高铁金属屋面虹吸系统技术分析及优化措施

龚红勇

中国铁路南昌局集团有限公司 江西 南昌 330002

引言：随着我国高速铁路的不断发展，大跨度、大空间的高铁站房不断投入运营，站房屋面排水普遍采用虹吸排水系统。这种新技术实际应用过程中，因部分设计、施工单位对虹吸系统机理理解不透，造成大雨天气下部分高铁站房排水不及，大面积漏雨的问题。现结合泉州站工程实例，对高铁站房金属屋面虹吸系统问题及改进方案进行技术分析如下：

一、虹吸系统形成原理

利用屋面与地面高差产生的能量，在屋面积水达到一定高度时，使得管道内不进入空气，以满管流状态（即虹吸状态）排水时产生负压，管道内形成抽吸作用将雨水迅速排掉。

基于形成原理，利用“伯努利”方程，经过周密计算，有效控制和平衡管道内雨水的流速、压力，使得雨水管道在短时间内达到满管流状态（即虹吸状态），快速将雨水排出室外。

二、虹吸系统的优势

虹吸式屋面雨水排水系统由防漩涡雨水斗、雨水悬吊管、雨水立管、埋地管、雨水出户管、45度弯头、偏心异径短束节、Y型顺水三通以及一些辅料组成。系统采用特殊设计的具备良好气水分离装置雨水斗，在降雨初期，虹吸式雨水管未达到满流状态，利用雨水重力进行排水。当降雨量加大，天沟中的水位达到一定高度时，雨水斗会自动隔空气，立管中形成负压，从而产生虹吸，系统也转变为高效的排放系统，抽吸雨水向下排放。

相比传统重力式雨水系统，虹吸屋面雨水系统横管不需要坡度，相同排水量下斗前水深小于重力流系统，所用管径比重力流小，所用管道及配件数量更少，可减少室外地面开挖工作量、对建筑空间影响小、管道布置灵活便于建筑处理、可节省工程费用。

三、工程案例

2018年5月2日，泉州地区出现了8-10级短时大风以及大暴雨，气象部门雨量监测系统显示泉州站5月2日17：00～18：00降雨量为62.4mm。造成泉州站房屋面雨水流量过大，屋面天沟及虹吸排水不及时，导致雨水从屋面天沟溢出造成候车室内出现严重漏水现象。

高铁泉州站房屋面两头翘起，南北呈两端高中间低，形似船型，面积为21982m2。其中高屋面面积12324m2，东侧屋面面积6474 m2，西侧屋面面积5850m2。屋面板为铝镁锰合金直立锁边板，高低屋面中部均设有双层玻璃采光窗，采光窗四周设环形不锈钢天沟，高低屋面沿采光窗2两侧共设有9道横向不锈钢天沟，天沟相互贯通，南北走向也形似船型，高处与低处的虹吸口高差达500mm。每道天沟宽0.5m，高0.34m。本次屋面漏雨主要集中在站房高屋面弧形天沟最低处及站房高底跨连接处天沟，天沟满溢后从屋面连接处流入站房内。其余位置为零散的飘雨漏水。

经现场查勘，分析漏水原因如下：

1.该天沟内高处与低处的虹吸口高差达500mm，同一系统的雨水斗设计不同的高差，各个雨水斗启动虹吸时间不一致，破坏了虹吸形成的机理，导致负压管段失效，管道始终不能呈满管流状态，形成不了虹吸作用，只能始终以重力式排水，大大降低了排水能力。遇到瞬间大暴雨时，天沟高处雨水流入低处，从最低的天沟与屋面连接处溢出，造成屋面漏水。本次漏水最严重的地方就是站房高屋面弧形天沟最低处及站房高底跨连接处天沟。

2.设计未明确连接管满流流量与雨水斗斗前水深值对应关系，未对各个雨水斗斗前水深值的一致性进行验算，造成各雨水斗虹吸启动时间不一致，同一系统中的雨水斗不能同时工作，形成不了虹吸。

3.虹吸雨水斗未按照雨水立管做对称布置，造成了虹吸形成有时间差，难以形成虹吸。

4.天沟有效深度不足，经实际测量，天沟深度为0.34m，不满足金属屋面天沟规范构造要求。

5.未按规定设置溢流系统，造成天沟满溢后从边缘流入站房。

6.站房中间屋面板坡度较小，施工误差在屋面形成了凹坑，局部积水，在大风的作用下，部分雨水被吹进金属波浪形屋面板下层，进而漏到候车室内，在候车室内部形成零散的飘雨漏水。

7.施工不规范，虹吸排水口未按设计数量施工，虹吸排水口共设计135个，实际设置88个。排水口的减少，再次降低了排水能力。

8. 虹吸排水管道设置混乱。不同位置的虹吸排水系统应独立设置水平悬吊管和立管，但施工中将各独立的排水系统串接，高位雨水斗空气进入低位系统中，破坏了低位系统的水密性，形成不了虹吸作用。比如：站房石阙（炮楼）原设计虹吸排水系统是独立的，施工将其与横向天沟立管混接，雨水斗高差大，系统不能密闭形成负压。

