屋面虹吸式排水的应用

摘要：屋面虹吸式排水系统是当今国际上较为先进的屋面雨水排放系统。文章介绍了虹吸式屋面排水系统工作原理和系统组成设置等，并通过实际案例分析了虹吸式屋面排水系统施工工艺。

关键词：虹吸式；屋面排水系统；设计；安装

中图分类号:TU2文献标识码：A

虹吸式屋面雨水排水系统是当今国际上较为先进的屋面雨水排放系统。自20世纪60 年代末在欧洲提出，经过多年研究使用和发展，近年来相继在欧、美、日本等许多国家得到推广，目前国际上虹吸式雨水排放技术已经较为成熟。我国大约在20 世纪末开始应用，广泛应用于跨度大、结构复杂的屋面。该技术就是利用虹吸原理，雨水排放时在管道中形成满管压力流，利用建筑物屋面高度和雨水所具有的势能，产生虹吸现象，屋面雨水在管道内负压的抽吸作用下以较高的流速被排出室外，从而迅速排除屋面积水。从我国浦东国际机场、北京世贸商城等一批大型项目投入使用来看，系统运行总体良好，这种屋面雨水排水系统适用于大跨度、结构复杂的屋面，但是在使用过程中，我们发现这种新型的屋面雨水排放方式既有优势又有弊病。现结合实践就虹吸式屋面雨水排水系统应用问题进行探讨。

1. 屋面虹吸式雨水排水系统概况

1.1 虹吸式屋面雨水排水系统工作原理

虹吸现象在我们日常生活中经常可以看到，其工作原理就是当两个液面存在高差时，此高差部分水通过事先装满水的管道在重力作用下的流动，从而使上部管道中产生负压，水就会不断地被排放；高差越大，管内的水流速度越大，排水越迅速。虹吸式屋面雨水排放系统就是利用这一原理，虹吸式雨水排放系统形成虹吸，分波浪流、脉冲流、活塞流、泡沫流、满管流等几个阶段。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况与重力排水系统相同；随着降雨的持续，屋面雨水高度超过雨水斗高度时，防漩涡雨水斗通过控制进入的雨水流量和调整流态减少漩涡，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和雨水所具有的势能，从而使满管流动时产生虹吸作用，在雨水连续流经雨水悬吊管转入雨水立管处管道产生最大负压，屋面雨水在管道内负压的抽吸作用下以较高的流速被排至室外。

1.2 虹吸式屋面雨水排水系统组成设置

虹吸式屋面雨水排水系统由虹吸式雨水斗、无坡度悬吊管、立管、雨水出户管、固定系统组成。

1）虹吸式雨水斗。虹吸式雨水斗的设计是整个虹吸系统能否按设计要求工作的关键所在，它的稳流性越好，产生虹吸所需的屋面汇流高度越低，总体性能越优越。虹吸式雨水斗由防叶罩、防涡流装置、斗体等组成。在雨水斗设置中，屋面雨水排水管雨水斗至过渡段流速水头之和，不得大于雨水斗至过渡段的几何高差；各雨水斗至其过渡段的水头损失允许误差应小于5kPa，一般来说雨水斗之间的距离不能大于20 m；雨水斗离墙至少1 m；雨水斗顶面至悬吊管管中的高差不宜小于1m。

2）悬吊管、立管、雨水出户管。悬吊管要无坡度，同一系统的雨水斗应在同一标高层上，穿墙和楼板时，应设置金属套管；跨越伸缩缝时，应设置伸缩器或金属软管。为了提高虹吸作用，立管管径应适当缩小，立管应设置检查口，检查口中心宜距地面1.0 m。雨水出户管的设置中，出户管的末端要比出户管放大两号管径。

3） 固定系统。固定系统是由方形钢导轨、方钢连接夹、悬吊螺杆、三角楔、导向、及管道与方形钢导轨间的连接管卡、锚固管卡组成。固定件应定在结构上，不得借用相邻管道做支撑。固定系统吸收管道的振动、热胀冷缩导致的管道位移易受力变形，为保证牢固，不造成纵向、横向变形，固定件应配套，位置应准确，埋设应平整，与管道接触应紧密。

1.3 虹吸式屋面雨水排水系统主要技术要点

系统的一体性与密闭性是整套排放系统的关键点。从雨水斗到管道整个系统是一体的，雨水斗不能完全敞开，否则空气就会在水流旋转作用的带动下，就无法形成高效的虹吸式排放系统；雨水口的入口处应半敞开，才能有效阻止空气随时进入系统，当斗前水满足一定要求时，能够形成水封，完全隔断空气，迅速形成虹吸作用。另一个要求就是系统的完全密闭性，在虹吸作用时，管道内的水流是压力流状态，管壁承受压力，接口处容易发生渗漏，另外一旦发生渗漏，管内压力状态发生改变，影响正常的虹吸作用。

