虹吸雨水的設計與若干問題析

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摘要：虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)是當今公認的較為先進的屋面雨水排放系統(tǒng),然而經過大量的理論研究和實際應用發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的重力式屋面雨水排水系統(tǒng)相比有其獨特的優(yōu)勢,但也存在一些不可避免的缺陷,所以實際工程中究竟選用何種屋面雨水排水系統(tǒng)要綜合多種因素確定。

關鍵詞：虹吸屋面雨水 排水系統(tǒng)  abstract: siphon type roof rainwater drainage system is now recognized as one of the more advanced roof rainwater drainage system, howevers, after a lot of theoretical research and practical application found that the system had its unique advantages comparing with the traditional gravity roof rainwater drainage system，but there are also some unavoidable defect, so in practical engineering how to chose roof rainwater drainage system should consider many factors..  keywords: siphon， roof rainwater， drainage system  虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)也稱壓力流排水系統(tǒng),是當今國際上較為先進的屋面雨水排放系統(tǒng),最早于1968 年在歐洲提出。1972 年瑞典建成了首個商業(yè)化的虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)。經過國際上水力學和工程學方面專家的努力,近年來發(fā)展迅速,相繼在歐、美、日本等許多國家得到推廣。我國大約在2001 年開始應用,而且很快被廣泛應用于大型廠房、展覽館、候機樓、商業(yè)中心、倉庫、辦公大樓、體育館等跨度大、結構復雜的屋面,是解決屋面雨水排水的有效方式。而筆者經過大量的理論研究和實際應用發(fā)現(xiàn),這種新型的屋面雨水排放方式既有優(yōu)勢又有弊病。  1.工程概況  1 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)簡介  111 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的組成  虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)由虹吸式(防漩渦) 雨水斗、雨水懸吊管、雨水立管和雨水出戶管組成。其中雨水斗需用防漩渦的虹吸式雨水斗,雨水懸吊管無需坡度。  112 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的形成及工作原理  經過大量的實驗研究發(fā)現(xiàn),虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)內管道的壓力和水的流動狀態(tài)是變化的。形成虹吸式水流其流態(tài)需經歷波浪流、脈沖流(脈動流) 、活塞流(拉拔流) 、泡沫流(乳化流) 、滿管流等五個階段。在降雨初期,雨水排水系統(tǒng)懸吊管內的雨水為非滿管流,以波浪流和脈沖流為主,系統(tǒng)處于重力流狀態(tài)。隨著雨量的增大則斗前水深逐步增大,水流逐步過渡到活塞流和泡沫流并間隙性地產生虹吸滿管流流態(tài),懸吊管內出現(xiàn)較明顯的負壓。虹吸的形成使系統(tǒng)排水能力突然增大,斗前水深又會回落,系統(tǒng)重新回到重力流方式。這種變換會來回持續(xù)一段時間,直到降雨量進一步增大,斗前水深趨向穩(wěn)定,系統(tǒng)摻氣量減少,最終形成穩(wěn)定的虹吸滿管流[2 ] 。形成虹吸滿管流時盡管雨水可以充滿管道,但水中仍會有少量氣體摻入,只要水氣比> 95 % ,就可近似地把水流看作是恒定流且不可壓縮,這樣虹吸滿管流便成為一相流狀態(tài)下的滿管流?？紤]實際液體的粘滯性,系統(tǒng)的工作原理就符合伯努利方程(恒定總流能量方程) [3 ] :  列出雨水斗水面1-1 和管道中任意斷面x-x的能量方程(如圖2) :  式中, z1 、zx 分別為斷面1-1 和斷面x-x 的位置水頭; p1/γ、px/γ分別為斷面1-1 和斷面x-x 的壓強水頭; v1 2/2 g 、vx 2/2 g 分別為斷面1-1 和斷面x-x 的流速水頭; h′w 為斷面1-1 到斷面x-x 的水頭損失。當式中p1 = 0 ;因v1n vx ,則v1≈0 ,取v1 = 0 ;令δz = z1 - zx ,可得  從式(3) 可以分析斷面x-x 的壓強變化(如圖2) : x-x 斷面在水平懸吊管上時,δz 不變,且其值較小;而虹吸式雨水斗有較大的水頭損失,而且隨著x斷面向立管一側移動,管道的水頭損失還會較快增加;加上x-x 斷面較1-1 斷面小得多,則vx 值較大。所以懸吊管內從雨水斗到立管將呈不斷增大的負壓,在與立管的交叉點處負壓最大。從立管與懸吊管交點向下,δz 值迅速增加, vx 值保持不變,而h′w增加緩慢,所以立管內的負壓值也隨之很快減少至零,繼之出現(xiàn)逐漸增加的正壓,立管底部達到最大值后再逐漸減少,正壓逐漸被消耗,至排水井處與大氣相通,管道中的壓力為零,雨水斗的進水水面至排出口的總高度差,即有效作用水頭,全部用盡。  