屋面虹吸式雨水排水系統(tǒng)施工技術
摘要：目前，絕大部分屋面雨水排水基本采用重力流排放技術排水，但隨著建筑技術的不斷發(fā)展，超大型建筑不斷涌現(xiàn)，對于結構復雜或屋面面積超大的建筑，這種技術就難以滿足。目前國際上虹吸式雨水排放技術已經很成熟。該技術利用虹吸原理，雨水排放過程中在管道中形成滿管壓力流，利用建筑物屋面高度和雨水所具有的勢能，產生虹吸現(xiàn)象，通過雨水管道變徑，在該管道處形成負壓，屋面雨水在管道內負壓的抽吸作用下以較高的流速被排出室外，從而迅速排出屋面積水。相對于普通重力流排水，虹吸式雨水排放系統(tǒng)排水管道均按滿流有壓狀態(tài)設計，懸吊管可以無坡度敷設。同時，當產生虹吸作用時管道內水流流速很高，相對于同管徑重力流排水管排水量大可以減少立管數(shù)量，排水過程快，減少屋面負荷的要求。通過對工程實例，介紹了虹吸式雨水系統(tǒng)的系統(tǒng)組成及工作情況，施工方法和質量保證措施，提出了施工運行中應注意的重點、難點及相應的解決措施，并相對于普通重力流雨水排放系統(tǒng)進行了經濟技術分析。
關鍵詞：屋面雨水 虹吸式 雨水 作用
0緒論
隨著建筑技術的不斷發(fā)展，大型屋面排水技術逐漸成為目前人們關注研究的課題。目前大型單體建筑如機場航站樓、展覽館、體育場、工業(yè)廠房等超大型建筑屋面跨度大、面積廣，屋面荷載承受能力較小，這就要求在降雨時屋面積蓄的雨水在短時間內能夠迅速排出。傳統(tǒng)重力流雨水排放系統(tǒng)要達到這一要求，就必須增加雨水斗數(shù)量及立管根數(shù)，加大立管管徑。而采用虹吸式雨水排放系統(tǒng)，系統(tǒng)管道中雨水流態(tài)為滿流有壓狀態(tài)，排水量大，排放迅速且立管根數(shù)少，管徑小，橫向懸吊管無坡度，能夠最大限度滿足建筑使用功能。
北京某工程屬于超高層的重點工程，原設計為重力流雨水系統(tǒng)，暴雨重現(xiàn)期為10年，后又提高暴雨重現(xiàn)期為50年，所以原設計管徑都需要加大，屋面雨水排放速度需加快，而地下室的結構已經封頂，防水套管已經施工完畢，如果更改拆改破壞量太大，又延誤工期，而且進行地下室綜合管線排布的時候，發(fā)現(xiàn)地下室管線錯綜復雜，不易滿足雨水大管徑重力流的坡度要求；重力流雨水系統(tǒng)的地上部分立管多，管徑小，空間有限不利于安裝和檢修。為了解決上述問題，經過分析比較，該工程選用了虹吸式雨水排水系統(tǒng)。通過這次改變，使工程復雜的雨水排放系統(tǒng)大大簡化。由于整個系統(tǒng)管道數(shù)量減少、管徑減小、水平管道無需考慮坡度要求，非常有利于地下室綜合管線的排布，即減小了施工難度又減少了施工成本。下面簡單介紹一下虹吸式雨水排放系統(tǒng)的原理和施工要求。
1、工作原理
虹吸現(xiàn)象我們在日常生活中經？梢钥吹健Ｈ缦聢D所示，我們把一根灌滿水的塑料管用手指堵住兩端分別放入魚缸和水杯中，同時放開手指，由于兩個液畫存在高差h1，此高差部分水在重力作用下流向水杯，從而使上部塑料管內產生負壓，魚缸內水就會被吸入塑料管，水就會不斷的從魚缸流向水杯。這就是虹吸現(xiàn)象。當魚缸與水杯液面高差越大時，塑料管內水流速度越大，排水越迅速。
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虹吸式雨水排放系統(tǒng)正是利用這一原理，利用建筑物屋面高度所形成的水頭來實現(xiàn)虹吸排水。降雨來臨時，屋面逐漸形成積水，由于采用了科學設計的防漩渦雨水斗，當屋面雨水高度達到一定高度，通過控制進入雨水斗的雨水流量和調整流態(tài)減少漩渦，從而極大地減少了雨水進入排水系統(tǒng)時所夾帶的空氣量，使得系統(tǒng)中排水管道呈滿流狀態(tài)，當雨水通過管道變徑時，在此處產生負壓，加速雨水的排放速度。
