虹吸式屋面雨水排放系统

李胜利　于　玲

摘要:虹吸式屋顶雨水系统的原理是依靠特殊的雨水斗的设计,实行汽水分离,从而使雨水立管中为满流状态(全部是水),当立管中的水达到一定的容量时,虹吸作用就产生了,可以快速排水。在降雨过程中,由于连续不断的虹吸作用,整个系统可以以快速将屋顶上的雨水排出室外。

关键词:虹吸作用;管道;排放

1引言

屋面雨水的排放在任何工程都要遇到,传统的屋面雨水排放是利用重力学原理,由屋面坡度和排水沟将雨水集中到各个雨水斗位置,利用雨水的重力由雨水管自然流出。由于水进入雨水斗时空气也大量混入,故雨水管中是汽水混合的状态,所以整个系统的雨水排放计算依靠人工手算为主,又由于是汽水混合流,所以管径计算的都很大,数量也较多。这不但浪费材料,也浪费空间。而且水平雨水管将雨水汇集起来,再进入主管道,由于管内雨水靠重力流动,故水平要设置一定的坡度(不小于5‰),这又浪费处置高度的空间,影响吊顶等室内的标高,总之,传统的重力流排水方式耗材,耗力,浪费空间,地下开挖范围大,极不方便。

2虹吸式屋面雨水排放系统工艺

2.1系统原理

在降雨初期或雨量很小,屋面雨水很少且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,当屋面雨水高度超过雨水斗高度时,由于采用了科学设计的防漩涡雨水斗,通过控制进入雨水斗的雨水流量和调整流态减少漩涡,从而极大地减少了雨水进入排水系统时所夹带的空气量,使得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,在雨水连续流经过雨水悬吊管转入雨水立管跌落时形成虹吸作用,并在该处管道内呈最大负压。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。

降雨末期,雨水量减少,雨水斗淹没泄流的斗前水位降低到某一特定值(根据不同的雨水斗产品设计而不同),雨水斗逐渐开始有空气掺入,排水管内的虹吸作用被破坏,排水系统又从虹吸流状态转变为重力流状态,此时雨水排放趋于结束,大部分雨水已经高速排出,余水很少。

与悬吊管相似,立管内的水流状态也会从附壁流逐渐向气泡流,气水浮化流过渡,最终在虹吸作用形成的时候,出现接近单向流的状态。

因此,虹吸式屋面雨水排放系统所采用的雨水斗必须具有优化设计的反涡流功能的盖罩,防止空气通过雨水斗入口处的水流带入整个系统,并有助于当斗前水位升高到一定程度时,形成水封完全阻隔空气进入。

2.2虹吸式与重力式与面雨水排放系统的区别

虹吸式屋面雨水排放系统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。而重力式排水设计计算不按满流计算,雨水悬吊管的敷设坡度不得小于0.005。

虹吸排水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。

虹吸排水系统其实质是一种多斗压力流雨水排水系统。因此埋地管相对重力式排水系统要明显减少。

2.3系统的组成

虹吸式屋顶雨水系统由雨水斗、管道、室外雨水管网三部分组成,其中室外雨水管网的制作与普通雨水系统相同。

2.3.1雨水斗

雨水斗是虹吸式屋顶雨水系统的核心部位,是实现水汽分离的重点部位,它的稳流性越好,产生虹吸所需的屋面汇水高度越低,总体性能就越优越。它是由雨水斗底座,碟片,格栅顶盖组成,另外还有固定件,法兰片,焊接片,防火保护帽等配件。

底座及碟片格栅顶盖

压力流(虹吸式)雨水斗材质为HDPE、铸铁或不锈钢。其各部分有不同的结构功能。雨水斗置于屋面层中,上部盖有进水格栅。降雨过程中,雨水通过格栅盖侧面进入雨水斗,当屋面汇水达到一定高度时,雨水斗内的反涡流装置将阻挡空气从外界进入同时消除涡流状态,使雨水平稳地淹没泄流进入排水管。虹吸式雨水斗最大限度减小了天沟的积水深度,使屋面承受的雨水荷载降至最小,同时提高了雨水斗的额定流量。

