屋面虹吸式雨水排水系统

张美霞

随着建筑技术的不断发展,超大型建筑不断涌现,一些大型单体建筑如展览馆、体育场、工业厂房等屋面跨度大、面积广,屋面荷载承受能力较小,这就要求降雨时屋面积蓄的雨水在短时间内能够迅速排出,传统的重力流雨水排放系统要达到这一要求,就必须增加雨水斗数量及立管根数,加大立管管径。如果采用虹吸式雨水排放方式,系统管道中雨水流态为满流有压状态,排水量大,排放迅速且立管根数少,管径小,横向悬吊管无坡度,能够最大限度满足建筑使用功能。

目前国际上虹吸式雨水排放技术已经很成熟。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。下面就对屋面虹吸式雨水排放系统的工作情况、系统组成以及施工方法做较为详尽的描述。

1 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,当雨水来临时,屋面逐渐形成积水,当屋面雨水达到一定高度时,通过控制进入防漩涡式雨水斗,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,当雨水通过管道变径时,在此处产生负压,加快雨水排放的速度。

2 工作状态

虹吸式雨水排放系统管内压力和水的流动状态是不断变化的过程。降雨初期,雨量一般较小,悬吊管雨水流态是有自由液面的波浪流。根据雨量大小的不同,部分情况下无法形成虹吸作用,是以重力流为主的流态。随着雨量的增加,管内逐渐呈现脉动流,进而出现满管气泡流和满管汽水混合流,直到出现单项流状态。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,雨水斗逐渐有空气掺入,排水管内的虹吸作用被破坏,排水系统又从虹吸状态转变为重力流状态。在整个过程中,随着雨水量的变化,悬吊管内的压力和水流状态出现反复变化的情况。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、汽水混合流过渡,最终在虹吸作用形成时,出现接近单项流的状态。

3 系统组成

与传统的重力流排水系统组成一样,虹吸式排水管道系统的组成为:雨水斗、管道及管道配件。

一般来说,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之一,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。目前常用的雨水斗的材质有HDPE、铸铁或不锈钢。

管道作为虹吸式屋面雨水排放系统最主要的部分,管道的变径可以加速雨水斗排放和流量,必须确保系统安全可靠,高效持续的运行。虹吸式屋面雨水排放系统管道要求具有相当的承压能力、较高的防火性能,并做到尽可能降低噪声、吸收振动,最大程度满足抗温度变化引起的形变。目前最常用的管道材质为HDPE管材。HDPE管具有以下主要优良性能:1)抗寒性能。充满水的HDPE管道被冻结后,管道会随着结冰情况发生弹性伸缩,一旦冰融化,管道可自行恢复到原来状态,不会发生丝毫损伤。2)抗外力。在室温情况下,HDPE管的抗压性能极佳。在温度很高或极端低温条件下(约-40℃)管道仍能抗外力。3)耐火性。HDPE管是阻燃性物质,管道在火中燃烧不会放出有毒气体。4)噪声低。HDPE管是软性材料,弹性模量 E小,管道能限制以空气或固体为载体的声音传播。5)抗辐射性。通过添加碳黑,HDPE管能抵抗由太阳紫外线引起的管材老化脆化现象。

4 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。为保证虹吸排水的产生和持续作用,就要求从雨水斗到管道整个系统是一体的,各部分紧密连接。如果雨水斗有一个完全敞开的入口,空气就会在水流旋转作用的带动下,从入口处进入整个雨水排放系统,这样就无法形成满流形成虹吸状态,也就无法形成高效的虹吸式排放系统。因此,只有当雨水口的入口处半敞开时,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。除了保证在入口处有效阻止空气进入,还必须保证管道中没有空气进入。所以另一个要求就是系统的完全密闭性,要保证管道无渗漏。因为在虹吸作用时,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。

4.1 雨水斗

1)虹吸式屋面雨水排水管雨水斗至过渡段总水头损失与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;2)各雨水斗至其过渡段的水头损失允许误差应小于5 kPa,一般来说雨水斗之间的距离不能大于20 m;3)雨水斗离墙至少1 m;4)雨水斗顶面至悬吊管管中的高差不宜小于1 m。

4.2 管道系统

1)悬吊管设计流速不宜小于0.75 m/s,立管设计流速不宜小于2.2 m/s;2)过渡段下游的流速不宜大于2.5 m/s,若大于2.5 m/s应采取消能措施;3)虹吸雨水管道要求管内负压不超过-0.08 MPa;4)管道施工时当水流有 90°的方向改变时,此处采用双45°弯头、支管汇集处采用斜45°三通。

4.3 检验与试验

在系统管道完成后,排水管道按规范要求做灌水试验。系统灌水试验合格后,还要求做排水性能试验。

表1 两种排水系统的优缺点

5 经济效益分析

虹吸式雨水排水系统在一定程度上可降低工程造价。主要表现在以下方面:1)虹吸式雨水排水管道均按照满流有压状态设计,排水管泄流量远远大于重力排水系统中同一管径排水管的泄流量,也就是说排泄同样的雨水量,采用虹吸式排水系统的排水管管径要小于重力排水系统的排水管管径;2)虹吸排水系统中雨水悬吊管内水流在负压抽吸作用下流动,悬吊管可做到水平无坡度敷设,悬吊管接入雨水斗的数量不受限制,这样可以减少雨水立管的数量;3)虹吸式雨水斗排水量远远大于普通重力流雨水斗,能够迅速排除屋面雨水,雨水斗前水深较浅,降低了建筑物屋面荷载要求,能够大大节约工程造价;4)选用虹吸式雨水排水系统时,大大提高空间的两用,尤其在室外排管时为建筑物地下室错综复杂的机电管线排布提供了便利。

虹吸式雨水排水系统与重力流雨水排水系统的优缺点可从表1反映。

虹吸式雨水排水系统在雨水斗布置、管线走向布局方面便于建筑空间设计,而且系统立管根数少、管径小,降低了屋面荷载要求,对于大型建筑在一定程度上降低工程造价。

虹吸式雨水排放在技术具有较强的先进性,在施工布置上具有较大的灵活性,在工程造价上有较突出的合理性,因而我们相信虹吸式雨水排放技术将作为一项日趋成熟的雨水排放技术逐渐成为大型建筑雨水排放设计施工的首选。