2、工作狀態(tài)
虹吸式雨水排放系統(tǒng)管內壓力和水的流動狀態(tài)是不斷變化的過程。降雨初期，雨量一般較小，懸吊管雨水流態(tài)是有自由液面的波浪流。根據(jù)雨量大小的不同，部分情況下初期無法形成虹吸作用，是以重力流為主的流態(tài)。隨著降雨量的增加，管內逐漸呈現(xiàn)脈動流，拔拉流，進而出現(xiàn)滿管氣泡流和滿管汽水混合流，直至出現(xiàn)水的單相流狀態(tài)。降雨末期，雨水量減少，雨水斗淹沒泄流的斗前水位降低到某一特定值(根據(jù)不同的雨水斗產品設計而不同)，雨水斗逐漸開始有空氣摻入，排水管內的虹吸作用被破壞，排水系統(tǒng)又從虹吸流狀態(tài)轉變?yōu)橹亓α鳡顟B(tài)。在整個降雨過程中，隨著降雨量的增加或減小，懸吊管內的壓力和水流狀態(tài)會出現(xiàn)反復變化的情況。與懸吊管相似，立管內的水流狀態(tài)也會從附壁流逐漸向氣泡流，氣水混合流過渡，最終在虹吸作用形成的時候，出現(xiàn)接近單相流的狀態(tài)。
3、系統(tǒng)組成
3．1 雨水斗
一般來說，雨水斗的設計是整個虹吸系統(tǒng)的能否按設計要求工作的關鍵所在之一，它的穩(wěn)流性越好，產生虹吸所需的屋面匯水高度越低，總體性能就越優(yōu)越。
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標準型的雨水斗，是由雨水斗底盤、夾圈、空氣隔板、格柵外罩蓋組成。另外根據(jù)需要可提供通用型的絕緣底座，固定件，法蘭片，焊接片，防火保護帽，微型加熱電圈等配件。雨水斗材質為HDPE、鑄鐵或不銹鋼。其各部分有不同的結構功能。雨水斗置屋面層中，上部蓋有進水格柵。降雨過程中，雨水通過格柵蓋側面進入雨水斗，當屋面匯水達到一定高度時，雨水斗內的反渦流裝置將阻擋空氣從外界進入同時消除渦流狀態(tài)，使雨水平穩(wěn)地淹沒泄流進入排水管。
3．2 系統(tǒng)管道
管道作為虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)最主要的部分，而管道的變徑可以加速雨水的排放和流量，必須確保系統(tǒng)安全可靠，高效持續(xù)的運行。虹吸式系統(tǒng)作為一個特殊的排水系統(tǒng)，正常工作運行時管道內呈負壓狀態(tài)，因此管道的管壁必須具備相當?shù)某袎耗芰，管道接口必須完全的密封防止空氣進入管道內出現(xiàn)氣團，破壞虹吸作用。同時管道要具有較高的防火性能，并且做到盡可能降低噪聲，吸收震動，抗擊沖擊外力，最大程度滿足抗溫度變化引起的形變。
目前虹吸式雨水管道系統(tǒng)一般采用鍍鋅無縫鋼管溝槽管件連接、不銹鋼管或HDPE管粘接。
北京某工程虹吸式雨水排放系統(tǒng)就選用鍍鋅無縫鋼管，連接方式為溝槽連接。鍍鋅無縫鋼管作為傳統(tǒng)的管道材料能夠滿足虹吸式雨水系統(tǒng)的承壓要求和防火性能。但普通的溝槽連接管件不能滿足系統(tǒng)抗負壓要求，如下圖：
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因此必須采用專門設計的抗負壓的溝槽管件，在正負壓不同狀態(tài)下，通過不同的密封點而保證系統(tǒng)的密封性。同時溝槽管件中管頭縫隙還可以消除因熱脹冷縮而產生的管道位移。如下圖所示：
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4、系統(tǒng)安裝
4，1雨水斗安裝
雨水斗的安裝位置應滿足以下要求：
(1)雨水斗離墻至少1米。
(2)雨水斗之間距離一般不能大于20米。
