虹吸式雨水排水系统在航站楼应用.doc

虹吸式雨水排水系统应用技术
一、工程概况
航站楼工程轴线长672m、宽221m，建筑面积157700m2，建筑高度39.9m，屋面面积约60000㎡，A、B区屋面为阶梯状单曲屋面，C、D、E区及指廊为双坡屋面，其中A、B区部分采用平面采光天窗，C、D、E区采用凸式立体采光天窗。
整个屋面由金属屋面雨水采用62套虹吸式雨水排水系统排入室外管网。本工程虹吸式雨水斗为DN89、DN125二种规格，屋面水雨槽内设计有2个、3个和4个虹吸式雨水斗组合来形成一个排水系统，排水管道采用DN300～65的不锈钢排水管接入室外管网。

二、虹吸式雨水排水系统理论分析
1 虹吸性排水系统特点及区别
1）重力式排水系统，即目前广泛采用的雨水排放系统，该系统由普通雨水斗、雨水立管、埋地汇总管组成。其主要工作原理是利用屋面雨水本身的重力作用由屋面雨水斗经排水管道自流排放。排水管道按非满流状态设计，管道必须要有一定的坡度。为了达到比较好的排放效果，在安装管道时要求排水横管的最小坡度为2%。为安全起见规范还规定宜采用单斗排水，即一个雨水斗对应一根雨水立管。重力雨水排水系统特点：气液二相流①雨水斗数量多②管径大③立管数量多④水平集水管需要坡度⑤ 雨水检查井数量多⑥大屋面工程，地面需布置排水沟⑦影响建筑美观。
2）虹吸系统即压力流雨水系统，是利用能够隔绝空气的虹吸式雨水斗和精密的管道水力平衡计算，依靠建筑物的势能，雨水通过密闭的管道系统形成满管流，在立管处跌落产生虹吸作用，将屋面的雨水迅速排放的新型雨水排放系统。它不仅能解决一些传统重力式雨水系统无法做到的设计难点，而且在节省管材和施工量上，有着传统系统无法比拟的优点。虹吸雨水排水系统特点：满管流①雨水斗布置灵活②管径缩小③ 管道走向可以根据需要灵活设置④水平集水管不要坡度⑤雨水斗检查井数量少 ⑥大屋面工程，无需设置室内检查井⑦有利于建筑美观。
2 虹吸雨水系统的工作原理
虹吸式雨水排水系统由雨水斗、雨水悬吊管、雨水立管、雨水埋地管组成。虹吸式雨水排水系统的最大改进和技术进步是开发了一种具有良好整流功能的雨水斗。雨水斗在其额定设计流量时处于淹没泄流排水状态，不渗气；设计排水量大；雨水斗淹没泄流的斗前水深小。
雨水斗共由六部分组成：保护盖（Protection cover ）、 固定旋钮（Wing nut for fixation）、 保护罩(包括防涡流装置)(Guarding Hood)、 雨水斗斗体( Outlet Body)、 固定套环（Fixed Sealing）、 固定环（Fixed fixation ring）。在虹吸系统中，所有的管子在指定的降水强度下将达到1的流量系数。管子内的
压力亦有别于大气压强。通过利用建筑物（雨水斗与排放点的高度差距）所产生的压头，管径设计可达到满管流。采用了虹吸式雨水斗的屋面雨水排水系统，在降雨过程中相当于从屋面上的一个稳定水面的水池中泄水，经屋面内安装的排水管道系统，从排出管排出，屋面雨水的排水过程是一个虹吸排水过程。虹吸式排水系统的管道在设计降雨强度下呈负压，但在比较小的降雨强度或降雨过程的末期，降雨量减小，雨水斗淹没泄流的斗前水位降低到其一定的值，雨水斗开始有空气渗入，排水管道内的真空被破坏，排水系统会从虹吸压力流的工况转向重力流。
虹吸式雨水排水系统管道内设计状态下的压力分布与一般的重力式雨水排水系统有明显的区别。虹吸式屋面雨水排水系统自雨水斗连接管以下，管道内呈负压，在悬吊管与立管的交叉点处负压最大，其后立管上的负压减小，至临界点负压消失，管道内的压力为零，水流状态转为重力流。从上面的分析可以得出，雨水斗的进水水面至临界总高度是有效作用高度，在设计计算中充分利用；另一方面对雨水斗至悬吊管的末端的总水头损失应有所限制，以控制悬吊管末端的最大负压值。如图。

3 虹吸式雨水斗的技术特性
1）虹吸式雨水斗的基本结构
