压力流屋面雨水排水系统的设计分析

(江西省赣州市上犹县城投公司，江西 赣州 341200)

0 引言

欧洲在80年代初期就已经研发全新屋面雨水排放技术，也就是虹吸雨水系统，也称之为压流雨水系统，此技术主要在大型屋面建筑雨水排放中使用。通过多年发展，此技术逐渐的成熟，并且在各国使用。我国在90年代开始研究此技术，通过多年调整和完善，该技术已经处于世界先进的行列。

1 压力流屋面雨水排水系统的优势

屋面在降雨过程中所承接的雨水顺着屋面坡到天沟与檐沟汇集，通过悬吊管、雨水沟、排出管和立管排出。将水力学观点作为基础划分排水系统，主要包括2种，分别为压力流与重力流。雨水斗为自由堰流排水，雨水流入到雨水斗中结合空气，构成水汽混合流，雨水斗设计的流量比较小，根据重力流对悬吊管计算，不能够超过0.8的充满度与5%的坡度，所以使用大管径与坡降。为了保证在同个悬吊管中的雨水斗正常的工作，要求和雨水斗连接数量不能够超过4只，从而提高了雨水立管根数[1]。

2 系统的构成

2.1 虹吸雨水斗

对比传统雨水斗，虹吸雨水斗中具备整流器，所以在淹没水深比较浅的时候避免生成漩涡，并且能够避免空气被抽吸掺入。相关试验表示，淹没的水深在4 cm的时候，虹吸雨水斗能够在不掺气时完全满流，普通雨水斗淹没水深要在40 cm。根据材质划分雨水斗，包括不锈钢、铸铝、铸铁3种雨水斗，排出管管径包括DN100、DN50与DN75 3种规格，以工程实践表示，实际排水能力能够达到实验排水能力的2倍以上[2]。

2.2 悬吊管

在虹吸雨水系统中，悬吊管尤为重要，在立管与悬吊管连接的地方产生虹吸现象，并且悬吊管能够连接雨水斗，节约立管。因为系统中的雨水通过负压推动才能够流动，具备压流。那么，悬吊管不需要设置坡度，以相应的计算表示悬吊管大部分都是DN50与DN75的小管，能够节约屋面空间。

2.3 立管

虹吸式屋面雨水排放系统立管要比重力流系统有所减少，由于雨水斗数量降低，而且使用悬吊管在立管中汇集。但是虹吸雨水系统立管管径比较大，要在管径中隐藏。重力流系统大部分都是单斗系统，导致建筑中立管比较多，影响了装修[3]。

3 系统的设计方法

3.1 设计原理

伯努利稳定水流能量为压力流屋面雨水排水系统计算的基础，此方程式满足稳定单向流满流的原理。管道系统每段距离压力损失的计算公式为：

其中ΔP指的是压力余量，PK指的是虹吸值，HK指的是虹吸雨水斗顶面到系统临界点的高度差，HR指的是虹吸雨水斗顶面到系统出口的高度差[4]。

计算之后要满足的标准为：铸铁管压力余量不能够超过1.5 mWC，HDPE管道压力余量在1 mWC以下；铸铁管允许最大虹吸值与HDPE管道设置为-9 mWC、8 mWC。

在设计实际工程过程中，充分考虑计算的误差，通过安全与其他因素对可以使用总水头留有余量进行考虑[5]。

3.2 确定雨水设计量

屋面雨水设计能力为相对的，通过雨水斗数量与雨水管管径设计雨水流量，其也是雨水系统合理设计的基础。不仅是雨水系统及时将屋面雨水排除室外的需求满足，还要使工程成本和运行成本得到降低。雨水设计流量指的是在单位时间中暴雨强度的屋面汇水面积降水量，通过当地暴雨强度的计算公式进行计算。设计的重现期指的是一定数量中余量资料要比暴雨强度降水时间间隔要大。设计的雨水流量关系着取值，重现期越长，就能够提高设计流量，安全性较高。

3.3 水力计算图绘制

在控制屋面雨水排水状态中，主要是利用雨水斗实现，避免因为雨水斗使空气进入到排水系统中，那么就要通过能够设计优化的反涡流功能盖罩压力流专用的雨水斗。利用建筑物结构、铺设的管道、屋面汇水等因素对雨水斗布置的位置进行确定。为了能够有效保证雨水斗温流性，相同系统和水要在相同水平面中布置。通过具体雨水斗型号和雨水流量、最大泄流量对雨水斗数量进行计算和确定[6]。

3.4 水力校核

为了能够使系统正常的运行，使满贯压力流设计工况得到满足，就要进行水利校核。也就是以各个管段初选管长、管径等，对管道位置水头、局部损失、沿程损失、节点压力等进行计算，从而使系统最大负压值能够满足实际设计需求，避免出现气蚀的情况而对管道造成破坏。如果计算结果无法使规定需求得到满足，要调整系统中部分管径，必要的时候还要重新布置系统，之后重复以上过程，直到满足校核需求[7]。

4 工程实例

某飞机维修机库的屋面面积为A=5 000 m2，为压力流屋面雨水排水系统。屋面设置为拱形，通过中线朝着两侧倾斜。一共设计24只雨水斗，每侧12只划分成为2个系统，每个系统中设置6只。

机库设置在某省某市，重现期设置为P=5a，设计手册r=5.38 L(s°100 m2)，机库雨水量设置为：

使用DN75压力流雨水斗，单斗排水量q=12 L/s，那么所使用雨水斗数量为：

N=Q/q=269/12=22.4 只

雨水斗设置为24 只，在取雨水斗排水量为12 L/s的时候，重现期设计比5a要大。

水力计算管系，利用Wxcel电子表格进行计算，根据系统图分段，将从雨水斗开始的各个管段的管长、流量、管段、管径的局部阻力系数和断面到雨水斗高度差进行写入，表中就会将单位长度阻力损失、管道流速、局部阻力损失、管段沿程阻力损失的压力值进行展现，并且对管件、管径的规格进行调整，还会对系统布置进行改变，使水力计算的需求得到满足。

其一，计算结果最远雨水斗到排水井口总压力损失设置为1 338.33 mbar，速度水头压力设置为26.82 mbar，压力余量ΔPr=230.93 mbar。

其二，在14断面处出现系统最大的负压值，压力设置为-571.96 mbar，比容许值要小。

其三，系统管段流速。系统各个管段最小的流速为7～8，

8～9断面中，流速设置为1.6 m/s，各个管段流速比1 m/s要大，自净能力良好。立管流速设置为5.97 m/s，和推荐控制值接近，不会出现大噪音。出口管出口流速设置为2.32 m/s，比控制值要小[8]。

通过上述校核，结算结果成立。

5 结语

在建筑屋面形式越来越多样化，压力流雨水排水系统使用较为广泛，通过多次降雨考验，运行情况良好。压力流雨水排水系统在此工程中成功使用，为今后设计提供了良好借鉴。