天溝雨水斗安裝：在屋面防水層施工前安裝不銹鋼底盤放在預留孔的正上方，確保底盤與面板頂面標高保持一致，同時用混凝土封堵尾管與預留洞之間的空隙。在混凝土封堵完成后，土建方開始進行防水施工，但要保證防水層不超過規(guī)定界限(如圖)。防水施工完成后，安裝夾圈，防水保護層及找平層做到夾圈的邊緣。在屋面工程結束，管路系統(tǒng)安裝完畢后安裝空氣擋板或隔柵防護罩。
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圖為北京某工程已安裝完的雨水斗和閉水試驗中的雨水斗:
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4．2管道安裝
鍍鋅無縫鋼管采用卡箍連接，按照設計坐標、標高位置，現(xiàn)場實測尺寸進行劃線切割、下料，預制管道。管道斷口需用鋼銼挫掉毛刺進行防腐處理，用專用滾槽機壓出槽口，將兩段管段對齊用專用卡箍卡緊。按管線坐標位置放線安裝固定支吊架將管段水平吊裝。嚴格按圖紙施工，特別是變徑位置必須在設計位置的±0．20m以內。
4．3檢驗與試驗
在系統(tǒng)管路安裝完成后，排水管道按規(guī)范要求做灌水試驗。系統(tǒng)灌水試驗合格后，還需要做排水性能試驗。虹吸式排水系統(tǒng)可以采用以下三種實驗方法：
(1)、單位時間內水容積增減的方法(適用于混凝土屋面)。先將排水系統(tǒng)的立管出口密封并將對應的排水區(qū)域分開設立儲水區(qū)，然后向儲水區(qū)內持續(xù)加水(要求水深小于0.5米，供水量應滿足按設計排水量排放一分鐘)。打開排水出口5秒鐘后，記錄30秒內屋面水面的變化量并計算：排水能力(升/秒)：水容積變化量/30秒
(2)、管道流量計測量的方法。在排水系統(tǒng)排出干管部分安裝流量計，并密封出口，將對應的排水區(qū)域分開設立儲水區(qū)，然后向儲水區(qū)內持續(xù)加水(要求水深小于0.5米，供水量應滿足按設計排水量排放一分鐘)。打開排水出口5秒鐘后，記錄30秒內流量計顯示的數(shù)值并計算平均值為其排水能力。
(3)、采用降雨時實際觀測來計算雨水的排水能力的方法。降雨量依據(jù)當?shù)貧庀蟛块T監(jiān)測數(shù)據(jù)。
5、技術要點
虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)，系統(tǒng)排水管道均按滿流有壓狀態(tài)設計，因為整個系統(tǒng)的正常運行依靠虹吸作用，所以確保產生并維持虹吸作用的技術要點是保證系統(tǒng)正常運行必要條件。
5．1 水的持續(xù)流動性
在保證水流方向的持續(xù)流動性是維持虹吸作用的關鍵。特別是在管道轉彎角度相對較大，甚至呈90°的時候，很有可能因為管內流速的突然下降而引起虹吸作用被破壞。因此，當水流有90°的方向改變時，此處彎頭的連接方式，必須注意設計一個銜接管段，以保證流速不會突然大幅下降，而是維持上升的狀態(tài)，從而整個虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)得以正常運行。當系統(tǒng)中出現(xiàn)90°T型支管時，當橫管內水流以較快的速度沖向管壁突然遇到阻礙，在極短的時間內速度降為零。一方面對于管壁形成極大的沖擊，另一方面，水流撞擊管壁后又以一個與初始方向相反的速度，迅速的在管內形成回流，這樣，兩股方向相反的水流在管內沖撞，很容易形成水塞，阻礙排水管排放，破壞虹吸作用。因此，在施工時可根據(jù)管道的空間和環(huán)境情況來進行選擇相應的解決方式。例如在拐彎或支管匯集處可以采用相對較大的管徑起緩沖作用，或在拐彎彎頭處采用雙45°彎頭、支管匯集處采用斜45°三通以避免出現(xiàn)90°變化的銜接管段。
某工程為超高層建筑，為保證整個系統(tǒng)的安全，虹吸式雨水系統(tǒng)管道材質選用鍍鋅無縫鋼管，而無縫管成品管件中沒有45°三通，為此為滿足系統(tǒng)要求，我們自己精細加工出各種規(guī)格的45°三通，壓完槽后進行二次鍍鋅處理，解決了無縫管成品管件中沒有45°三通的問題。(如圖為我們加工的三通用于系統(tǒng)安裝中)
