保定站房屋面虹吸雨水系统应用探讨

耿傥

摘要：保定站房屋面采用的是较为先进的虹吸式雨水排水系统，运行以来取得了较好的效果。但对于虹吸系统应用中的一些热点问题，如天沟或管道的漏水、过量雨水的溢流等问题还需要进行探讨。本文在介绍虹吸雨水系统构成和原理的基础上，结合保定站房虹吸雨水系统的具体特点，对有关问题进行分析，并提出相应对策。

Abstract： The roof of Baoding Station adopts more advanced siphon rainwater drainage system， which has achieved good results since its operation. However， some hot problems in siphon system application， such as leakage of gutter or pipe， overflow of excessive rainwater and so on， need to be discussed. On the basis of introducing the structure and principle of siphon rainwater system， combined with the concrete characteristics of Baoding Station room siphon rainwater system， this paper analyzes the relevant problems and puts forward corresponding countermeasures.

关键词：虹吸雨水系统；天沟；应用探讨

Key words： siphon rainwater system；gutter；application discussion

中图分类号：TU823 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）19-0151-04

0 引言

在铁路站房现代化建设过程中，由于屋面型式较为复杂，汇水面积大，对外观的要求高，使传统的重力式雨水系统很难满足这一要求，于是开始大量应用虹吸雨水排水系统。2014年7月，石家庄火车站站房暴雨时因虹吸系统故障成为候车大厅内大面积漏水的原因之一，暴露出虹吸雨水系统设计方法、施工管理及后期维护等方面存在的很多问题。

1 虹吸雨水系统构成和工作机理

1.1 系统构成

屋面虹吸雨水系统的组成部分主要有虹吸式雨水斗、连接管、悬吊管、立管、排出管、雨水检查井等。如图1所示。

1.1.1 虹吸式雨水斗

虹吸式雨水斗的主要功能是气水分离、防涡流等，可以有效控制雨水斗前的水位深度。当雨水斗前的水位深度趋于稳定并且接近设计水深时，系统内的水流就保持在满管流状态，系统开始发挥最大的排水效用。

雨水从雨水斗尾部进入连接管时，一般会在此处产生立轴漩涡。从力学角度分析，这是地球自转、地心引力和大气压所产生的切力的共同作用所产生的。从水力学角度分析，当流体的旋转角速度不为零时，流体质点在运动过程中围绕自身旋转，于是产生漩涡。为了防止漩涡的产生，一般在雨水斗内安装防涡板。

1.1.2 连接管

连接管是整个虹吸系统能否形成虹吸作用的关键。如果连接管设计不合理，雨水在连接管内形不成虹吸作用，整个系统将无法在虹吸状态下运行。可以调节连接管的长度和管径来满足系统的节点压力平衡。

1.1.3 悬吊管

由于虹吸系统的特点，悬吊管可以零坡度设置，最大程度地减少对建筑空间的影响，但不允许反坡，以避免管道内的积水增加对建筑结构的荷载。系统悬吊管的长度越长，雨水充满悬吊管需要的时间也就越久，间接地提高了天沟的蓄水能力。

1.1.4 立管

立管在系统中的作用是把雨水从高处输送到排出管。由于真空作用，雨水立管的管径比悬吊管的管径要小，立管中的雨水流速直接影响这个系统的工作效率。

1.1.5 排出管

由于雨水立管中的水流速度较快，在雨水进入检查井前，需要设置排出管释放多余的水头，减少高压水流对井壁的冲击和破坏。排出管的管径比埋地干管要放大两号处理，使管道内的水流由满管流变为自由液态流。

1.2 工作机理

虹吸现象是一种普遍的流体力学现象，依靠管道内的真空作用使液体快速移动。管道内充满液体时，由于管道两端的液面存在高差，在势能和大气压的作用下，液位较高的液体在管道内跌水形成真空，产生抽吸作用，使液体通流向低位管口，这就是虹吸的原理。

形成虹吸作用一般需要具备三个条件：①进口水面高于出水口水面；②管道中充满液体；③管道中有明显负压。

屋面虹吸雨水系统即是依据这个原理，屋面高度较地面具有足够的高差，满足了第一个条件；虹吸式雨水斗能够有效阻止空气进入管道，在斗前水深达到设计要求时，管道内是满流状态，满足了第二个条件；雨水在进入立管时，由于重力作用出现跌水，形成局部真空，产生负压作用，满足了第三个条件。雨水系统在虹吸作用下迅速地把屋面上的雨水排走，减少了雨水带给屋面的附加荷载。

1.3 虹吸雨水系统运行分析

降雨过程中，降雨量并不是持续不变的，下面对不同降雨量时的系统運行状态进行简单分析。

①实际降雨量接近设计雨量时。当实际降雨量接近设计雨量时，管道内的雨水是满管流状态。天沟内的水位超过斗前水深后，悬吊管上游率先形成满管流，并迅速向下游推进，此时管道内的降雨开始时进入的气团也迅速被推向立管方向，当管道内的气团全部被排出以后，整个系统就在完全的满管流状态下运行。

