虹吸式屋面雨水排水系统施工技术研究

文／王佳 中铁建大湾区建设有限公司 广东广州 511455

引言：

上世纪六十年代在欧洲建筑行业内第一次提出屋面雨水利用虹吸效应进行排水，十年后便建成第一个“虹吸式屋面雨水排水系统”。对于一座大型屋面建筑，在确定使用虹吸排水时，应在屋面排水设计阶段做好各类准备工作及设计参数，如当地历年雨水降水量，选取管材的阻尼系数，屋面汇水面积，天沟的收水量等，并结合给排水施工中易出现的问题，在屋面雨水排水系统施工安装时，结合质量控制要点，提高虹吸排水的有效性和科学性，保证施工质量，发挥出虹吸排水的最大优势，在完成它的功能性作用下与建筑外观有效融合，提高建筑美学观感。

1、工程概况及系统组成

本工程为陕西秦龙现代生态智能创意农业园展览馆工程，屋面为网架结构，主体为钢框架结构，钢桁梁最大跨度为43m，建筑总长为266m，建筑面积为10255m，建筑层数为一层，建筑高度为27.5m，为不规则结构。屋面采用PTFE 双膜结构，屋面排水采用虹吸式雨水排水系统，该系统包含雨水天沟、防漩涡雨水斗、雨水平管、雨水立管。经过科学的计算，利用防漩涡装置控制斗前水流状态，在雨水斗的水位达到一定界值时，管道内会自然产生“压力差”，由此该系统会自动形成“虹吸压力流”；因此屋面虹吸排水系统具有排水速度快的特点，从而使雨水平管的安装不需要放坡，在虹吸状态下为满管流。该系统对安装空间要求不高，且用材节省，可以多个雨水口合用一根排水立管，并且排水功能相较传统重力式而言更加强大。但因该系统既要防漩涡，又会产生压力差，所以对雨水斗和管材要求较高，雨水斗经过特殊结构设计需防止水流涡旋，且能够进行水气分离。管材要求能够抗压抗冲击，稳定耐腐蚀，并且自重越轻越好。本工程选用高密度聚乙烯类管材。

2、虹吸式屋面雨水排水系统的工作原理

2.1 工作原理

屋面虹吸排水系统其工作本质为“压力流排水法（负压法）”。具体原理为在初降雨阶段，天沟内水面高度未漫过雨水斗时，水和空气可同时进入管道，此时整个系统工作状态同重力排水系统，该流态为“重力流”；若降雨持续增大，屋面积水越来越多，天沟内汇水即将没过雨水斗时，吊管内满管状态尚不稳定，仍有少许空气进入，此流态为“二相流”；若降雨继续增大，天沟内水深完全没过雨水斗，此时防漩涡雨水斗发挥作用，其特殊的结构设计让进入水斗中的雨水流态稳定持续，且不会产生旋涡现象，此时完全杜绝了空气进入，并且吊管内呈现满流，该流态为“满管压力流态”。屋面雨水在向下排出时本身具有势能，通过悬吊雨水平管在雨水立管中下落时产生“虹吸效应”。此时悬吊平管与立管接口处的负压力为最大值，该区域为“负压区”。因为屋面虹吸排水系统运行时存在有压状态下工作，所以悬吊雨水平管可以水平布置，节省空间；并且雨水在“虹吸状态”下流速很大，对管道还能起到自然清洁的作用。在相同管径排水管下，“虹吸式屋面雨水排水系统”的排水量远远大于“传统重力式排水系统”。 （图1）

图1

2.2 系统设计

虹吸式屋面雨水排水系统是一种“多斗压力流排水系统”，其力学原理为“伯努里方程”。

“伯努里方程”:

系统中每点的“压力计算公式”：

L-“管长”，R-“单位长度的阻力损失”，L×R-“沿程阻力损失”

依据《给水排水设计规范》压力流方程式：

Q-“流量”， C-“摩阻系数”，dj-“管道计算内径”

∑hj-“局部阻力损失”

关于“沿程水头损失摩阻系数C”：因为不同材质的表面摩擦阻力系数不同，甚至同一材质因等级的区别、生产的批次不同，表面摩擦阻力系数也会变化；此外路径越长，摩擦阻力越大，特别是“屋面虹吸排水系统”布设管路灵活，路径一般都比较长，这些都会影响“摩阻系数”的计算结果。

2.3 天沟设计

目前在我国建筑设计行业内对屋面虹吸雨水排水系统天沟的设计规范尚有欠缺，没有统一的标准和规定，有时甚至出现不同的设计人员计算出来的结果大相径庭。在天沟设计方面，我们整个建筑行业仍有待提高。

