某铸造车间屋面长天沟大雨水斗设计探讨

文/黄波 肖睿书 赵宇

1 前言

在总结上世纪60年代以来广西体育馆、柳州拖拉机厂、南宁冶金矿山设备厂和防城港101战略物资仓库大面积屋面排除雨水系统的基础上，借鉴前苏联雨水单斗单立管F=438d2/H即QD=0.122d2重力流公式，建立了QD=0.256d2准压力流公式。立管流速控制在3.26m/s以下，略比传统终端跌水重力流系统流速小于1.55m/s扩大110%，仍留有余地。2008年笔者承担了广西玉林博白广益金属制品有限公司铸造车间屋面雨水系统设计。

该车间屋面长×宽=144×120=17280(m2)，共设计6根dn250给水塑料雨立管匹配6个dn250圆钢组合式雨水斗，每斗服务2880m2，因塑料管采用外径dn250，计算管径扣除15mm取d=23.5cm，当重现期P=2a和玉林市暴雨强度q=4.93L/s，相应流量Q=142L/s与经验公式结果基本持平，跌水坑处溢流口流量按1.45×28.8计算为41.8L/s。

以下围绕该车间准压力流系统展开讨论。

2 缩略词与符号

长天沟——两端跌水坑雨水斗间距达到约144m的天沟简称。长天沟与GB 50345-2004适用于建筑专业的屋面工程技术规范[1]无关。

准压力流——跌水坑深度超过200mm并装有简易雨水斗的屋面才能形成准压力流。它介于重力流与虹吸压力流之间。准压力流立管流速≤3.5m/s约小于虹吸压力流≤7m/s之半。

暴雨强度——单位时间内的降雨量。对于单斗单立管而言，以L/s·100m2计。设有天沟溢流口的暴雨强度不必乘以1.5的系数。

重现期——等于或大于某暴雨强度的降雨出现一次的平均间隔时间。单斗单管按一般建筑以2a计，重要建筑以10a计。但溢流口按一般建筑10a与2a暴雨强度差，重要建筑50a与10a暴雨强度差值计。

陪衬公式——根据第3册[2]686页b=0.9Q0.4放大成b > 1.06Q0.4作为陪衬。

q——屋面暴雨强度符号，为书写方便，以q代替q5。单位L/s·100m2。

Δq10/2——屋面暴雨强度差，一般建筑取P=10a与2a对应q差值控制溢流口，以L/s·100m2计。

Δq50/10——屋面暴雨强度差，重要建筑取P=50a与10a对应q差值控制溢流口，以L/s·100m2计。

Q10/2——一条长天沟单斗服务溢流流量，一般建筑取P=10a与2a对应Δq10/2乘以面积，以L/s计。可简写Qk。

Q50/10——一条长天沟单斗服务溢流流量，一般建筑取P=50a与10a对应Δq50/10乘以面积，以L/s计。可简写Qk。

QD——单斗单立管设计流量，一般建筑取P=2a并以L/s计。

Qk——单斗单立管溢流流量，一般建筑为Q10/2，重要建筑为Q50/10。

i——天沟底坡符号，根据屋面规[1]4.2.4强条，不应小于1%或10‰，它是根据（油毛毡）卷材易发生霉烂且无终端跌水坑的条件下编写的过时落后技术条文，在新形势下不能满足节能省材降低投资要求，此外，它与建水规[3]4.9.18不宜小于0.003水专业规范背道而驰，为避免审图机构与设计部门建筑专业的内耗，呼吁建施图上不写有关i的字样，但水施图可写i=0.003，尽管单坡达到72m长天沟终端有跌水的防城港101仓库采用i=0.0014对应水落差10cm运行半个世纪成功经验历历在目，为避免水专业的内耗，水施图暂写i=0.003，等到审图公司盖章通过后，才考虑编写i=0.0014的计算书，受天沟深度土建设计限制往往达不到水落差20cm要求，不必介意，做到水专业心中有数就行了。虽然终端形成临界水深hk的临界流态与i和n无关，但从清通天沟的角度来看，需考虑i≥0.0014即1.4‰。