虹吸式雨水斗有DN50～DN150等多种规格，其材质有铸铁、铝合金钢、不锈钢、高密度聚乙烯（HDPE）、聚丙烯（PP），下沉的雨水斗置于屋面层中，上部设有进水格栅。在降雨过程中，通过格栅盖进入雨水斗的屋面雨水落入深斗内，斗内带孔隙的整流罩，使处于涡流状态的雨水平稳地以淹没泄流流出进入排水管。下沉式的雨水斗最大限度的减小了天沟的进水深度，使屋面承受的雨水荷载降至最小，同时又使雨水斗的出口获得较大的淹没水深，消除了在设计流量下工作时的渗气现象，提高了雨水斗的额定流量。虹吸式雨水斗带有格栅，格栅间隙形状可以是孔状或细槽状，间隙口直径不小于6mm，且不大于15mm。
2）虹吸式雨水斗的额定流量的确定
任何型式的雨水斗的泄流量都随斗前水位的增加而加大。对于虹吸式雨水斗，要求在正常的工作条件下，雨水斗不渗入空气。这样就有一个临界水位，当雨水斗前的水位小于该水位时雨水斗开始有空气渗入，虹吸式屋面雨水排水系统
的压力流状态被破坏。所以，虹吸式雨水斗的额定流量是以不渗入空气为确定原则，相应的斗前水深，以DN50雨水斗为例，当泄流量为6L/s时，斗前水深降至45mm，水流出现乳化现象，数量降至40mm，渗气量为0.2L/s。虹吸是雨水斗的斗前水深不宜大于55mm。两个雨水斗之间的间距不超过20m。
3）水力计算
虹吸式屋面雨水排水系统的水力计算包括对系统中每一管路的水力学工况作精确的计算。计算结果包括每一计算管段的管径、计算长度、流量、流速、压力。
(1) 各雨水斗至过渡段的水头损失允许误差小于5kPa。水头损失允许误差按下列公式计算：
ΔP=hver·ρ·g－Σ（L·R＋Z）
式中ΔP——水头损失允许误差，kPa；
hver——雨水斗至出户管过渡段的几何高差，m；
ρ——水的密度，4℃时，ρ=1000kg/m3；
g——重力加速度，9.81m/s2;
Σ（L·R＋Z）雨水斗至计算点的总水头损失，kPa；其中L· R为沿程水头损失，Z为局部水头损失。
(2) 系统内的最大负压计算值根据安装地的海拔高度、管道材质、管材和管件的最大、最小工作压力等确定，但不低于90kPa。悬吊管内的压力按下列公式计算：
Px=Δhx·ρ·g－Vx2·ρ/2－Σ（L·R＋Z）
式中Px——悬吊管内压力，kPa；
Δhx——雨水斗顶面至悬吊管管中的几何高差，m；
Vx——计算点的流速，m/s；
ρ——水的密度，4℃时，ρ=1000kg/m3；
g——重力加速度，9.81m/s2。
Σ（L·R＋Z）雨水斗至计算点的总水头损失，kPa。
(3) 管道的沿程阻力系数按下列公式计算
R=λ·L/Dj·v2/2g
式中R——水力坡降；
λ——摩阻系数；
Dj——管道的计算直径，m；
V——流速，m/s；
g——重力加速度，9.81m/s2。
(4) 过渡段下游管道按重力流雨水排水系统设计。
另外还需要的资料为当地的暴雨强度公式和该建筑物的屋面汇水面积。
(5) 虹吸排水系统的水力计算符合下列规定及要求：
①虹吸式雨水斗采用径检测合格的产品，有权威机构测试提供的水力参数。
雨水斗的排水能力（流量）满足设计雨水量的要求。
②雨水斗顶面至过渡段的几何高差H 减去系统的压力降（总水头损失），大于过渡段流速水头（m/H2O）。
③悬吊管最小设计流速不宜小于1m/s，立管设计流速不宜小于2.2m/s，管道最大流速宜小于6m/s，且不得大于10m/s。
④系统中各斗到过渡段的水头损失允许误差小于10 kpa，如果超出允许范围调整管径重算，同时各节点的压力差值不大于10 kpa（DN≤75）或5 kpa （DN≥100）。
⑤系统内的最大负压计算什根据系统安装志气的气象资料，管道材质，管道和管件的最大、最小工作压力等确定。金属管最大负压绝对值小于80kpa；塑料管视产品的力学性能而定，但不得大于70 kpa。如管道水力计算中负压超出以上规定值调整管径（放大悬吊管管径或缩小立管管径）重算。
⑥系统高度（雨水斗顶面至过渡段的几何高差H）和立管管径的关系满足，在立管管径不大于DN75时，宜大于3m；在立管管径不小于DN90时，宜大于5m。如不满足，可增加立管根数，减小管径。
