虹吸式雨水排水系统概述

【摘 要】 介绍了压力流(虹吸式) 屋面雨水排水系统的工作原理、技术优势,提出了系统水力计算的方法和验证要点。

【关键词】 压力流屋面雨水排水系统；工作原理；水力计算；验证

【中图分类号】 TU991.114 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2012）02-003-02

随着时代的前进及建筑业的发展，无论是工业厂房还是公共建筑都朝着“大面积”、“大体量”的方向发展，而在建筑的屋面排水系统中，由于传统工艺是按“重力式”设计的，因此雨水管道的多少及管径的大小决定雨水排泄是否顺畅。在新型建筑中，仅靠传统工艺，屋面面积的增大，势必导致雨水管道增多，管径增大，影响建筑物的美观和实用。因此，传统的屋面排水系统已越来越不适应，“大面积屋面排水系统的设计”便成了现代建筑的一个新课题。利用“虹吸”原理，对屋面雨水进行虹吸排除，是大屋面排水的有效途径。

屋面雨水虹吸排水系统利用“伯努利”定律，利用屋顶专用雨水漏斗实现气水分离。开始时由于重力作用，使雨水管道内产生真空，当管中的水呈压力流状态时，充分利用屋面和地面的高度差的能量产生虹吸作用，使系统在满流状态下快速排泄雨水。在降雨过程中，由于连续不断的虹吸作用，整个系统得以快速排放屋顶上的雨水。虹吸排水系统管道均按满流有压状态设计，雨水悬吊管可做到无坡度敷设，当产生虹吸作用时，水流流速很高，有较好的自洁作用。相比普通自然排水系统(重力流)有较大的差别：虹吸式排水系统采用压力流的雨水斗，排水能力有很大的提高；在满足水力计算的情况下，悬吊管不需作坡度，对整体装修效果有利且安装方便、美观；实践证明，虹吸式屋面雨水排放系统比传统雨水排放系统有着明显的技术和经济优势，既不破坏整体建筑效果，又能达到雨水的及时收集与排放。

1 系统特点

目前屋面雨水排水有两种系统。一种为国内常用的重力式排水系统，另一种为近十几年来国际上发展迅速而国内刚开始使用的虹吸式排水系统，对于大面积屋面，采用虹吸排水系统更具科学性和先进性。

1.1 重力排水系统。重力排水系统是国内常用的传统排水系统。该系统工作原理是利用屋面雨水本身的重力作用由屋面雨水斗经排水管自流排放。国家设计规范《建筑给水排水设计规范》(GBJ15-88)中规定雨水管悬吊管最大计算充满度为0.8，雨水悬吊管的敷设坡度不得小于0.005。因为重力排水系统按非充满且无压状态设计为避免雨水悬吊管连接过多的雨水斗造成不均匀排水影响整个系统的效果，为规范规定重力雨水排水系统宜采用单斗排水。当采用多斗排水时，悬吊管上设置的雨水斗不得多于4个，悬吊管管径不得大于300mm。因此以往国内的重力排水系统常为单斗系统，即一个雨水斗对应一根立管。基于以上规定，采用重力排水系统的屋面有以下特点:雨水立管数量多，雨水管管径大，雨水悬吊管须有坡度因而占据的建筑空间大，因为是重力流，排水系统对建筑适应性、灵活性较差，连接各立管的埋地管数量多，地下工作量较多。

1.2 虹吸排水系统。虹吸排水系统为负压法或压力流排水系统。它由防漩涡雨水斗、雨水悬吊管、雨水立管、雨水出户管组成。该排水系统原理是： 在降雨初期，屋面雨水高度未超过雨水斗高度时，整个排水系统工作状态与重力排水系统相同。随着降雨的持续，雨量的增加，当屋面积水高度超过雨水斗高度时，由于科学的防漩涡雨水斗能控制进入雨水斗的雨水流量并调整流态减少漩涡，极大地减少了雨水进入排水系统时所夹带的空气量，使系统中排水管道呈满流状态。利用建筑物屋面的高度使雨水具有势能，在雨水连续流经雨水悬吊管转入雨水立管跌落时就形成虹吸作用，在该处管道产生最大负压。屋面雨水在管内负压的抽吸作用下能以较高的流速被排至室外。由于该系统排水管均可满流有压状态设计，因此虹吸排水系统中雨水悬吊管可做到无坡度敷设。当虹吸作用时管内水流流速很高，因此系统具有较好的自清洁作用。虹吸系统中排水管泄流量要远大于重力系统同管径排水管的泄流量，也即排放同样的雨水量，虹吸系统的排水管管径要小于重力系统的排水管管径。虹吸排水系统是一种多斗压力流排水系统。