天沟设计计算公式：

当天沟坡度＞0.003 时，天沟的排水量应根据《室外排水设计规范》（GB50014-2006，2011年版）。

当天沟坡度≤0.003 时，宜采用《建筑与小区雨水利用工程技术规范》(GB50400-2006）。给出的以下公式计算：

式中Qdg—短沟设计排水量，L/s；

Qlg—长沟设计排水量，L/s；

kdg—安全系数；kdf—断面系数；

ω —水流有效断面面积，mm；

S—深度系数；X—形状系数；

Lx —长沟容量系数。

3、施工工艺流程和施工方法

3.1 工艺流程

具体工艺流程如下：

3.2 施工方法

3.2.1 测量计算

在进行现场实际测量时，要严格落实专项施工方案和规范标准，从施工图纸并结合现场提取所需材料的数量及规格，根据工期计划和进度需求，配备所需的人员和机具设备。

3.2.2 预埋预留

在进行屋面结构混凝土浇筑前，应提前埋设钢套管，套管应高出设计楼面标高至少5cm，排水管道在穿过地下室外墙位置应在地下室结构施工时提前埋置好防水套管。

3.2.3 管道预制安装

因为屋面虹吸排水系统对材料有抗压抗冲击的要求，且自重越轻越好，所以高密度聚乙烯HDPE 材质一般为常规首选材料。该材料一般采用“热熔焊连接”方式。在热熔焊接前应对焊口表面进行削切清理，使管材焊口处对接严密。焊口固定在夹具上校准对中，并保证焊缝轴向误差符合规范标准。严格按照材质本身特性选取适当稳定和界面压力，当管材焊口加热到规定的时间和温度后，将其取出并在规定的压力下自然冷却。

3.2.4 放线定位

为保证管道安装整齐美观、错落有致，在安装前要对整个排水系统路径走向、预留洞口、管道转向等进行定位放线，用墨斗弹出定位线，安装雨水管网时严格按照定位线控制管路走向，以达到管道间距匀称、横平竖直。

3.2.5 支架制作安装

支架的制作安装需严格按照施工图纸及相关规范标准执行。支架构件一般采用镀锌钢材，吊杆一般选用φ12 镀锌圆钢，悬吊雨水平管采用40＊40＊3 型角钢加吊杆固定。吊杆间距可控制在2.5-3m 范围内，吊杆长度一般大于1m 以保证雨水斗与雨水平管的距离。滑动管卡间距一般保证在10 倍的管径长度，且一般每间隔6m 设固定管卡。雨水立管管卡间距一般为20 倍管径长度，且每隔8m 设固定管卡。雨水平管接入立管位置即在最大负压力值处应增设紧固点。在系统安装时，为保持良好的水力状况应使用大曲率半径的弯头和顺水Y 型三通， 严禁使用T 型三通。悬吊管与立管、立管与排出管的连接应采用2 个45℃弯头或大曲率半径的弯头。

3.2.6 雨水斗安装

（1）对于未设计天沟的雨水斗安装，在进行屋面工程施工时，要对雨水斗预留孔洞进行保护。

（2）在完成屋面保温防水等一系列施工后，要先清理预留孔洞及周边杂物，清理干净后再进行防漩涡雨水斗安装。安装雨水斗分两部分组成，先安装斗体和落水口，再安装防涡流装置和防叶罩。雨水斗缘口处应低于屋面1cm-2cm，用防水砂浆填充紧密压实，SBS 防水卷材包裹落水口缘口不少于5cm，套上防涡流装置和防叶罩，并紧固好螺丝，再用密封膏封边处理，确保雨水斗水平牢固。

（3）虹吸式雨水斗与屋面或天沟和管路系统应可靠连接。

（4）系统接多个虹吸式雨水斗时，雨水斗排水连接管应接在悬吊管上，不得直接在雨水立管的顶部。

（5）接入同一悬吊管的虹吸式雨水斗宜在同一屋面标高。

图2

3.2.7 排水天沟与屋面接触面处的密封处理

因金属对热胀冷缩较为敏感，为解决此问题，天沟与屋面接触部位一般均为金属天沟的胀缩留有间隙，并未完全密封，因此此处极易发生漏水现象。因此在设计、施工过程中一定要重视天沟与屋面接触面的防水、密封处理。（三元乙丙柔性防水材料、丁基橡胶密封胶带）。

3.2.8 管道系统灌水试验

按照《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》要求采用“灌水试验”，在进行灌水试验前，先用堵水气囊试漏球将雨水管出水口处封堵严实，再从屋面雨水斗处灌入清水，直到整个排水系统灌满至天沟底面相平，满水状态保持“1h”无任何渗漏即为试验合格。

