虹吸式雨水排水系统技术分析及建筑给排水设计应用

戴宁晨

（安徽省建筑设计研究总院股份有限公司,安徽 合肥 230000）

1 工程概况

建筑总用地面积为35hm2。通过平滑弧光照明廊道将体育馆和展览中心整合在一起，通过变形缝将工程分为体育馆和展览中心两个子项目，由于篇幅有限，这里只介绍体育馆部分。体育馆建筑面积81888m2。这是一栋三层的单层建筑。建筑总高度约50.55m,共有8468个座位，可容纳8000 人左右，可承接演唱会等大型文体活动。

2 顶板特征

体育馆屋盖跨度大，形状复杂，屋盖重叠，整体呈螺旋状态。屋面材料采用1.0 mm厚轻质铝镁锰合金板。顶板不仅重量轻（密度2700kg/m3），而且能与大气相结合，进而形成一层保护膜，从安全的角度出发，是为了防止发生腐蚀的现象，延长它的使用寿命。工程的屋面属于异形屋盖，它的内部关系相互交错，十分复杂，最高点的高程达到34.39m，最低点高程为7.8m，间距十分大。根据屋面标高的关系，将体育馆屋面分为六个分区，共有七个水沟。各分区的平均坡度和排水沟位置如图1 所示。

图1 屋面分区及天沟布置示意

从图1 可以看出，有许多屋顶区域，不同的区域有不同的大小。其中，E 区和F 区为垂直玻璃天窗，相当于比D 区和C 区高的侧墙。在对C 区、D 区各自的汇水面积展开计算时，应计入一半E 区、F 区域的垂直投影面积。

3 系统选型与具体的参数设计

3.1 系统选择

选择这个排水系统[1]有很多优点，比如排水能力特别强、排水速度快、悬移管少、立管数量少，可以应用在多种场所，解决大面积屋面的排水问题。但是该系统不适合在屋顶设置排水沟，只适用于排水沟系统。在这种情况下，体育馆的屋面十分容易集水，当遇到连雨季的时候，特别容易漏水。若是选择半加压水流系统，则需要DN150 规格的雨水斗100 个，需要的立管、雨水桶、威尔斯和出水管的数量过大。此外，A 区和B 区的立管位置正好在场地中央，十分影响室内的美观。在对上述三种不同系统各自的优缺点进行逐一比较后，根据体育馆屋盖的特点，在雨水系统的最终设计中采用虹吸式雨水排水系统，有效的避免了立管安装量过多的问题，同时也减少了悬吊管坡度对室内游隙的占用。

3.2 选用适宜的设计重现期

设计雨水系统的时候需要选择江门市对应的暴雨强度公式：

本工程的屋面结构十分复杂。例如A 区和B 区，它们这两个部分的屋顶是对称分布的，屋顶的坡度倾斜度高达20%，金属屋顶表面光滑。实际降雨持续时间可能小于10min，导致降雨量无法估计[2]。本次设计重现期有三种方案可供选择，可以根据实际的情况择优选择。第一种方案，在计算雨水量的时候选择的设计重现期是50 年。该方案基本满足“屋面排雨水系统的总排水能力，还有溢流设施寿命在50 年以上重现期”的设计要求。第二种方案，采用100 年设计重现期计算雨水量，此方案已经在国际大会议中心等大型屋面工程中多次采用[3]。第三种方案计算的时候，也是按设计重现期为50 年，雨水流量加大了1.5 倍安全系数。同时，因本工程属于金属屋面要求完全无渗漏，计算降雨量的时候，将径流系数Ψ 取值为1.0。以区域A 为例，对比采用三种不同方案所得的雨水量、各自悬浮管流速、整个系统失水量、虹吸启动时间和虹吸形成时间的计算值，并将具体的比较结果列于表1。

表 1 三种方案对比

从表1 可知，三种方案进行对比数据，方案2 的悬吊管速度最大，而方案1 和3 的速度都是一样的，系统的总失水量相较于方案1 和3 是最小的，虹吸系统的启动时间，还有虹吸的具体形成时间根本不需要多大的延长，相差都不到2s，体现出来的优势十分显著。故而，在设计体育馆雨水系统重现期时设定为100 年，屋面汇集的雨水总量可以达到为2113.32L/s。