2.虹吸式屋面雨水排水系统的优缺点

根据我国虹吸式屋面雨水排水系统的使用结果来看，虹吸式屋面雨水排水系统与传统的重力式屋面雨水排水系统相比具有的优点是，虹吸排水系统中排水管均按满流有压状态设计，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；节约了建筑空间；同时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；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；悬吊管接入的雨水斗在满足水力计算要求下，接入的雨水斗数量不受限制，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。

从目前使用结果来看，虹吸式屋面雨水排水系统还存在一定不足之处，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。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。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。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。

3.应用实例3.1 设计依据：

1) 《建筑给水排水设计规范》（GBJ50015—2003）(2009年版) 2) 《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》（GB 50242-2002） 3) 《虹吸式屋面排水系统技术规程》（CECS183:2005） 3.2 设计范围：从屋顶雨水斗至室外第一个雨水排水井的全部虹吸式屋面排水系统。 

3.3 工程概况： 本工程为广州市南沙富港广场，虹吸式雨水系统承担的屋面总汇水面积约为13980平方米(含侧墙面积)，系统总设计排水量约为732L/s，本工程虹吸式雨水系统共有7个系统，采用虹吸雨水斗35个。(径流系数取0.9) 3.4、 设计主要技术参数： 本工程屋面虹吸雨水系统降雨强度采用广州市10年重现期降雨强度（q=349.9L/s ha）设计（降雨历时按5分钟考虑）；雨水天沟应按设计院的要求设置(泄水孔)溢流口，溢流口尺寸位置详见图纸上标示，(孔)口底部距天沟底150mm。； 

3.5.选材 1) 雨水斗：选用专用虹吸雨水斗，其规格如下： 

雨水斗型号 规格(mm) 斗前水深（mm） 流量升/秒

YS-75A/B DN75 45 12

YS-110A/B DN110 85 40

2) 为确保系统使用寿命和降低噪音要求，本工程虹吸排水系统的排水管及配件应采用同一品牌HDPE排水管(高密度聚乙烯)管道， HDPE专用管材及管件应为同一压力规格，其压力等级为PN4，耐负压能力为0.9公斤，管道经回火工艺处理，管道伸缩率应不大于1％，HDPE管及配件使用寿命应在50年以上； 3)管材：本工程明管道选用高密度聚乙烯（HDPE）管，热熔或电熔连接，管材及管件采用同一压力规格，不得采用不同厂家生产的HDPE的管材及管件进行熔接。管材上外部必须有预制的熔接对准线（牙齿或条纹标记）,以便于热熔施工； 4)系统应采用与系统管材配套的专用管道固定系统,悬吊管采用二次悬吊方式。 

4.系统施工安装

虹吸式屋面雨水排水系统的安装固定系统有别于传统的固定点配合伸缩节的固定方法。它采用固定管卡和导向管卡(悬吊管卡)将管道固定在与之平行的方钢导轨上,不设伸缩节;固定管卡限制了管道热胀冷缩产生的伸缩,并将轴向推力传递到导轨上;导向管卡则使管道可以在管卡上自由滑动,用以调节各管段之间因为温差产生的不均衡胀缩。由于该固定系统自带有方形钢导轨,因此只需在房屋结构上设置少量大跨度的悬挂点。同时，由于该固定系统将塑料管的伸缩量转化为轴向应力,省掉了伸缩节,避免了伸缩节漏气的隐患。固定系统的所有配件均在车间内生产完成,施工现场只需要进行简单的装配;所有配件表面均经过热镀锌处理,比传统现场制作的支架更美观,更经久耐用。

4.1施工准备

1) 技术准备:施工前认真熟悉图纸,做好图纸会审工作,根据施工技术要求和施工验收规范,制定施工方案、工艺标准。施工前对施工人员进行全面的技术交底,其主要内容有:有关的施工技术标准及规范;主要施工技术要求;工艺流程及物料性能、用途等。