②实际降雨量超过设计雨量时。当实际降雨量超过设计雨量时，虹吸系统仍旧以满管流的状态运行。区别只是超出设计雨量的降雨会逐渐在天沟内聚集，使天沟的水深逐渐增大，超过天沟的保护高度后进入溢流系统。

③实际降雨量远低于设计雨量时。实际降雨过程中，雨水系统在多数时间是处于这种状态的，也就是气水两相流的状态，这个状态的运行机理较为复杂，本文暂不做讨论，但可以确定的是系统的排水效率虽然没有得到充分发挥，但是完全可以满足实际的排水需求。

2 保定站房虹吸雨水系统应用探讨

2.1 保定站工程概况

保定站位于保定市中心，京广铁路里程K134+587m。新建站房分两期建成，西站房于2012年12月投入使用；东站房于2015年10月投入使用，站房全部建筑面积34997m2。

2.2 保定站房虹吸雨水系统基本情况

根据站房的结构形式，划分为五个大的汇水区域。中间候车厅为金属板屋面，屋面坡度为5%，总汇水面积为17496m2，设置8组虹吸雨水系统，采用YG80虹吸式雨水斗38个，每个雨水斗汇水面积为460m2。两侧办公区单个屋面汇水面积1440m2，分别设置1组虹吸雨水系统，采用YG80虹吸式雨水斗4个，每个雨水斗汇水面积为360m2。管道系统采用HDPE管材，雨水悬吊管的最大管径为De200mm，雨水立管的最大管径De160mm，排出管的最大管径De315mm。

系统天沟采用沿主体外墙外侧设置环行天沟，采用2mm厚不锈钢板工厂预制，现场焊接拼接，在相邻的虹吸系统间设置溢流堰。天沟尺寸为：宽度W=0.5m，高度H=0.3m，天沟内设计最大水深240mm，天沟保护高度60mm。由于系统设计时采用了50年暴雨重现期来计算降雨量，满足《虹吸式屋面雨水系统技术规程》中规定的“屋面虹吸雨水系统与溢流设施的总排水能力不应小于50年暴雨设计重现期的雨水量”，所以未设置溢流口。

2.3 虹吸雨水系统应用的相关问题探讨

保定站房虹吸雨水系统运行三年多以来，运行良好，但是随着使用期的延长以及今后应对极端天气方面，难免会出现一些问题。下面对一些常见问题展开探讨：

2.3.1 天沟漏水问题

近期发现不锈钢天沟底板表面出现斑点的锈迹，表明天沟受到腐蚀。除了材质的原因外，酸性雨水腐蚀应该是主要因素。在潮湿环境下，空气中的硫化物或氮的氧化物与水结合形成腐蚀性较强的酸雨，不锈钢板长期处于这样的环境下就会发生腐蚀漏水。另外焊缝位置存在的物理缺陷，比如说气孔、未熔合或者未焊透都是潜在的腐蚀源。

由于天沟与雨水斗均为不锈钢材质，不会因腐蚀电势区别而产生锈蚀，但焊缝检验合格后未做酸性钝化处理，且焊接部位未采取合理的防腐措施，在长期的锈蚀影响下，很可能发生漏水。

不锈钢焊接时应采用不锈钢焊丝，氩弧焊，可用环氧基防腐涂料涂刷焊接部位，如果现场条件允许，在涂刷防腐涂料后，还应该采用丙纶无纺毡，以便将腐蚀对不锈钢板材的影响降到最低程度。发现表面出现锈蚀后，我们及时对锈蚀部位了采取除锈、刷防腐涂料等防腐措施，以控制腐蚀的发展。

2.3.2 天沟向室内溢水问题

反思石家庄站出现的“水帘”问题，除了系统出现“气塞”以外，系统未设置溢流措施也是原因之一。天沟的溢水问题主要以下三个方面：

①天沟尺寸不足。

由于天沟侧壁与金属屋面板间存在缝隙，假如天沟内雨水排除不及时，雨水就会满流过天沟而进入室内。

虹吸雨水系统在降雨初期雨量较小时，其排水方式仍旧是重力流排水。随着雨量增大，天沟内达到设计水深以后，虹吸式雨水斗就能有效阻止空气进入系统，形成稳定的满管流，相当于屋面上一个水面稳定的水池在进行泄水，因此天沟的尺寸必须保证产生虹吸的水位深度和保护高度以及溢流系统需要的高度等，同时天沟的宽度应该能够保证雨水斗周围均匀进水，以最大程度发挥虹吸系统的排水效能。

