浅议建筑屋面雨水排水

2018-03-26雷国柱

山西建筑 2018年9期

雷国柱

(贵州省遵义市供水有限责任公司，贵州遵义 563000)

1 对建筑屋面雨水问题的理解与分析

关于建筑屋面雨水排水设计的讨论由来已久，不同的人有不同的观点。不同时期的设计规范，对建筑屋面雨水排放也存在不同的理解。然而，对于建筑屋面设计，尤其是大跨度建筑屋面，雨水排水设计尤为重要。

根据现行GB 50015—2003建筑给水排水设计规范(2009年版)第4.9.26条提出：“雨水排水管材选用应符合下列规定：1)重力流排水系统多层建筑宜采用建筑排水塑料管，高层建筑宜采用耐腐蚀的金属管、承压塑料管；2)满管压力流排水系统宜采用内壁光滑的带内衬的承压排水铸铁管、承压塑料管和钢塑复合管等，其管材工作压力应大于建筑物净高产生的静水压。用于满管压力流排水的塑料管，其管材抗环形外压力应大于0.15 MPa。”

根据本规范的条文解释：“屋面设计排水能力是相对的，屋面溢流工程不能将超设计重现期的雨水及时排除，屋面积水，斗前水深加大，重力流排水管系一定会转为满管压力流。因此，高层建筑屋面雨水排水管材宜采用承压塑料管和耐腐蚀的金属管。”另外，结合现行GB 50015—2003建筑给水排水设计规范(2009年版)对高层建筑雨水管的有关规定，可以将其重点问题归结为以下三个方面：1)随着斗前水深加大，重力流管系会转化为满管压力流。2)高层重力流雨水管承压能力应大于建筑物净高产生的静水压。3)高层建筑雨水管可采用排水铸铁管、承压塑料管或钢塑复合管等。

规范做了上述规定，但是有两个问题业内尚存争议，实有探讨的必要：1)随着较为常用的87型屋面雨水斗斗前水深加大，原本作为重力排水的重力流管系，是否一定就会转化为满管压力流。2)高层建筑、超高层建筑屋面雨水管管材的承压能力是否需要根据建筑高度确定。

结合第一个问题，笔者曾多次在暴雨季节，对本地区一些高层建筑外排雨水管道进行现场观测，根据笔者在现场观测时的直接感受，当屋面排水天沟存在一定程度积水的时候，雨水立管在室外散水的出口处(水簸箕处)，水流并不是连续的，基本上属于汽—水两相流，不时伴有水塞出现。

对多层或高层建筑屋面雨水而言，国内、外虽然做过一些雨水立管的模拟排水实验，在相当长的时间内，对指导建筑雨水排水设计发挥了一定的积极作用。但是，有关雨水立管内部的水流状态的判断，以及建筑雨水立管的水力计算模型的选择等，从目前来看，还缺乏一个令人信服的结论。

首先，当屋面天沟出现一定程度的积水，雨水立管的排水能力达到饱和。那么，在极限状态下，雨水立管内部的水流，是断续流，还是连续流，还是如现行设计规范所说的满管压力流。另外，是否可以沿用水力学的能量方程，能量方程是否适用于建筑屋面雨水立管，如果不适应的话，是否需要进行专门的实验测试，换个角度看问题，从而建立适合建筑屋面雨水管道的水力计算模型或经验公式。

从目前来看，对于雨水立管的最大排水能力分析，大多仍然参照水力学的能量方程。但是，如果按照能量方程进行分析，根据《水力学》的有关理论，能量方程(伯努利方程)应用的前提条件，流体必须为连续流。换句话说，只有当雨水立管内的水流为连续流的时候，方可使用伯努利方程进行计算。反之，如果管内流体不连续，则不能使用伯努利方程。

2 对虹吸雨水排水系统的理解与分析

随着大跨度建筑屋面越来越多，如高铁站、机场航站楼、大型会展中心等。此类建筑屋面的雨水排水系统，较多采用虹吸式雨水排水系统。那么，就以屋面虹吸雨水系统为例，根据国家现行设计规程的有关要求，需要采用专用的虹吸雨水斗，从而减少或杜绝空气掺入；另外，虹吸雨水排水系统的悬吊管(雨水横干管)可以不设坡度，根据虹吸需要，调整不同管段管径，采用伯努利方程进行计算验证(这一点与传统的多头悬吊重力式雨水排水系统不同。多斗悬吊的重力式雨水排水系统，其悬吊管需要设置一定的排水坡度，从而满足重力排水需要)。那么，当采用虹吸雨水系统的时候，既然计算采用伯努利方程，管内水流状态必须满足连续流这么一个水流状态。然而，如果管道内为满管连续流的话，那么，受连续水流影响，雨水管道内势必处于正压装填，其虹吸，或者说负压，又是从什么地方来。要想形成负压，管内水流必然是不连续的。换句话说，只有当管道内水流处于不连续的状态，前后水流流速不同，方可在管内呈现出负压状态。此外，早期的虹吸雨水排水系统，曾经出现过由于管内负压超出管道的承受能力，造成HDPE虹吸雨水管道被吸扁的案例。后来，为了解决这个问题，当设计采用HDPE雨水管道时，有意识的提高管道的环刚度。也有的采用热浸镀锌钢管，或者薄壁不锈钢管道。

另一方面，还可以做个假设：假定某高层建筑雨水管，在出现暴雨的时候，管内水流从重力流状态(非连续流，或称水塞流)转化为满管压力流(连续流)。根据水流连续性方程，Q=A0V0=AnVn(假设A0和V0为雨水立管顶端过水断面的面积和流速，An和Vn为雨水立管内任意高度过水断面的面积和流速)。由于雨水立管管径通常情况下是不变的，那么，管道内任意高度的水流断面的流速也应该是一样的。如果能量方程适用于屋面雨水立管计算的话，那么，雨水立管的高度将直接影响到立管出口处的管内流速。那么，立管顶部的流速(V0)该由谁决定，立管顶部水流的能量又由何转化而来。

水力学的有关公式或方程，多为经验公式，或理想状态下的理论推求。在具体应用过程中，也有一定的局限性。同时，也有其严格的使用前提。早些年，国内实验条件比较简陋，缺乏一定高度的排水试验塔。如今，实验条件大为改善，国内已建起多座从几十米到一百多米高的排水试验塔，如湖南大学的排水试验塔、山西高平的泫氏排水试验塔、广东东莞的万科塔等。不过，从目前来看，这些排水试验塔主要用于开展建筑生活排水的有关实验。试想，如能利用这些实验设施，在原有的试验基础上，增加一个建筑屋面雨水排水较为常用的87型雨水斗(或其使用一些专用的虹吸雨水斗)，根据不同的雨排水系统，结合市面现有排水管道材质(如PVC-U，排水铸铁管，球墨铸铁排水管，HDPE管，薄壁不锈钢管，PP管等)，开展一些雨水排水实验，验证不同的管道材质、不同的雨水斗安装高度，最大泄流量(排水量)究竟怎样，有什么变化规律。此外，也可以测试最大排水状态时管壁所承受的最大压力(正压或负压)，以及立管内部出现最大压力的部位，立管内部压力的变化情况，进而对建筑屋面雨水排水管材的选用做出更为科学合理的规定。