目前国内的产品,不同的厂家,雨水斗的形式不同。同一厂家的产品,也有多种形式的产品,以适应不同屋面的排水要求。如:平屋面,檐沟屋面、坡屋面、绿化屋面等,选用雨水斗时略有不同,但可以通过组合达到多样化的要求。随着广泛的推广使用,国家必将统一这一产品的规格及制作标准,做到产品通用。

由于雨水斗是虹吸式排水的关键部位,故雨水斗的设计安装也有一定严格的要求:雨水斗离墙至少1米,以能够广泛收集雨水;雨水斗之间距离一般不能大于20米,以快速实现虹吸效应;平屋顶上如果是沙砾层,雨水斗格栅顶盖周围的沙砾厚度不能大于60mm,最小粒径必须为15mm,以防止沙粒进入雨水斗而发生堵塞,影响排水效果;虹吸式雨水斗应设置在屋面或天沟的最低点,每个汇水区域的雨水斗数量不少于2个;如果雨水管是安装在混凝土屋顶面层内,那么屋顶至少有160mm厚;断面呈连续梯形的屋面雨水斗开口,为安装固定件,尺寸必须是280mm x 280mm,如果开口大于300mm x300mm,屋顶则需加固;带隔离层的屋顶隔离层厚度至少40mm。如果隔离层厚于180mm,雨水斗的底座必需延伸至能与连接管相连的恰当长度,接口部位不能设在隔离层内。

雨水斗安装在屋面防水施工完成,安装时旋掉保护螺丝,将表面清洗干净,安装上雨水斗配套的螺杆,装上密封胶圈。雨水斗的进水口高度,要保证天沟内雨水能通过雨水斗排净且雨水斗要水平安装。屋面铺设柔性防水卷材时,将卷材在螺杆位置处钻孔。用螺帽将卷材压环,空气挡板、雨水整流栅固定在雨水斗座上。根据要求,调节好空气挡板上部的调节螺杆,并固定螺杆。

雨水斗安装后,必须对屋顶或天沟做灌水试验。试验时堵住所有雨水斗,向屋顶或天沟灌水。水位应淹没雨水斗,持续lh,雨水斗周围屋面或天沟应不渗漏,为合格。

2.3.2管道

管道作为虹吸式屋面雨水排放系统最主要的部分,必须确保系统安全可靠,高效持续的运行。因此系统形成虹吸后,管道内为满充雨水,不能夹杂气体,当然,微小的不密封并不一定会造成渗漏,但是足以造成漏气,一旦排水管道内出现气团,虹吸式排水的效率马上大大降低,严重的甚至会破坏虹吸作用。故管道必须保证完全的密封性和完备的防火措施,并且做到尽可能降低噪声,吸收震动,抗击冲击外力,最大程度满足抗温度变化引起的形变。

但是管道的完全抗渗漏并不意味着系统密封性得到满足。一般情况下,对于其它抗渗漏的要求是允许发生小范围的渗漏,只要有补救措施即可。但是虹吸系统一旦发生渗漏,并不易发现。当突然出现暴雨的降雨强度,则可能立即造成整个系统崩溃。进而因为屋面雨水无法及时排放,严重时积水会超过屋面可负荷的荷载强度,引起屋面坍塌。

当系统管道内形成虹吸作用时,由于可供使用的管道管径不一定恰好是计算所得的管径尺寸,因此管道内部会有很多溶解在水中的小气泡,并不是完全理想化的液体单相流。这些微小气泡在流动过程中会逐渐释放,然而这种气水混合流而非气水两相流的流态,仍可以被看作虹吸作用是允许存在的状态,并不影响虹吸作用的形成,也不影响系统的排水能力。

但是,溶解在水中的气泡并不意味着管道内的气团。如果排水管道内,中间部分是气团,沿壁部分是水流,这样就是传统重力雨水排放系统的管内流态。管道内气团的存在,严重影响虹吸作用时管内满流状态的形成,水流在管内的充满度相当低,大大减小了系统的排水能力。

由于虹吸系统是利用负压排水的,因此管道的管壁必须具备相当的承压能力。但是也不是完全的刚性体。因为虹吸系统的负压一般不大于-0.08Mpa。过大的负压会导致管内水流流速过快,发生气蚀现象,对于金属管道或者是金属质地的连接处产生极大的伤害(-0.09Mpa已经接近气蚀的临界值)。同时负压过高也会给系统带来极大的震动,减少系统的使用寿命。