3.3 选择流量的修正系数

A 区和B 区较高，立管位于体育场外围，悬吊管长40m。与其他地区相比，虹吸时间较长。暴雨时，上集水井可能溢出。部分雨水自由流向下一个集水区，即C 和D，因此在计算雨水量时，两区针对流量计算应增加修改正系数，可参考面积比制定修正系数，取值为1.2。

4 天沟槽设计

4.1 天沟渗漏原因分析及处理

不锈钢和碳钢虽然是由同一种化学元素构成，但是它们却有着不同的电位。在一些情况下，这两种材料一旦焊接在一起时，尤其在潮湿的条件下，它们特别容易形成原电池反应，发生的过程十分迅速，作为负极材料的碳钢就会被腐蚀。而且当两者连接起来时，铁离子也会对不锈钢造成污染，从而使不锈钢表面涂覆的氧化铬层被破坏并导致晶间腐蚀。尤其是我国的南部，降水量充沛。雨水结合空气成分中的SO2和NO2等形成酸雨，使焊接部件被腐蚀得更加迅速。故此，本工程虹选择用不锈钢材料，并采用不锈钢焊丝通过氩弧焊方式制作吸雨水斗跟沟槽，这样一来就能够最大限度地减缓雨水斗和雨水沟的腐蚀速度。

4.2 淹没汇流威尔斯和挡板

在安装雨水斗的位置上额外设置小型的沉降集水井一个，实现雨水纠偏与收集功能。沉降集水井的设置规格必须满足安装雨水桶在空间方面的要求，同时还要满足桶前水深的要求，且降雨重现期至少为5s，重现期为50年。在检查和计算所有集水区后，确定下沉集水区威尔斯的大小。不锈钢沟槽和集水威尔斯用氩弧焊焊接。焊接时要求全焊，焊接后，不锈钢沟槽和集水威尔斯抛光，使其光滑，防腐。为了解决Tiangou 沟大坡度的问题，在Tiangou沟每5m 安装一个挡水板，不仅控制流量，而且有效防止异物进入排水口。挡板高度比雨水斗高100mm，挡板长度按沟宽的60%布置。

4.3 天沟槽膨胀节的优化处理

为了减小伸缩缝带给虹吸系统的不良影响，本方案对排水系统进行了局部优化。在排水沟上面的伸缩缝位置上采用两种不同的搭接方式进行处理，在伸缩缝搭接位置上设置一处C 形挡板，让雨水无法自伸缩缝当中渗出，搭接处的密封处理，选用丁基胶带沿三个方向密封。伸缩缝经过搭接密封处理后，就不会成为引起雨水路径的改变，使雨水虹吸系统能够更加完整、更加安全。

5 垂直闩锁系统和管道通道

5.1 垂直闩锁系统

铝镁锰合金立缘锁紧系统用于本工程屋面金属外板。在同一边坡下，最长的板长是最不利的条件，最小坡板和最长板长是不同边坡验算最不利的条件。只要板的排水能力大于最不利板的最大降雨，垂直边缘锁定系统就是一个安全系统。垂直边缘锁定系统在具有不同梯度的相同梯度和面积C 的区域A 中被检查。为了证明该系统是安全可靠的，工程典型区域垂直边缘锁定板的排水能力必须大于100 年，并且排水的能力应该为雨水的65 倍及以上。

5.2 管沟

为了防止因沉降引起的管道损坏，在钢筋混凝土管沟中敷设了供水系统和消防系统的进出管和排水系统的出口管道。管沟内管道结构十分特殊，一般会用砖墩作为支撑，墩宽的直径为管径的长度再加上200mm。正确地使用管沟，才能更好地解决了埋地管道的后期维护工作。

6 结语

综上所述，本文着重分析了屋面雨水排水系统的设计过程，通过对屋面及建筑物特征分析计算雨水系统及雨水量，并且结合屋面实际状况得到修正系数，进一步完善雨水排水系统的设计。对于沟槽大坡度的钢沟，可以采用沉降集水、挡水板和氩弧焊等措施来提高沟槽的排水安全性。针对竖向侧向锁定顶板的结构特点，设计时应对侧板的排水安全进行液压校核，在不满足排水要求时，应调整侧板的高度或宽度。对于淤泥质地区的工程，可在沟内设置管沟和管墩，防止因不均匀沉降造成的管道损坏。