浅谈虹吸式雨水排放系统的设计

摘 要：本文对虹吸式雨水排放系统的设计关键节点、设计步骤、水力计算等相关问题进行了分析探讨。

关键词：虹吸式 雨水排放系统 关键节点 步骤 水力计算

虹吸式雨水排放系统采用虹吸式雨水斗，排水管道均按满流有压状态设计，因此虹吸排水系统中雨水悬吊管可做到无坡度敷设；同时，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；虹吸式雨水排放系统中排水管泄流量要远大于重力排水系统中同一管径排水管的泄流量，也即排除同样的雨水流量，采用虹吸排水系统的排水管管径要小于采用重力排水系统的排水管管径，因此埋地管相对重力式排水系统要明显减少，对于建筑物内不允许开沟设井的场所尤为合适。可见虹吸式雨水排放系统与重力流相比有明显的技术优势。

一、系统设计关键节点

1.虹吸雨水排水系统采用的设计重现期，应根据建筑物的重要程度、汇水区域性质、气象特征等因素确定。对一般建筑物屋面，其设计重现期不宜小于2～5年；对重要的公共建筑物屋面、生产工艺不允许渗漏的工业厂房屋面，其设计重现期应根据建筑的重要性和溢流造成的危害程度确定，不宜小于10年。大型屋面的设计重现期宜取上限值。

2.虹吸雨水排水系统应设溢流口或溢流系统。虹吸雨水排水系统和溢流口或溢流系统的总排水能力，不宜小于设计重现期为50年、降雨历时5min时的设计雨水流量。

3.雨水斗顶面至过渡段的高差，在立管管径不大于DN75时，宜大于3m；在立管管径不小于DN90时，宜大于5m；

4.系统的总水头损失（从最远斗到排出口）与出口处的速度水头之和（mH20）,不得大于雨水管道出口的几何高差H。

5.为使各个雨水斗泄流量平衡，不同支路计算到某一节点的压力差不应大于5KPa。

6.系统中的最大负压绝对值应小于：

金属管：80KPa；

塑料管：根据产品的力学性能而定，但不得大于70KPa

7.虹吸排水存在排量饱和问题，一旦达到设计排量，将不会由于天沟水深上升而使排量上升。在超过预定暴雨重现期雨量时，要求天沟能够提供足够的溢流能力。另外由于虹吸的生成存在滞后现象，故而对钢结构屋面的长天沟（相应水平管很长），必须进行天沟缓冲能力验算。

8.管内流速：悬吊管设计流速不宜流小于1.0m/s；立管设计流速不宜小于2.2m/s，且不宜大于10.0m/s；系统底部排出管流速，不宜大于2.5m/s，当流速大于2.5m/s时，应采取消能措施。

二、设计步骤

（1）根据屋面形式划分汇水区域，计算屋面汇水面积；（2）确定5min暴雨强度和屋面径流系数，计算总降雨量；（3）选择合适规格的雨水斗，合理布置，选定立管位置和数量，组成屋面雨水排水系统；（4）绘制水力计算草图，标注各管段长度，雨水斗、悬吊管和排出管的标高；（5）估算管道单位等效长度的阻力损失；（6）估算悬吊管单位管长的阻力损失（7）初选管径：根据最小流速和悬吊管单位管长的阻力损失查相应表格。初步确定悬吊管管径。立管和排出管管径可采用相应的控制流速初选管径，立管管径一般可比悬吊管末端管径缩小一号；（8）列表进行水力计算求出各管段的沿程水头损失、局部水头损失、位置水头和各节点的压力；（9）校核：系统最大负压值（悬吊管与立管连接处）不同支路计算到某一节点的压力差系统出口压力余量和流速；若不满足则应对系统某些管段的管径进行调整，必要时可能需对系统重新布置，然后再进行水力计算直至满足为止，按最后结果绘制图纸。

三、水力计算公式

1.降雨量

式中 Q――屋面雨水设计流量，L/s

Ψ――屋面径流系数；

F――屋面设计汇水面积，m2

q5――当地降雨历时5min时的暴雨强度，L/（s.ha)

2.沿程阻力损失计算

式中──雷诺数；

k──绝对当量粗糙度，由管材生产厂提供。

3.管道的局部水头损失应根据管道的连接方式，采用管（配）件当量长度法计算。当缺少管（配）件的实验数据时，可采用下列公式估算：

注：①从虹吸系统至过渡段的转换宜按=1.8估算。

②雨水斗的ξ值应由产品供应厂提供，无资料时可按ξ=1.5估算。

4.等效长度初始估算值

管路的局部阻力损失可以折算成等效长度，按沿程水头损失估算

L0=kL

式中 L0――计算管路等效长度，m

L――设计长度，m

k――考虑管件阻力引入的系数：钢管、铸铁管取1.2~1.4，塑料管取1.4~1.6

5.单位等效长度阻力损失初始估算值

式中 R0――计算管路单位等效长度的阻力损失，kPa/m

E――系统可利用的最大压力，kPa

H――雨水斗顶面至雨水排出口的几何高差，m

L0――计算管路等效长度，m

6.管内压力

系统某断面处管内压力按下式计算

式中 Pi──i断面处管内压力，kPa；

Hi──雨水斗顶面至i断面几何高差，m；

vi──i断面处管内流速，m/s；

∑hi──雨水斗顶面至i断面的总阻力损失，kPa

7.系统余压

系统压力余量为

式中 ΔP──压力余量，kPa；

H──雨水斗顶面至排出管出口的几何高差，m；

vn──排出管出口的管道流速，m/s；

∑hn──雨水斗顶面至排出管出口处系统的总阻力损失，kPa

总之，虹吸式屋面雨水排放系统是一种新型的雨水排放方案，与传统的重力式雨水排放系统是完全不同的。从实践看，虹吸式雨水排水系统既增强了系统的使用功能又非常经济划算。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文