关于建筑排水横管水流研究的探讨

周彤

合肥质子建设有限公司 安徽合肥 230000

摘要：从我国建筑排水研究现状来看，人们对排水立管的研究远远大于对排水横管的研究。由于研究手段和方法的限制，横管设计仍建立在恒定均匀流的基础之上，与实际并不相符。但整个建筑排水是一个系统工程，要确保排水的畅通无阻，对排水横管水力工况进行深入的研究是很有必要的。而且，对横管中非恒定流进行研究与节水也有着密切的聯系。对建筑排水管道而言，节水就意味着冲洗水量的减少，相同前提条件下，污水中的固体杂质沉积的可能性便会增加，而目前所采用建立在恒定流基础上的众多设计方法则无法做到与实际相符。本文就建筑排水横管水流研究进行探讨。

关键词：建筑排水；横管水流；研究

研究建筑排水系统内水流运动规律，掌握水流运动与排水系统内压力变化的关系，从而解决好居住建筑的排水系统通气问题，保障人们良好的居住环境，建立人与自然的和谐关系，已经成为业内人士关注的焦点问题。

一、基本研究

1.水封的作用及破坏原因。水封即人们常说的存水弯，它的作用是利用一定高度的静水压力来抵抗排水管内的气压变化防止管内气体进入室内。水封设在卫生器具的排水口下，是防止排水管内气体溢出的重要措施。卫生设备在瞬时排出大量的水，使水封形成虹吸，排水后，致使水封内的水量会发生少量损失，称为自虹吸损失；相近卫生器具排水引起系统压力变化，变化的压力使得水封内的水发生波动形成虹吸而引起的水量损失称为诱导虹吸损失；在水封流入端，水封水面的自然蒸发，流出端，因水封内壁的不光滑会在管壁上积存较长的纤维和毛发产生虹吸现象，从而引起水封内的水量损失称为静态损失。以上原因造成水封内水量的减少，当水封内水量减少到其高度不足以抵抗管道内允许的压力变化值时，管内气体就会冲破水封进入室内，这种现象被称为水封破坏。

2.卫生器具的排水状况。卫生器具的排水曲线间接反映了其冲洗效果，而在卫生器具中抽水马桶的冲洗效果显得尤为重要。图1为一个典型抽水马桶的流量随时间变化的关系曲线，从图中可看出，抽水马桶在开始排水后很快就达到了整个排水过程中的峰值流量，并将持续很短的时间，而随后的低速水流将持续几秒钟。对卫生器具如抽水马桶的排水流量随时间变化关系的测定，不仅可用来分析其冲洗效果，同时也为后续的数学模型提供相应的初始条件值。从图1曲线可以看出，当排水量一定时，峰值流量越大，高峰流量持续时间越长，排水系统的水力工况越好。

图1

3.固体污物的运动。固体在横管中运动的关键描述参数是运动速度。70年代英国学者Wakelin与Swaffield等人为弄清固体的输送机理，曾进行了一系列试验。他们对各种固体在一个透明的、管径100mm、长14m的塑料管（坡度设在1/40～1/150范围内）中的输送进行观测，并采用了6组光电管/光源装置来测定固体经过这6个点时的速度。这6组装置间隔距离为200mm。而固体经过的时间则分别通过6个电子计时器来记录。根据所测参数，整理后得出单个固体的固体速度与管段位置的关系。同时他们对控制体速度的经验关系式进行分析。

二、排水横管模型建立

1.排水横管非恒定流数学模型的建立。建立数学模型的作用就在于以少量容易获取的实测数据来预测大量未知的、不易测量的参数值，对设计工况进行预测，从而指导设计工作。建筑排水横管中的水流状态属于非恒定、非满管流。通过对微元控制体进行相应的分析可得到横管中水流速度v、水深h随时间t变化关系的基本方程为：，式中：h--过水断面的水深；A--过水断面的面积；T--过水断面水面宽度；v--过水断面平均流速；对建筑排水非恒定、非满管流的方程的数值求解尚不多见，但考虑到这对控制方程组与计算水力学中研究较多的明渠一维非恒定流控制方程同属一类为一阶拟线性双曲型偏微分方程，故而可参考对明渠一维非恒定流的分析，对建筑排水非恒定、非满管流控制方程组的数值求解进行相应的分析。

2.根据前面的数学模型，给出初始条件和边界条件后便可进行模拟计算。由于计算比较复杂，需利用计算机编程处理，现以简单横管（无分支管）为例，采用VB610进行可视化编程，对横管非恒定水流进行了数值模拟运算。运算所采用的初始流量与时间的数值关系是对某马桶在排水量为6L时实测所得，将其作为入口断面的基本参数。管径（内径）D=100mm，管坡s0=0.02，从入口断面到出口断面之间管长为4.06 m，管道的曼宁系数n=0.009。另外，需要确定总的模拟时间tmax，该参数可用排水过程持续时间为参考数据，本实例中，水流从马桶中排出后经过5.8s的时间流到测量断面，这样，整个模拟时间应大于25.8s，实例中取tma=30s。同样，用排水量为5L时普通马桶的实测数据作为入口断面的基本参数，取管坡s0=0.02，管径（内径）D=100mm，入口断面到出口断面之间管长为4.06m，管道的曼宁系数n=0.009。对整个排水系统而言，节水在很大程度上是指采用各种节水型卫生器具。根据节水卫生器具的基本排水参数以及相应的边界条件，采用数学模型便可对管道中水流状态进行模拟，确定出污物可能沉积的位置，从而可对节水卫生器具以及整个排水系统工况的好坏做出判断。

三、施工建议

1.排水管道的布置和敷设。高层住宅的底层或群房的使用功能大多为公共活动用房，例如办公、商场等。为了不影响其使用功能，上部住宅的排水管道要在使用功能转换处进行汇交，合并后的排水管道应配合建筑使用功能，方便污水的就近排出。但每处排出管最好不少于2根，这样不但可保证使用的安全性，同时分散排出的污水流量可减小排出管内的水跃高度。对于高层住宅底部公共用房的排水，应根据使用功能单独设置排水立管和出户管，排水立管上部接至住宅部分的专用通气立管上，这样，即解决了使用功能不同的排水系统的通气问题，又排除了由于使用功能不同所产生的水流、气流及压力变化的相互影响。

2.卫生器具的选型。存水弯是防止排水管内气体溢出的重要环节，有些卫生器具的存水弯隐含在器具自身的构造中，因此，一定要选用能够保证存水弯内水封深度足够的产品，确保水封深度不小于现行规范所规定的50mm。对于不经常使用的房间应慎设地漏，如卫生间内，由于不经常使用会造成地漏存水弯内的水蒸发而减少甚至干涸，从而导致排水系统气体溢出。在排水支管较长时，可在末端器具前设置吸气阀改善横支管的水流条件。

建立的建筑排水横管非恒定流数学模型是可行的，结合排水系统中卫生器具排水状况和固体污物运动等基础研究，并与计算机程序相结合，数学模型可用于对排水横管水流的模拟和预测，从而有助于对设计方案的择优。在满足了居住面积、合理的使用功能、幽雅的小区环境后，高质量的室内环境已成为人们的迫切要求，设计、施工、管理等部门协同努力，定会营造出健康、环保、和谐居住环境。

参考文献：

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