虹吸系统施工前有必要对天沟尺寸进行校核。

对本工程的天沟尺寸进行验证：

设计雨水流量为Qr=1.5*553*460/10000=38.16L/s；

天沟的最大设计水深Hw=0.8*H=0.24m；

不锈钢表面粗糙度系数N=0.0125；

天沟局部的最不利坡度S=0.001；

经计算天沟的过水断面Ag=0.5*0.24=0.12m2；

则水力半径R=Ag/（W+2Hw）=0.12/（0.5+2*0.24）=0.122；

天沟的排水速度Vg=0.1222/3*0.0011/2/0.0125=0.624；

天沟的允许排水量Qg=0.12*0.624=74.9L/s>Qr=38.16 L/s。

经验证，天沟尺寸满足排水要求。

②钢结构挠度异常导致天沟变形，产生溢水。

不锈钢天沟与金属屋面连成一体，特别对于跨度大的钢结构屋面，在承受雨水、积雪等荷载时，容易出现挠曲现象。钢结构屋面产生的挠曲变形，导致天沟局部塌落、局部凸起，凸起位置的雨水斗不再是天沟内的最低点而使其排水功能减弱或丧失，当天沟变形严重导致排水功能降低较多时，就会导致过量雨水从天沟和屋面板间的缝隙溢流到室内。

应用中，大型屋面钢结构的挠度异常校核非常重要，设计人员须充分了解工程当地的气象资料，并且考虑应对最不利情况的出现，最大程度减少挠度变异的危害。后期維护也应该关注天沟的挠度变化，及时采取应对措施消除隐患。

③天沟没有设置溢流措施导致溢水。

《虹吸式屋面雨水系统技术规程》中规定的“屋面虹吸雨水系统与溢流设施的总排水能力不应小于50年暴雨设计重现期的雨水量”，本工程采取提高暴雨设计重现期（实际采用50a）的方式提高排水能力，所以未设置溢流口。这种做法是存在弊端的。提高暴雨重现期导致系统管径过大，在一般的降雨条件下，系统形成虹吸作用的几率减小，排水效果降低，假如系统出现堵塞或者管道气密性失效，过量雨水就会直接溢流到室内。

可以说，对于天沟与屋面板存在缝隙的屋面，溢流措施是防止雨水进入室内的最后一道屏障，这道屏障缺失，给系统的安全运行埋下了极大的安全隐患，石家庄火车站的漏水事件即是典型的案例，需要人们深刻反思当前虹吸系统的设计思路和改进方法。

2.3.3 负压造成HDPE管材开裂漏水

本工程管道采用的是排水专用的HDPE管材，其特点是密度小、重量轻，焊接工艺简单，施工方便，具有良好的韧性、气密性，较小的伸缩率，抗冲击性较好。但是在其他工程实践中发现，雨水排放过程中出现管道漏水现象，经检查是立管上部局部管壁凹陷，产生裂缝漏水，同时系统的排水效率显著降低。

通过虹吸系统运行机理，在立管顶部出现最低负压值，一般在系统设计时，需通过水力计算控制该负压值在允许范围之内，防止由于负压作用破坏管材或者出现雨水“汽化”。虹吸规程规定系统最低的负压不能低于-90kPa。为了保证管材不被破坏，设计时应采用不低于PE80等级的高密度PE材料，并要求供货商提供耐正压和耐负压的检测报告。对于雨水立管来说，必须能够承受设计要求的最低负压，而由于排出管已经转变为传统重力流，所以没有耐负压的限制。

2.3.4 “气塞”或“水塞”导致雨水井冒水、排水效率降低

虹吸规程规定，每个虹吸雨水系统要设置专门的雨水检查井，且必须与大气连通，井盖上的通气孔面积不少于井盖面积的30%。同时应注意下游管路应比系统排出管放大管径处理，并保证管道通畅。

由于虹吸雨水系统为有压流，排水速度是普通重力流的3至5倍，暴雨时短时间内会有大量雨水被排进雨水检查井，要求检查井及下游管路要有足够的排水能力并且保持畅通。如果检查井尺寸偏小或者下游管路管径不足，就会使排入井内的高流速雨水受到壅塞形成“水塞”，对检查井造成破坏并影响排水效果。同时，降雨初期形成的气团不能顺利排出，在系统内形成“气塞”，使整个系统的虹吸作用遭到破坏，极大的降低排水效率。

虹吸雨水系统投入使用的第一年，站房北侧的雨水检查井在暴雨时出现检查井盖被顶开，雨水喷泉般从井内涌出。经检查，发现雨水井下游管路因其他施工造成堵塞，造成井内雨水无法顺利排走，经处理管道通畅后系统运行正常。

2.4 保定站房虹吸雨水系统的维护要点

①检查格栅罩是否被固定在雨水斗上，对松动的格栅罩进行加固；②检查屋面上是否有障碍物阻碍雨水进入系统，保证雨水径流通畅；③每年对天沟、雨水斗进行两次检查和清理，保证天沟、虹吸雨水斗和管道内无沉积的泥沙或树叶等杂物，发现天沟锈蚀时应及时采取防腐措施，防止腐蚀加剧；④建立并保存日常检查记录。⑤为了保持虹吸系统内部的负压，要特别注意管道和检查口的水密性和气密性，定期对虹吸雨水系统进行检查，确保整个系统状态良好。

3 结语

屋面虹吸雨水系统主要针对各种大面积屋面或复杂屋面的雨水排放，其排水性能较重力流雨水系统得到了极大的改善。在验收和后期维护过程中，需严格按照给排水规范和虹吸雨水系统技术规程的规定，做好质量控制和后期维护，使其更好地服务于铁路运输安全生产。

参考文献：

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