2) 施工现场准备:依据施工图纸测量定位,确定标高,处理管路径上的预留孔洞,预留孔洞尺寸宜较管外径大50mm~ 100mm,架空管道顶上部的净空不小于80mm。

4.2雨水斗安装

1)将雨水斗座连同保护螺丝预埋在设计位置中,预埋雨水斗座时应注意预留出找坡找平层的高度。

2)旋掉保护螺丝,将表面灰尘清除干净,安装上配套螺杆,装上双面自密封胶圈。

3)铺设柔性防水卷材时将于螺杆位置相配置的地方钻孔。

4)用螺帽将卷材压环、空气挡板、雨水整流栏固定在雨水斗座上。

5)根据现场情况调节好空气挡板上的螺杆高度并锁紧。

6)将防叶罩牢固安装在螺杆上。

7)雨水斗安装完毕后,应进行表面清洁和成品保护措施。

4.3悬吊管安装

1)测量放线:放线前先根据图纸定位尺寸核对现场是否与建筑物及其他管线有冲突,再放出直线,在直线上定出安装片的位置。

2)安装片安装:水平管安装片不超过2.5m设置一个,立管安装片不超过15倍管径设置一个,具体距离参照管道的固定。

安装片装好后要重新拉线检查,如果安装片的中心不在一条直线上,可以通过上面的长形孔作调整。钢结构上可不使用安装片,但支吊点的距离不变。

3)安装片固定在承重结构上,管道支吊架应固定在安装片上,固定位置要准确,埋设应牢固。

4)方形钢导管应沿高密度聚乙烯(HDPE) 悬吊管悬挂在建筑承重结构上,高密度聚乙烯(HDPE) 悬吊管则采用导向管卡和锚固管卡连接在方形钢导管上。

5)导向管卡最大安装间距为1.5m,锚固管卡最大安装间距为5.0m。

4.4 HDPE 管的连接

1)HDPE 管道连接采用电熔连接(电熔承插连接)和热熔连接(热熔对接连接)。管件应采用同质材料制作,其压力等级与管材压力等级相同。

2)HDPE 管道不同连接形式采用对应的专用连接工具,检查电动工具与配电箱供电电压是否一致,功率是否匹配。

3)在寒冷气候(-10度以下) 和大风环境条件下进行连接操作时,应采取保护措施,或调整连接工艺。

4)HDPE 管道连接时,应清洁、刮削管端焊接处,除削, 在整个焊接过程中保持管端的干燥。

5)HDPE管道连接结束后,应进行接头外观质量检查,不合格者必须返工并重新进行接头外观质量检查。

4.5 HDPE立管安装

按照要求的间距,把安装片焊接固定在钢结构柱上或用膨胀螺栓固定在钢筋混凝土上、墙壁上。通过立管卡、M18 螺杆把HDPE 管固定在柱子或墙壁上。HDPE 立管按照不大于6m的间距安装固定套环。

4.6埋地管安装

1)雨水管按照设计要求设置检查口, 检查口中心距地面1.0m。

2)埋地管的埋设深度要考虑冰冻和外部荷载的影响。

3)埋地雨水管穿入检查井时,与井壁接触的管端部位应涂刷两道粘结剂,并滚上粗砂, 然后用水泥砂浆砌入,防止漏水。

4.7溢流口设置

1)虹吸式屋面雨水排水系统应设置溢流口。虹吸式屋面雨水排水系统和溢流系统的排水总能力不宜小于设计重现期50年, 降雨历时5min的设计与水量。

2)溢流口或溢流装置的设置高度应根据建筑物面允许的最高溢流水位等因素确定。最高溢流水位应低于建筑物面允许的最大积水面积。

3)溢流口或溢流系统应设置在溢流时雨水能通畅流达的场所。

4.8系统密闭性试验

1)堵住所有雨水斗,向屋顶或天沟灌水。水位应淹没雨水斗,持续1h后,雨水斗周围屋面应无渗漏现象。

2)安装在室内的雨水管道, 应根据管材和建筑高度选择整段方式或分段方式进行灌水试验,灌水高度必须达到每根立管上部雨水斗。灌水试验持续1h后,管道及其所有连接应无渗水现象。

4.9灌水试验

由雨水斗灌水,排尽空气后灌水高度至雨水斗.15min 后水面下降, 再灌满水,1h 液面不降,检查管道连接口无渗漏,试验成功。

5.结语

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。它不仅能够解决一些传统重力式排水系统无法做到的设计难点,而且在节省管材和施工量上有着传统方法无法比拟的优点。

参考文献：

［1］王坷.建筑屋面雨水排水系统研究［D］.重庆：重庆大学硕士学位论文，2007.

［2］张友科.虹吸式屋面雨水排水系统应用［J］.山西建筑2009，（19）：182-183、191.

［3］陈伟.浅述虹吸式屋面雨水排水系统技术与应用［J］.福建建设科技2011,（2）：67-68、46