4、虹吸式屋面雨水排水系统中常见问题及处理措施

4.1 虹吸式屋面雨水排水系统的运行

在虹吸式屋面雨水排水系统中，经常会存在因为设计计算不全面或施工质量不达标，造成有些位置的雨水立管闲置，而有效位置的雨水管出现满载或超负荷的现象。由于虹吸式屋面雨水排水系统自身特点：雨水立管较少，单根立管辐射屋面汇水面积大；所以一旦出现系统功能不能正常运行，造成的后果将会比传统重力式排水系统更严重。因为虹吸式雨水斗超负荷容易出现满溢现象；而如果大面积雨水不能有组织排出，很容易对建筑物本身造成侵蚀。所以，这就要求虹吸式屋面雨水排水系统在设计和施工时一定要结合建筑自身特点，满足屋面排水需求。

4.2 虹吸雨水斗的安装

虹吸式屋面雨水排水系统在实际应用中，经常会发现不锈钢材质虹吸雨水斗和钢板材质天沟的焊口位置存在腐蚀现象，很容易出现渗漏。这是因为碳钢和不锈钢在进行焊接时，容易产生腐蚀电势，这两种金属间出现导电连接体时，焊接处就易锈蚀。该现象在南方潮湿环境下尤为明显，如果再让酸雨侵蚀，更会加速焊口处的腐蚀性。要解决此类问题，只有将虹吸式雨水斗和天沟都选用不锈钢（同材质）材料，焊接过程中也要选择同材质的不锈钢比（氩弧焊），焊接完成后及时用酸洗钝化膏进行处理即可。

4.3 屋面虹吸排水管材的选用

随着我国建筑行业的日益发展，雨水排水系统管材材质选择性也日益广泛。市场上常见的有不锈钢材质、铸铁材质和HDPE 材质。虹吸式屋面雨水排水系统在考虑其路径长和减少自重提高稳定性的前提下，对于使用HDPE 管不失为最佳选择。然而，虹吸效应对雨水平管造成的负压问题要予以一定的重视，虹吸系统在呈现满管压力流态时，在悬吊雨水平管和雨水立管交接处会出现最大负压状态。HDPE 管材对于正压力承压能力较好，但对于负压力往往承压能力较弱。在实际应用中，经常会出现HDPE 悬吊平管被吸扁凹陷而导致产生裂纹，严重的甚至会出现漏水。所以，在选用HDPE 管材时，管件和管材强度不应小于PE80 等级的，应严格按高密度聚乙烯材料管。

5、虹吸式屋面雨水排水系统质量控制关键点

（1）严格按照施工设计图纸并结合建筑给排水质量控制相关规范标准来编制切实可行的专项施工方案；

（2）在专项施工方案审批完成后，以专项施工方案为依据，进行施工技术交底的编制，施工技术交底中应详细说明施工工艺流程、质量控制标准、施工方法措施、安全注意事项等工作内容，务必做到能够切实指导现场施工；

（3）严格把握好材料质量关。对于质量不合格的材料一经发现坚决退场，对原材料的出厂合格证、质检报告进行鉴别，并对进场后的材料按量按批次进行取样并送第三方质检单位进行复检，出具合格检测报告后，该批材料方可投入使用；

（4）在施工过程中要严把质量关，严格检查每一个施工环节，把控好每一道施工工序，保质保量地完成施工任务；

（5）在施工完成后按照建筑给排水工程相关质量验收标准进行规范验收，确保施工质量验收合格。

结语：

经过一个雨季的检验使用，展览馆虹吸式屋面雨水排水系统能够很好地实现该建筑大面积屋面排水功能的使用要求。综上所述，随着我国建筑行业的不断发展，社会经济水平的不断提高，各种大跨度大面积屋面地标性建筑需求越来越大。因此，传统重力式屋面雨水排水系统的缺点就被无限放大，如雨水平管需放坡、雨水立管安装数量大、管道易堵塞、材料需求量大、空间占有率高，现场施工量大等各类缺陷；而虹吸式屋面雨水排水系统能够很好地改善传统重力式屋面雨水排水系统的各类缺陷，如排雨水速度快、不易堵塞、空间占有率低、材料用量少、成本节约、有自清洁功能、整套系统维护率低等优点，其科学性、经济学、美观性、安全性对比传统重力式排水系统均有显著优势。因此，虹吸式屋面雨水排水系统的应用必将成为大跨度大面积屋面建筑雨水排放的趋势和方向。