三通。  2.3 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的弊端  在理論研究與實(shí)際工程設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)存在以下的弊端:  (1)虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)從理論上說(shuō),其水力計(jì)算是系統(tǒng)管道在設(shè)計(jì)流量下的全部阻力損失與天溝水位具有的位能相平衡為基礎(chǔ)?？傋枇Τ^(guò)天溝水位的位能,屋面將開(kāi)始積水,所以實(shí)際上是一種極限設(shè)計(jì)法,它對(duì)超設(shè)計(jì)重現(xiàn)期流量沒(méi)有調(diào)節(jié)能力,有人提出設(shè)置溢流設(shè)施,即設(shè)置溢流口、溢流堰、溢流管系等溢流設(shè)施。這樣會(huì)增加屋面雨水排水系統(tǒng)的造價(jià),同時(shí)溢流排水有可能危害建筑設(shè)施和行人安全。  (2) 虹吸式雨水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是精確地進(jìn)行水力計(jì)算,而計(jì)算中所采用的阻力降公式本身存在較大的誤差,若只作粗略估算,則可能使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際阻力降相差很大,導(dǎo)致工程上造成不必要的浪費(fèi)或排水能力達(dá)不到要求。而目前國(guó)內(nèi)缺乏適合的計(jì)算軟件,所以設(shè)計(jì)本身就可能存在問(wèn)題。  (3) 對(duì)于低層建筑和小型屋面的建筑虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)使用受限。建筑物如沒(méi)有足夠的高度,可利用總水頭小,體現(xiàn)不出虹吸式屋面雨水系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì);小型屋面因雨水量太小,相應(yīng)選擇的雨水管徑也小,實(shí)際運(yùn)行中很小的管徑在建筑屋面施工時(shí)很容易被施工垃圾堵塞,甚至較小的屋面垃圾也容易堵塞管道,所以,虹吸系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不宜使用50mm以下的管道;而不穩(wěn)定的水量(如陽(yáng)臺(tái)) 是無(wú)法計(jì)算設(shè)計(jì)水量的,也不能用虹吸式屋面雨水系統(tǒng)處理。  (4) 虹吸排水系統(tǒng)立管數(shù)量較少,易產(chǎn)生一根排水立管發(fā)生故障,屋面排水系統(tǒng)癱瘓的嚴(yán)重問(wèn)題。  (5) 因產(chǎn)生虹吸所需天溝壅水高度較高,所以雨水斗下沉深度較大。  (6) 大量實(shí)際工程的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)證明當(dāng)懸吊管水平長(zhǎng)度不超過(guò)有效高差10 倍時(shí),虹吸排水系統(tǒng)是經(jīng)濟(jì)的,但在高度與長(zhǎng)度比值較小的情況下用虹吸排水系統(tǒng)就不經(jīng)濟(jì)。  3 結(jié)語(yǔ)  屋面雨水采用哪種排水方式應(yīng)綜合考慮建筑形式、建筑高度、屋面面積、屋頂結(jié)構(gòu)、排水斗和雨水斗布置情況及材料選擇等多方面因素決定。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,對(duì)于新興的虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)既要肯定其優(yōu)勢(shì)又要掌握其弊端,只有充分體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì),降低其缺陷影響的設(shè)計(jì)才是好的設(shè)計(jì)方案。  注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以pdf形式查看。