I——水力坡降在终端有跌水坑条件下，起点流量为零终端流量为最大，沿程均匀侧向入流天沟流量逐渐增大的I是i的3倍即I=3i的结论值得推荐。天沟计算书应补充hk=10cm的对应流量参数。上世纪60年代建成的广西体育馆天沟表面贴铝皮和70年代防城港101仓库天沟贴白瓷砖表面光滑的n可取0.009。

F——屋面汇水面积（m2）的简写符号，可代替FW。

ψ——雨水径流系数，屋面为0.9～1宜取1。

P——重现期（period）符号，以年（a）计，当一本计算书同时出现压力（pressure）、功率（power of motor）、 湿 周（wetted perimeter）时，采用PE、PR、PM、PW不同符号表示。

dn——给水塑料管橡胶圈柔性接口管公称外径（mm），采用110、160、、225、250和315共5种立管规格。

dE——雨水斗下部插口短钢管外径（mm），为便于和塑料管连接，dn110、dn160和dn250对应108、159和245非标钢管、dn225对应219标准钢管。而dn315则对应钢板卷焊短管外径315，由施工方酌情处理斗管匹配问题。

d——单斗计算内径（cm），按dn或dE排序，取10、15、21（扣除1.5cm）、23.5（扣1.5）和30（扣1.5）共5种规格。

hk——临界水深（m），采用标准化统一取0.1m，并参考第3册[2]686页有关hk公式简化为b＞1.06Q0.4予以控制。

α——天沟水深宽比，采用标准化，准压力流介于0.4000与0.1667之间。

b——天沟净宽（m）。

W——天沟标准化净宽（m）。考虑模数化取250、350、450、500、600mm五种规格，限于计算书使用，水施图仍标注b代替W。

0-0 ——天沟起坡始点断面。始点流量为零。

L-L——天沟纵向终点断面。终点流量为最大，以QL、QD或Q（m3/s）表示。

x——天沟任意断面离起点的距离（m）。该处流量与x的一次方成正比。

dx——天沟任意断面向终点延伸微小距离变量，仅作积分使用。

B——天沟比阻，半个世纪以来给排水人员常用A表示比阻，为避免和面积A混淆，今后改称B，1000BQ2‰式中的1000B叫做千分（‰）比阻，在已知B和水深h=hk的条件下，天沟全程B相等为常数。