在實際工程設計中,考慮到計算的誤差,也基于安全及其他一些因素,對可利用的總水頭需留一定余量。對于高大建筑,可利用的總水頭比較富裕,臨界點宜選在排水管的出口處,把排水出戶管列入壓力管段的計算范圍,以減少該管段的管徑,降低造價;反之,如果建筑物的可利用總水頭不太富裕,則可以把臨界點的位置移到立管的下部,排出管按重力流計算,節(jié)省一些水頭損失,使系統(tǒng)在虹吸狀態(tài)下能正常工作。  2 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的利弊分析  2.1 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的優(yōu)勢  根據(jù)虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的形成與理論分析可見,該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的重力式屋面雨水排水系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)勢:  (1) 可充分利用屋面至地面排出管的位能,提高管內流速,減小管徑;  (2) 由于虹吸排水系統(tǒng)中排水管均按滿流有壓狀態(tài)設計,因此雨水懸吊管可做到無坡度敷設,管道安裝要求空間小,方便設計和施工;同時節(jié)約了寶貴的建筑空間;  (3) 當產生出虹吸作用時管道內水流流速很高,因此,系統(tǒng)具有較好的自清作用;  (4) 懸吊管接入的雨水斗數(shù)量多,在滿足水力計算要求下,接入的雨水斗數(shù)量不受限制,據(jù)實際經驗知懸吊管的長度可達150m 左右,從而減少了立管的數(shù)量,也可減少與室外管道的連接管和埋地管長度,地下部分工作量少,造價低。  2.2 虹吸式屋面排水系統(tǒng)對管材的要求  虹吸式屋面排水系統(tǒng)對管材的選取有以下更高的要求:  (1) 承壓能力強高層建筑屋面雨水排水如采用虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)對管材的承壓能力要求更高;  (2) 管材質量輕由于虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)管道的重量需由建筑結構承擔,所以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、高效工作的前提下減小管道系統(tǒng)的重量對于降低整個工程造價起著非常重要的作用,尤其是一些大型鋼結構屋面的虹吸式排水,合理地選擇管材能減少屋面結構的用鋼量;  (3) 管道密閉性能好 密閉性是形成虹吸排水的前提,許多虹吸屋面排水系統(tǒng)的事故都是由于管路系統(tǒng)的密閉性能差而造成的;  (4) 需要管道具有良好的吸收震動特性為了確保系統(tǒng)的使用壽命,保證其可以安全穩(wěn)定的運營,要求管道具有良好的吸收震動特性。  (5) 對管件的特殊要求首先要與管材材質相同,以簡化水力計算,同時保證系統(tǒng)管材連接的統(tǒng)一性,降低連接處滲氣的可能性;其次為保持良好的水力狀況,避免形成水塞,應使用大曲率半徑的彎頭和順水y型三通,嚴禁使用t 型三通。  2.3 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的弊端  在理論研究與實際工程設計中發(fā)現(xiàn)虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)存在以下的弊端:  (1)虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的設計從理論上說,其水力計算是系統(tǒng)管道在設計流量下的全部阻力損失與天溝水位具有的位能相平衡為基礎?？傋枇Τ^天溝水位的位能,屋面將開始積水,所以實際上是一種極限設計法,它對超設計重現(xiàn)期流量沒有調節(jié)能力,有人提出設置溢流設施,即設置溢流口、溢流堰、溢流管系等溢流設施。這樣會增加屋面雨水排水系統(tǒng)的造價,同時溢流排水有可能危害建筑設施和行人安全。  (2) 虹吸式雨水系統(tǒng)的設計關鍵是精確地進行水力計算,而計算中所采用的阻力降公式本身存在較大的誤差,若只作粗略估算,則可能使計算結果與實際阻力降相差很大,導致工程上造成不必要的浪費或排水能力達不到要求。而目前國內缺乏適合的計算軟件,所以設計本身就可能存在問題。  (3) 對于低層建筑和小型屋面的建筑虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)使用受限。建筑物如沒有足夠的高度,可利用總水頭小,體現(xiàn)不出虹吸式屋面雨水系統(tǒng)的優(yōu)勢;小型屋面因雨水量太小,相應選擇的雨水管徑也小,實際運行中很小的管徑在建筑屋面施工時很容易被施工垃圾堵塞,甚至較小的屋面垃圾也容易堵塞管道,所以,虹吸系統(tǒng)設計時不宜使用50mm以下的管道;而不穩(wěn)定的水量(如陽臺) 是無法計算設計水量的,也不能用虹吸式屋面雨水系統(tǒng)處理。  (4) 虹吸排水系統(tǒng)立管數(shù)量較少,易產生一根排水立管發(fā)生故障,屋面排水系統(tǒng)癱瘓的嚴重問題。  (5) 因產生虹吸所需天溝壅水高度較高,所以雨水斗下沉深度較大。  (6) 大量實際工程的計算經驗證明當懸吊管水平長度不超過有效高差10 倍時,虹吸排水系統(tǒng)是經濟的,但在高度與長度比值較小的情況下用虹吸排水系統(tǒng)就不經濟。  3 結語  屋面雨水采用哪種排水方式應綜合考慮建筑形式、建筑高度、屋面面積、屋頂結構、排水斗和雨水斗布置情況及材料選擇等多方面因素決定。在實際工程設計中,對于新興的虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)既要肯定其優(yōu)勢又要掌握其弊端,只有充分體現(xiàn)其優(yōu)勢,降低其缺陷影響的設計才是好的設計方案。  注：文章內所有公式及圖表請以pdf形式查看。