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5.2 氣水混合流的影響
當系統(tǒng)管道內形成虹吸作用時，由于可供使用的管道管徑不一定恰好是計算所得的管徑尺寸，因此管道內部會有很多溶解在水中的小氣泡，并不是完全理想化的液體單相流。這些微小氣泡在流動過程中會逐漸釋放，然而這種氣水混合流而非氣水兩相流的流態(tài)，仍可以被看作虹吸作用，是允許存在的狀態(tài)，并不影響虹吸作用的形成，也不影響系統(tǒng)的排水能力。影響管道內水的流態(tài)的另一個重要因素是系統(tǒng)內各部分的負壓，負壓過大時會導致管內流速過快，發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，對于金屬管道產生極大傷害。同時負壓過高，系統(tǒng)內小氣泡會在負壓作用—卜破裂使管道系統(tǒng)產生劇烈震動，減少系統(tǒng)使用壽命。因此在虹吸式雨水管道計算時要求管道內負壓不超過-0.08Mpa(氣蝕臨界值約為-0.092MPa)。
但是，溶解在水中的氣泡并不意味著管道內的氣團。如果排水管道內，中間部分是氣團，沿壁部分是水流，這樣就是傳統(tǒng)重力雨水排放系統(tǒng)的管內流態(tài)。管道內氣團的存在，嚴重影響虹吸作用時管內滿流狀態(tài)的形成，水流在管內的充滿度相當?shù)，大大減小了系統(tǒng)的排水能力。
5．3系統(tǒng)的一體性和密封性
為保證虹吸排水的產生和持續(xù)作用，就要求從雨水斗到管道系統(tǒng)的整套排放系統(tǒng)必須是一體的，各部分緊密相連。如果雨水斗有一個完全敞開的入口，空氣就會在水流旋轉作用的帶動下，從入口出進入整個雨水排放系統(tǒng)，這樣就根本無法形成滿流的虹吸狀態(tài)，整個系統(tǒng)也不再是高效的虹吸式排放系統(tǒng)了，實際上已經作為一個傳統(tǒng)的重力式排水系統(tǒng)在工作了。但是，重力式排放系統(tǒng)為了達到比較好的排放效果，在安裝管道時要求懸吊管的最小坡度為2％。而虹吸式系統(tǒng)的懸吊管安裝坡度為零，沒有重力勢能的作用，整個系統(tǒng)無法有效進行排水。因此，只有當雨水口的入口處半敞開時，才能有效阻止空氣隨時進入系統(tǒng)，當斗前水深滿足一定要求時，能夠形成水封，完全隔斷空氣，迅速形成虹吸作用。除了必須保證入口處有效阻止空氣進入，還必須保證系統(tǒng)管道中沒有空氣進入。所以，另一個要求就是系統(tǒng)的完全密封性，要保證管道無滲漏。因為在虹吸作用時，管道內的水流是壓力流的狀態(tài)，一方面管壁承受壓力，承插口處同樣受壓，容易發(fā)生滲漏；另一方面，一旦發(fā)生滲漏，則管內壓力狀態(tài)改變，影響正常的虹吸作用。
6、效益分析
傳統(tǒng)重力流雨水排放系統(tǒng)與虹吸式雨水系統(tǒng)相比管道內雨水流態(tài)是不一樣的。在重力流系統(tǒng)中，水沿著立管的管壁流下，中間形成空氣柱，在懸吊管段水依靠重力非滿管水平流動，一般情況下，管材斷面約1/3為水，2/3為空氣。如下圖：
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根據(jù)《建筑給排水設計規(guī)范》第4.9.20規(guī)定，重力流屋面雨水排水管系的懸吊管應按非滿流設計，其充滿度不宜大于0.8，管內流速不宜小于0.75m/s。且坡度不宜小于0.5％，需要較大的懸吊管管徑和坡降。同時為了在同一根雨水管上的各個雨水斗的雨水能夠正常排放，因而限定一根雨水懸吊管的雨水斗的數(shù)量不得超過4個，這也導致了雨水懸吊管和雨水立管數(shù)量的增加，同時增加了屋面荷載，也增加了工程的造價。重力流屋面排水系統(tǒng)受其水力特性的限制，造成排, 水立管多，管徑偏大，排水能力偏小，對于大面積工業(yè)廠房及公共建筑屋面排水系統(tǒng)則更顯突出。同時，由于懸吊管需要一定的坡度，將影響建筑空間的利用。