qG——天沟单位长度流量m3/s·m或L/s·m，在天沟积分式中，qG=QL/L恒等于常数，为方便书写，以q代替qG亦可。

B（qx）2——天沟纵向离起坡始点0-0断面距离为x的流量Q2与B的乘积BQ2=Bq2x2，Bq2则为常数。

3 水力计算

3.1 终端有自由跌水（集）水坑的长天沟净宽（m）可按下式予以控制

b＞1.06Q0.4 （不等式1）

式中b——长天沟净宽（m）；Q——天沟终点流量（m3/s）。

注：查第3册[2]686页，不等式1留有余地。

3.2 天沟水力坡降I是底坡i的3倍

如图1可建立积分式：

图1 长天沟示意

给排水人员设计天沟常按底坡i和终点最大流量假定为自始至终都是最大流量按明渠均匀流列式计算：

起点流量为零沿程均匀侧向入流的非均匀流天沟水力坡降I是把它假想成始终为最大流量并按均匀流明渠底坡i的3倍。

3.3 单斗单立管流量

根据前苏联重力流Q=0.122d2（L/s）短天沟经验公式，推导的长天沟准压力流：

可控制斗管设计，按式1和5可建立表1供参考。

表1 长天沟准压力流斗管参数

3.4 按ф’求解I

天沟采用1：2水泥砂浆抹面后再用GZ-2屏障漆施涂表面，使n由0.014变成n=0.009和h取0.1m可按：

计算天沟。

长天沟水力参数详见表2。

表2 光滑长天沟水力参数

简要说明：在天沟内表面施涂GZ-2屏障漆增光滑使n由0.014变成0.009的特定条件下，dn110和dn160较小雨水斗匹配天沟i要求≥1.4‰和2.9‰，但dn225、dn250和dn315大斗匹配天沟i要求≥6‰、7.3‰和13‰不太理想，若无屏障漆助滑，则I‰应为表2的2.42倍，难于付诸实施，不予推荐，仅作陪衬参考。某车间采用GZ-2屏障漆二底二面、广西体育馆采用贴铝皮和防城港101仓库采用贴白瓷砖的天沟可按式6A计算，但既无屏障漆或铝皮又无白瓷砖镶贴的天沟，则改用42.22代替17.45进行运算。

3.5 溢流口

查《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》[4]3.3.1之1款，当溢流口采用宽顶堰时，其设计流量可按下式计算：

式中Qk——溢流口服务面积内的溢流量（L/s）。相当于本文的Q10/2（一般建筑）或Q50/10(重要建筑)；

bk——溢流口宽度（m）；

Δh——溢流口高度（m，见规程[4]40～41页取0.15m）；按标准化要求Δh=0.15m可简化为下式：

式中Qk——溢流口流量（L/s）；

bk——溢流口宽度（m）。

经过单位换算并考虑放大约16%留有余地可建立下式：

式中bk——溢流口宽度（mm），注意与式7的bk（m）不同。

当计算bk略小于相应W时，取W标准值，但水施图宜写b代替W。例如某天沟Qk=41.8L/s，则bk＞489取500mm与天沟同宽为宜。

3.6 应用实例

某市一般车间屋面长天沟单斗服务面积28.8（100m2），查该市P=2a的q=4.93 L/s·100m2，请确定水力参数。

解：① QD=28.8×4.93=142（L/s）。略＞表1的141。

②查表1， 选dn250规格，d=23.5cm，Q=0.256d2=141.4（L/s），与QD=142基本持平。

③按不等式1的b＞1.06Q0.4可算出b＞0.486m取0.5m。

④虽然长天沟终点跌水与i和n无关，但从清通方便和传统习惯角度出发，采用GZ-2屏障漆施涂为宜。α=0.1/0.5=0.2000，查表2的 Ф’=0.2503， 则 I=17.45（QФ’）2=17.45（0.1414×0.2503）2=0.02186，i=I/3=0.00729=7.3‰偏大仅作陪衬参考。实际上天沟i只能做到0.0014=1.4‰无关紧要。水施图写i=0.003是建水规[3]的要求。校对流速vk=0.1414÷0.5÷0.1=2.83（m/s）合理。

⑤ Qk=（6.38-4.93）×28.8=41.8L/s， 要 求 bk＞11.7Qk=489（mm）取W=500mm。溢流口在水施图上写b×h=500×150底比终点天沟内底高0.05m以上。

4 雨水斗标准设计

圆钢组合式雨水斗详见图2。

图2 圆钢组合式雨水斗

表3 雨水斗规格尺寸与立管和天沟配套参数

5 结语

5.1 实践是检验真理的唯一标准，运行长达50年的广西体育馆，采用铝皮贴面，长达40年的防城港101仓库，采用白瓷砖镶贴以及长达5年的广西玉林市博白某车间，采用GZ-2屏障漆二底二面施涂防腐防渗增滑措施，都十分成功，值得推广应用，代替传统油毛毡卷材覆盖短天沟的落后技术。

5.2 表2可从反面有力证明终端无跌水的短天沟难于解决底坡设计难题。

5.3 长天沟水力参数宜采用标准化，方便施工和设计。

5.4 建议建施图天沟只注明净宽和找坡方向，不出现i的具体数值，但水施图应写上i=0.003的字样，耐心等待通过施工图审查后，以内部资料形式编写计算书。

[1]GB 50345-2004，屋面工程技术规范.

[2]给水排水设计手册第3册城市给水.中国建筑工业出版社，1986年12月第1版：686

[3]GB 50015-2003（2009年版），建筑给水排水设计规范.

[4]CECS 183：2005，虹吸式屋面雨水排水系统技术规程.