⑦当悬吊管管中心与雨水差距顶面的高差小于 1m时，校核雨水斗在系统中形成虹吸的最小流量（L/S），并大于1.1倍的在单斗、单立管系统（立管高度大于4m）中形成虹吸的最小流量。
⑧虹吸排水系统过渡段下游的流速控制在1.8m/s以内，当流速大于2.5m/S时采取消能措施（可放大下游管径）。
⑨管道的局部水头损失根据管道的连接方式，采用管（配）件当量长度法计算，当缺少管（配）件的实验数据时，可采用公式估算。
Zj=ξV2/ g
式中Zj—管道的局部水头损失（m）
ξ—局部阻力系数
V—流速（m/s）
g—重力加速度（9.81m/s2）
从虹吸系统至过渡段的转换外宜按ξ=1.8估算。雨水斗的ξ值由产品供应商提供，缺少资料时可按1.5估算。
系统设计水力计算，各项系统水力校核工作完成输出水力计算书和系统轴测图方案等完成虹吸排水的系统设计。
⑩溢流系统的设计。
虹吸式屋面雨水排水系统设溢流口（溢流装置）或溢流系统。溢流口或溢流系统的功能主要是（雨水系统）事故排水和超量雨水的排除。其设计的总排水能力，不宜小于设计重现期为50年，降雨历时5min时的设计越来越少流量。（欧洲国家VDI协会设计规范认为，屋面溢流装置[溢流系统]，必须能够满足百年一遇的降雨强度下5min时的雨水流量进行设计。）溢流口或溢流系统设置在溢流时雨水能通畅流达的场所。溢流口或溢流装置的设置高度根据建筑屋面允许的最高
溢流水位等因素确定。最高溢流水位低于建筑屋面允许的最大积水（深度）水深。设计溢流流量等于50年（或100年）重现期流水量减去虹吸排水系统设计重现期雨水流量。溢流系统的设计根据设计溢流流量的强弱设置，设计所选择的溢流系统满足溢流排水量的排除能力要求。溢流口面积的设置要求可按公式计算：
（Q50年降雨水强度总量—Q设计重现期雨水量）×25cm / L/S=溢流口面积

三、虹吸式屋面雨水排水系统的安装与敷设
1 雨水斗安装
虹吸式雨水斗安装前根据系统设计的斗体位置和形状、规格、尺寸，配合土建做好预留工作。不锈钢天沟采用等离子或其它有效切割方式直接取孔。
雨水斗的安装顺序：斗体安装----防涡流装置安装----防叶罩安装----其它辅助部件安装。斗体在与建筑屋面板或混凝土天沟的连接，其安装的可靠性牢固，连接必须紧密，并配合屋面防水施工。斗体安装在适当找坡的屋面坡底或天沟内。斗体的固定可采用将斗体临时固定在预留孔内，在斗体的周围浇灌混凝土或其它可将斗体与屋同板有效连接的材料凝固。有带安装接触片的雨水斗，可将斗体置入预留孔内，使接触片紧密的贴在屋面上，用螺栓植入屋面板内将其固定或采用钢钉锚固植入板内固定，这样的安装方式必须能保证雨水斗固定牢固，否则有其他固定措施。斗体固定牢固后配合屋面防水施工和屋面隔热层及保护面层施工。防水施工必须保证防水材料与斗体可靠粘接，斗体边缘连接密闭，不渗不漏；屋面隔热层、保护层施工在雨水斗周围留出能保证雨水斗均匀进水的空间范围。对于钢质天沟内安装的斗体，在取孔后可直接采用电弧焊机焊接。（可根据不同材质选用 氩弧焊/交流弧焊/直流弧焊等）施工完成后天沟内或屋面上做闭水试验，以检验安装后防水效果。
雨水斗安装的注意事项：防叶罩、防涡流装置及其它部件在系统管道安装完成后再进行安装；雨水斗各部件按说明要求的顺序进行安装；斗体的安装保证固定牢固；雨水斗的排水口采取临时封堵措施，临时封堵不漏水，以防止施工中雨期的屋面雨水直接流入室内或施工中的管道内；选择几个靠近外墙面的雨水斗，连接临时管道出外墙面，作为施工临时屋面排水措施。
2 系统不锈钢管道安装
1）本工程虹吸雨水管由虹吸式雨水斗和不锈钢管材、管件和固定件组成，虹吸雨水斗由防叶罩，防涡流装置，斗体组成，设置在天沟内的雨水斗要带连接片，其材质与天沟的材质匹配。雨水斗，管材管件以及主要固定件的规格型号性能符合设计要求，有合格证明文件，表面无污染和破损以及缺陷，雨水管道的不锈钢管材还有耐正压和负压的检测报告。材料进场后及时组织报验，验收合格后方能用于工程，否则要求退场。材料要求堆放整齐，不要超过产品规定合理的高度，以免导致变形和损伤。