某工程地下建筑面積6萬平米，排出室外的地下一層雨水管道跨度長，按重力流大部分的雨水管道坡度按0.5％計算坡降有40公分，選用虹吸式雨水排放系統(tǒng)后，由于雨水管道無坡度要求，管徑又縮小，大大提高了地下室空間的利用。為地下室錯綜復雜的機電管線排布提供了便利。
由于虹吸式雨水系統(tǒng)管道排水均按滿流有壓狀態(tài)設計，排水管泄流量要遠大于重力排水系統(tǒng)中同一管徑排水管的泄流量，也即排出同樣的雨水流量，采用虹吸排水系統(tǒng)的排水管管徑要小于采用重力排水系統(tǒng)的排水管管徑。由于虹吸排水系統(tǒng)中雨水懸吊管內水流在負壓抽吸作用下流動，懸吊管可做到水平無坡度敷設，懸吊管接入雨水斗的數(shù)量不受限制，可以減少雨水立管的數(shù)量，便于建筑空間的利用。
某工程原設計的重力流雨水系統(tǒng)雨水立管數(shù)為22根，采用虹吸式雨水系統(tǒng)后雨水立管由原來的根減少到12根，同時由重力流雨水系統(tǒng)中系統(tǒng)最大管徑DN250減小到虹吸式雨水系統(tǒng)中系統(tǒng)最大管徑DNl50。
虹吸式雨水斗排水量遠遠大于普通重力流雨水斗，能夠迅速排出屋面雨水，雨水斗前水深較淺，降低了建筑物物面荷載的要求，能夠大大節(jié)約工程造價。同時，當產生出虹吸作用時管道內水流流速很高，因此系統(tǒng)具有較好的自清功能，管道不易堵塞。如下圖：
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虹吸式雨水系統(tǒng)與傳統(tǒng)重力流雨水系統(tǒng)優(yōu)缺點見—F表：
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從上表可以看出，虹吸式雨水系統(tǒng)除在雨水斗布置、管線走向布局方面便于建筑空間設計有利于裝飾裝修外，由于管徑小、立管根數(shù)少，降低屋面荷載要求，對于大型建筑可以在一定程度上降低工程造價。以北京某工程雨水系統(tǒng)為例，設計采用虹吸式雨水系統(tǒng)，鍍鋅無縫鋼管溝槽連接。選取其中一根雨水管道,設計流量為27.61升/秒,屋面高度223米。分別按虹吸式雨水系統(tǒng)與傳統(tǒng)重力流雨水系統(tǒng)計算造價,見下表:
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由上表可以看出，雖然虹吸式雨水斗價格較高，但由于管道管徑較小，總造價反而比重力式雨水系統(tǒng)造價要低。如綜合考慮降低屋面荷載、節(jié)約建筑空間，便于裝飾裝修等因素，虹吸式雨水系統(tǒng)會具有更大的優(yōu)勢。
7、結束語
屋面排水技術的發(fā)展史經歷了重力流技術、重力一壓力流技術、虹吸一壓力流技術。先進的虹吸技術應用于屋面雨水排放，有效解決了超高建筑、超大屋面的雨水排放問題。虹吸式雨水系統(tǒng)采用強制虹吸式雨水斗，斗前水深較淺，產生虹吸的效率很高，系統(tǒng)對屋面的負荷要求較小。該技術對系統(tǒng)的整體性及計算精度有很高的要求，采用全系統(tǒng)壓力平衡計算，現(xiàn)在已經開發(fā)出相應的計算機軟件用于水力計算。虹吸式雨水排放技術作為一項日趨成熟的雨水排放技術逐漸成為大型建筑雨水排放設計施工的首選。
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