建筑排水系统水舌问题及解决方案

王超杰 梅贤智 张幸涛

(郑州大学土木工程学院，河南 郑州 450001)

建筑排水系统水舌问题及解决方案

王超杰 梅贤智 张幸涛

(郑州大学土木工程学院，河南 郑州 450001)

水舌是影响建筑排水立管压力波动的主要因素之一，在排水系统设有通气管时，由于其阻力系数很大，使整个立管的总阻力系数增大，从而导致排水立管负压过大，会降低排水立管的通水能力和破坏水封，使管道内的有毒气体、污气进入室内，从而影响室内空气质量。因此，通过消除水舌的形成或减小水舌的局部阻力系数和降低终限流速的解决方案可以提高排水立管的通水能力和安全性。

水舌;通水能力;压力波动;终限流速

随着各种先进技术的研发以及规范的完善，建筑给排水系统的设计趋于成熟，但是现代建筑排水设计中困扰人们的一个重大问题是管道内压力波动不稳定，特别是在高层建筑中，折引起了人们的广泛关注［1］。建筑排水设计的目的是使水封不被破坏，并且最大化的增大立管的通水能力。因此，解决立管内压力波动的问题，以保证排水系统的运行合理与可靠，具有重大意义，。本文主要从水舌的问题出发，来寻找影响立管压力波动的主要因素以及水舌的成因和解决方案。

一、水舌的概念

水舌是水流在冲激流状态下，由横支管进入立管下落，在横支管与立管连接部短时间内形成的水力现象。如图1所示。

它沿进水流动方向充塞立管断面，同时，水舌两侧有两个气孔作为空气流动通路。这两个气孔的断面远比水舌上方立管内的气流断面积小，在水流的拖拽下，向下流动的空气通过水舌时，造成空气能量的局部损失。

二、水舌对管内气压影响

1、假设立管内为水膜流状态，横支管出流，立管上部通大气，当横支管出流时，其下部某一位置形成最大负压，现以空气为研究对象，见图2，列该断面和通气管口出断面的能量方程有

式中V0——0-0断面处空气流速，m/s;

V1——1-1断面处空气流速，m/s;

P0——0-0断面处空气相对压力，Pa;

P1——1-1断面处的空气相对压力，Pa;

Va——空气在通气管内流速，Pa;

ρ——空气密度，kg/m3;

g——重力加速度，9.81m/s2;

ξ——管顶空气入口处的局部阻力系数，一般取0.5;

L——从管顶到排水横支管处的长度，m;

Dj——管道内径，m;

λ——管壁总摩擦系数，包括沿程损失和局部损失，一般取0.03～0.05;

2、影响因素

由式2分析可知:

2.1 排水立管内壁的沿程阻力系数λ对P1的影响成正比关系。

2.2 管顶空气入口处的局部阻力系数ξ和水舌阻力系数K对P1的影响成正比关系。

2.3 排水量Q、终限流速vt对P1的影响成正比关系。

2.4 排水管壁当量粗糙高度Kp对P1的影响成反比关系。

在无通气管的情况下，ξ→∞，因此P1值降低，负压很大，使水封极易被破坏;在有通气管的情况下，ξ和λ很小，此时，水舌局部阻力系数K的影响最为显著，而K值大小与横支管与立管连接处的几何形状、水流大小等因素有关。

三、减少水舌局部阻力系数的方案

本文主要从改变水舌形状和使向负压区补充的空气不经过水舌这两种方法来减少水舌局部阻力系数。

1、设置通气立管来增加空气的流通，常见的通气方式如下图3。

设通气管后有如下作用:

式中:P1——立管内最大负压值，Pa;

ρ——空气密度，kg/m3;

Kp——管壁粗糙高度，m;

Q——排水流量，m3/s;

dj——管道内径，m;

β——空气阻力系数，β=

1.1设置专用通气管，使立管负压区的补气不经过水舌，通过结合通气管来补气，这时，水舌阻力系数K→0。

1.2 为了避免立管下部形成正压，可以在立管下部设通气管来及时排放正压气体。

1.3 当排水横支管上不设置环形通气管和器具通气管时，通过在横支管上设置单向吸气阀补气，这种方法可解决立管负压过大和横支管内负压的现象，但是由于吸气阀单向，因此对正压过大的情况不起作用。

2、通过避免水舌形成来减小水舌阻力系数，可以采用上部特制配件，如混合器，通过在排水立管与横支管连接处的立管内设置挡板，来阻挡横支管排出的冲激流。

3、在横支管上设置单路进气阀，单路进气阀是只进气不出气的通气阀。当某一支管排水时，其他支管上的进气阀打开补气，使向负压区补充的空气不经过水舌，这时，水舌阻力系数K→0。

4、通过错开排水立管与横支管的轴线，使水流沿切线方向流入立管。此时，气流断面会由于管中心形成畅通的空气柱而增加，减小了水舌阻力系数。

5、将排水立管内壁制作成有螺旋线导流突起，立管内的水流在螺旋线导流下，旋转下落，立管中心形成一个畅通的空气柱，避免形成水舌。［4］

6、可以采用两侧气孔面积大的斜三通或异径三通来使水舌面积减小，从而减小水舌阻力系数。

四、其他方案 (减小终限流速)

除了减小水舌阻力系数来增加立管的通气能力的方法外还可以采用减小终限流速的方法，主要有一下措施:

4.1 增加管材内壁的粗糙高度，提高水膜与管壁的界面张力，减小水膜的下降加速度，在一定高度内可以减小水流的下降速度。［3］

4.2 设置乙字管来改变水流方向并且消耗立管水流的动能从而减小终限流速 (一般每5～6层设置一个)。

五、结论

通过分析排水立管压力影响的因素可知，影响立管压力波动的主要因素是水舌局部阻力系数K、终限流速vt和管壁粗糙度，其中水舌局部阻力系数K和终限流速对排水立管内的压力波动影响最大。

对于水舌问题，采用专用通气管或者单向排气阀来使立管负压区的补气不经过水舌，此时，水舌阻力系数趋向于0;管道内壁设置螺旋线导流突起、错开立管和横支管以及设挡板来使水流沿切线方向进入立管，可避免形成水舌;采用特制部件，如斜三通和异径三通来减小水舌面积。

对于终限流速，可以通过增大管内壁粗糙度和设置乙字管来消耗水流的动能，从而降低流速。

［1］廖足良，张勤，程民权.建筑排水系统气压波动原因剖析［D］.给水排水，1996.

［2］王增长.建筑给水排水工程 ［M］.6版.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［3］樊建军，梅胜，何芳，等.建筑给水排水及消防工程［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［4］吴俊奇，付婉霞，曹秀芹，等.给水排水工程 ［M］.北京:中国水利水电出版社，2004.

王超杰 (1992.11-)，男，河南周口人，郑州大学土木工程学院2012级本科生，建筑环境与设备工程专业，研究方向:建筑排水系统水舌问题及解决方案。