管道和配件都必须具备阻燃的条件,当建筑物一处发生火灾时系统能够防止火灾被迅速传递到建筑物的其他部分。所以,材料本身的阻燃性并不是最重要的,整个管道系统的防火扩散性才是将灾害损失降至最低的关键。

管道安装要求:

悬吊系统应避免穿越建筑沉降缝伸缩缝。当因现场情况无法避免时,应根据系统管材的特点,考虑不同管材的挠度,采取相应措施。

雨水横管与立管、立管与排出管的连接弯头采用两个45°弯头或R≥4D的90°弯头。

雨水立管上应按设计要求设置检查口,检查口中心距地面1.0m。当采用高密度聚乙烯(HDPE)管时,检查口的最大设置间距不大于30m。

雨水管穿过墙壁和楼板按要求设置套管

由于系统压力较大,排出管宜采用能承压管,并在出户口管道管径加大二级,以便泄压,从而不会冲坏与其连接的雨水井。

埋地雨水管的埋没深度应在冰冻线以下,应考虑管线上部的荷载

HDPE管铺设在-般土质的管沟内铺一层厚度不小于100ram的砂垫层,在穿入检查井与井壁接触的管端部位涂刷两道粘结剂,并滚上粗砂,然后用水泥砂浆砌入,防止漏水,雨水立管的底部弯管处,应设混凝土支墩或采取牢固的固定措施。

雨水管道安装后应做灌水试验,灌水高度必须到每个系统上部的雨水斗。高层建筑灌水可分段进行。满水15min,水面下降后,再灌满观察5min,液面不降,接口无渗漏为合格。

汽水混合流的排水过程中,有一个非常重要的要求,是关于在系统各部位内负压的限制,规定负压不得低于-0.8公斤。其原因在于,当负压在-0.92公斤左右时,系统内的气泡会在压力的作用下破裂,使整个管道说系统产生剧烈振动。

因此,为保证系统的正常运行,管道振动的危害是一个不容忽视的问题。如果振动不加以防范,可能会影响减少建筑结构的使用寿命,也可能会导致整个系统的破坏。安装固定系统的主要功能之一是吸收这些振动,从而避免振动对建筑结构产生影响。故固定系统虽然是虹吸式雨水排放系统的辅助部分,却起到至关重要的保护的作用。

当水流有90o的方向改变时,此处弯头的连接方式,必须注意设计一个衔接管段,以保证流速不会突然大幅下降,而是维持上升的状态,从而整个虹吸式屋面雨水排放系统得以正常运行。

3 HDPE(高密度聚乙烯)管材的优势

承压性能良好,管壁在外荷载作用下,不会破裂。能抵抗冲击压力,减少水锤冲击破坏,保证系统的安全运行,维持虹吸作用的负压,故虹吸式雨水系统的管道大多数采用HDPE材料。

管道连接方式方便灵活。管道可根据需要,采用不同的连接方法,如:对焊、电焊管箍连接、法兰连接、螺纹连接、伸缩管接头等。HDPE还可以和钢管,铸铁管,陶瓷管等其它管材的管道连接。只需通过专门的加热电焊机就可以进行操作。

HDPE管道是在热力条件下生产的,材料本身的张力在制造过程中已消减,所以成品以后可能产生的尺寸微变不会有任何危害,将热胀冷缩引起的危害降至最小。

从物理和化学性质上看,HDPE管道的防腐能力极强,不受各种酸、碱、盐所引起的电化学反应的影响。HDPE管道比金属管更耐磨损。管子重量轻,施工方便,可以事先预制,安装工效大大提高。

4 结语

虹吸式屋面雨水排放系统在国外已经普遍使用,在国内刚刚起步,由于它的明显优势,现在已经有很多厂家生产此产品,有很多重点工程采用此方式进行屋面排水。相信随着建筑业的发展,这种技术将得到进一步的发展,将越来越完善,这种屋面排水的方式将得到广泛的推广与使用。

参考文献

[1]范懋功. 屋面雨水系统设计探讨. 给水排水,2005,31(3):75-77

[2] 黄秉政. 对屋面雨水系统设计重现期的探讨. 给水排水,2005,31(3):78-79

[3] 黄晓家,赵雨舟,高敬,马宁. 我国屋面雨水排水技术应用的研究与发展. 给水排水2007,33(2):83-88