2 技术优势

2.1 悬吊管接入的雨水斗数量增多，在满足水力计算要求下，接入的雨水斗数量不受限制，因此悬吊管的长度可达150m 左右，从而减少了立管的数量。更适合大跨度，大面积建筑物的屋面排水。

2.2 悬吊管不需设坡度，安装要求空间小，方便设计和施工。

2.3 减少与室外管道的连接管和埋地管。

2.4 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。

2.5 因管内流速的提高，系统能有较好的自清作用。

2.6 雨水斗与屋面防水层的结合可采用压接、粘接或焊接，适用于各种类型的屋面构造，不会渗漏。

2.7 排水系统的管材可采用柔性接口铸铁管、钢管、塑钢管、不锈钢管、高密度聚乙烯管等，在选材上有较大的灵活性。

3 水力计算公式

3.1 沿程水头损失。管道的水力计算，一般采用达西公式:

i=λ

式中：i ―――水力坡降；

λ―――摩阻系数；

dj―――管道的计算内径，m ；

v ―――平均水流速度，m/ s ；

g ―――重力加速度，为9.81 m/ s2 。

单位长度管道的沿程水头损失计算公式，本文建议采用汉森・威廉姆斯公式：

i=

式中:i ―――单位长度水头损失，mH2O/ m(1 mH2O =9.8 kPa)；

Q ―――流量，L/ s ；

df ――― 计算内径，mm；

C ―――管道材质系数(铸铁管C=100，钢管C=120，塑料管C=140～150) 。

3.2 局部阻力损失

用当量长度或局部阻力系数计算。

4 水力计算

4.1 计算方法。①确认当地气象资料如降雨强度和重现期。②计算排水屋面的水平投影面积和汇水面积。③计算各汇水面积的降雨量。④确定压力流雨水斗的规格和额定流量,计算各汇水面积需要雨水斗的数量。⑤确定雨水斗、悬吊管、立管和排出管(接至室外窨井)的平面和空间位置。⑥绘制水力计算管系图。⑦确定节点和管段，为各节点和管段编号。⑧确定总高度和管道总长度。估算局部阻力损失当量长度，铸铁管为管道长度的0.2；塑料管为管道长度的0.6。⑨求每m管长允许的水头损失，i=；⑩查诺模图估算各管段管径。 确定水位高度，h1斗前水位高度，h2屋面或天沟底至立管顶点(转折点)的高度， H斗前水位至立管出口(非满流处)的高度。 进行系统的水力计算：计算各管段的沿程损失和局部阻力损失，管段流速、各节点的压力。计算结果应符合验证规定的要求，否则调整管径或系统后复算，达到要求为止。

4.2 系统水力计算验证规定。①管段内的设计流速>1m/s。②排水系统的总水头损失应小于雨水斗斗前水位与系统排出口的高差。③压力流屋面雨水排水系统悬吊管与立管交点(转折点)处的最大负压值应≤8mH2O。④系统各节点不同管段计算所得压力值应平衡，相差不大于1.5mH2O。⑤立管底部接至室外窨井的排出管管内流速不宜大于1.5m/ s。

综上所述，屋面雨水虹吸排水系统具有很大的推广价值。在现代建筑中，科学技术的发展、新型材料的应用，人们对建筑的实用性、美观性的要求越来越高，因此，虹吸屋面雨水排水系统具有广泛的发展前景和空间，特别是在厂房、机场、体育馆、展览馆等建筑中其适用性将日益体现。

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