9.排水管道设置混乱。经现场查勘，系统排水道管径设置混乱，随意变换管道口径大小，多处下游管径小于上游管径，形成瓶颈，导致水流通过能力达不到设计要求。

10.瞬时降雨量较大，气象计录为62.4mm/小时。加上虹吸作用失效后，只能依靠管径较小的虹吸排水管道进行重力式排水，排水不及造成天沟满溢。

四、优化方案

1.针对屋面弧形天沟将不同高度的汇水区域雨水合用同一虹吸系统排水，造成不能有效产生虹吸效应情况，对屋面进行 “分区排水”，弧形天沟分设三段，合理设置挡板，使天沟内雨水不至于马上流到最低处，各系统独立设置水平吊管及立管，每个系统的雨水斗都在同一标高，同时产生虹吸效应，使各汇水区域内虹吸系统独立排水。

2. 弧形天沟设置集水槽，在雨水初期使雨水斗处及时集水，提前达到雨水斗虹吸条件时的斗前水深。

3.原屋面石阙单设排水系统，并增设天沟集水槽。

4.在纵向天沟的低处增设溢流系统，增强大雨天气排水能力。溢流系统采用虹吸式雨水系统，溢流系统按照100年进行校核，超50年设计重现期的雨水通过溢流雨水系统排除。

五、设计计算

1.设计重现期选取：原始新建泉州高铁站房施工图设计时，是按屋面雨水排水工程与溢流设施总排水能力达到50年重现期设计的。考虑高铁站房的重要性及新规范对虹吸雨水系统设计的安全性要求提高，设计重现期按照50年，同时按照100年重现期进行溢流校核。

2.汇水面积划分及设计流量计算：根据《建筑屋面雨水排水系统技术规程》GECS183-2015规范规定，汇水面积大于2500m2的大型屋面，宜设置不少于2套独立的虹吸式屋面雨水系统。结合屋面形状、坡向、天沟布置、铝镁锰板直立锁边板排布方等因素，汇水面积划分时按设计选用的暴雨强度、雨水设计流量综合确定。

设计流量：设计降雨历时时间按照5min，屋面径流系数取1，对于坡度大于2.5%的屋面，雨水量乘以1.5的系数，其他屋面雨水量乘以1.1的系数。

暴雨强度公式：

根据以上公式得出，泉州地区50年暴雨重现期5分钟暴雨强度q5=0.0617L/s.m2, 100年重现期5分钟暴雨强度q5=0.0617L/s.m2。再按照各汇水面积计算出设计流量Q。

3.天沟容积校核及集水井布置：天沟尺寸需满足3个方面要求，一是保证最大雨量下斗前水深的安全高度；二是最大雨量上升速度下虹吸形成所需的缓冲容积；三是系统最大溢流状态下必要的天沟深度。天沟内流速采用满宁公式计算如下：

根据上述此公式计算方法：F轴-J轴横纵向天沟所管的汇水面积均：436m2，按照100年暴雨年限，5分钟流量均超出天沟流量123L/S，不能满足容积要求。按照校核结果，为解决斜坡天沟初期储存雨水量的需要，在斜坡天沟端部设置集水井，每个集水井设置一套虹吸排水系统，虹吸雨水斗集中设置在集水井内。集水井统一为1种型式：1000*400*600.

4.对天沟有效容积计算引入了虹吸启动时间的概念，并规定了虹吸雨水系统的启动时间不宜大于60S，且不宜小于虹吸启动时间的降雨量及如下计算公式：

Vp为过渡段上游管段容积，Qminf为虹吸启动流量（按技术规程附录A.3测得）；当悬吊管上接多个虹吸雨水斗时，为悬吊管上所有虹吸雨水斗虹吸启动流量的总和。

5.虹吸雨水系统管道设置及系统水力计算：在专业系统供应商配合下，根据设计暴雨强度、汇水面积、设计雨水流量、雨水斗布置、管道路进行精确水力计算，以确定雨水斗选型及系统最佳管径配置，并控制系统流速和负压值，需配合虹吸专用计算软件对排水管不同位置的管道管径、压力、流速、流量进行水力复核计算。

选取HYYL-1水力计算书如下：

g为重力加速度，H为虹吸管作用水头（即虹吸管进口端 水面与出口端水面的高差），ζ为虹吸管局部阻力系数，λ为虹吸管沿程阻力系数，d为虹吸管内径。

通过计算，对泉州站金属屋面虹吸系统进行改造，共设置了46套虹吸雨水排水系统（包含12套虹吸溢流管道系统），设置了10个下沉式不锈钢集水槽，共采用不锈钢虹吸雨水斗76个（其中TY90型48个，TY75型28个），HDPE虹吸雨水管道近7000m。从目前使用情况来看，情况良好。

六、结束语：

较大型复杂高铁站金属屋面应用虹吸雨水系统时，需要全面了解建筑内部的空间特点和结构做法，需要参建各方全过程紧密协调配合，通过对设计方案进行深入细致的探讨和研究，结合现场调研情况，确定合理、优化的虹吸排水方案，使虹吸雨水系统更高效、安全地排除屋面雨水，以解决屋面漏水问题。