2）固定件必须能承受雨水满流和高速流动产生的作用力，安装时与管道密切配合紧密平整，不能伤害管道本身。

3）雨水斗按照说明书进行安装，当多个雨水斗同在一个排水系统中，雨水斗不能与立管直接连接，接在悬吊管上。连接管与悬吊管的连接采用45°弯头，立管与排出管的连接宜采用两只45°弯头，或Ｒ不小于4D的90°弯头。水平管不设排水坡度,但不能倒坡。
4）不锈钢管宜采用机械方法或等离子方法切割。不锈钢管用砂轮切割或修磨时，使用专用砂轮片。本工程的管道，管件和雨水斗的连接方式采用氩弧焊进行。施工工艺如下：
(1) 管道人工清洗：管道在安装时用干净的布团在管内一个方向拖擦，直到管内无污垢为止，管道表面如有机械损伤时，修整光滑，并按施工验收规范进行验收．
(2) 管道脱脂：管道在安装前采用二氯乙烷或工业洒精进行脱脂，管内脱脂采用灌注法或浸槽法，管外采用脱脂棉布浸蘸脱脂剂反复擦洗来完成，然后在通风良好的地方吹干。
(3) 管道切割：管道切割采用等离子切割机或砂轮切割机进行切割，小管径管子也可用手锯切割，采用砂轮切割时，砂轮片必须是专用的，并不得用来切割其他碳素钢管子。切割时，为防止损伤管道，须在管道两侧垫上方木。
(4) 三通加工：由于目前厂家生产的管配件不齐全，所以当三通主管管径与支管管径相差较大时，需进行现场开孔，开孔采用钻床钻孔，钻孔时，可按孔径轮廓直径钻出若干φ8～12mm的小孔,再用锋钢凿凿去残留部分,然后用角向砂轮或锉刀去掉毛刺并打磨好,注意不要使钻头在管子表面滑动,以防划伤管子,开孔的孔径与管子的内径一致,支管打破口;若支管孔径是主管管径的1/3以下时,可将支管插入主管孔内,但支管管端与主管内壁相平,支管不得伸入主管管腔内。
5）管子及管件组对：管口组对卡具采用硬度低于管材的不锈钢材料制作，并且用螺栓式连接，严禁采用碳素钢卡具，管道在对口时，使两管中心线在一条直线上，对口错边量不大于壁厚的10%，对口间隙为0～1mm。在中断施工时，管口要做好封闭工作，加工好的管道在不安装时，在加工面上涂油并封闭管口，妥善保管。
6）不锈钢管道的焊接
(1) 不锈钢管道的焊接设备采用手工钨极氩弧焊机，电极材料采用铈钨极。
(2) 不锈钢管手工钨极氩弧焊可用于全位置焊接，焊接时采用直流正接，为保证电弧的稳定性，将钨极端部磨成圆台形，操作时不要把钨极端部接触熔池和焊丝，钨极端部的熔化会在焊缝内造成夹钨缺陷，不仅会降低焊缝金属的塑性，还会降低其耐腐蚀性能。
(3) 焊接材料选用与母材化学成分相近，且能保证焊缝金属性能和晶间腐蚀性能不低于母材的焊接材料，现选用焊丝H1Cr18Ni9Ti，焊丝直径根据管道壁厚确定。
(4) 施焊前用不锈钢丝刷将管端内外壁30mm以内的脏物清除干净，油渍采用丙酮或酒精清洗。
(5) 不允许在焊口外的金属表面上引弧和熄弧,在弧坑大约20～25cm上引弧，然后再将电弧返回弧坑．
(6) 在焊接时为防止产生晶间腐蚀、夹渣和裂纹，选择合理的焊接工艺：
①选择合理的焊丝直径和焊接电流,详见焊接工艺参数。
②焊接时控制好氩气流量（氩气纯度为99.9%），正确保持焊炬、焊丝和工件的位置。
③焊接时焊炬可作适当的圆弧运动，但不宜摆动过大，以免扰乱气流，影响保护效果，焊丝要准确地送进熔池中，严禁焊丝与钨极直接接触，以免影响焊接过程的稳定性和连续性。
④选用焊前不预热和冷却速度快的工艺方法，避免过热，提高抗裂性。
(7) 不锈钢管手工钨极氩弧焊工艺参数见表3.2.6-1。
表3.2.6-1 不锈钢管手工钨极氩弧焊工艺参数表
壁 厚
（mm）
钨极直径
（mm）
喷嘴直径
（mm）
电 流
（A）
氩气流量（L/min）
焊丝直径（mm）
1.2～1.5
1.5
8～9
40～60
6
2
2～3
2
8～9
60～90
8
2～3
(8) 不锈钢管焊接后，立即除去燃渣和焊缝两侧的飞溅物，管道口不得打焊工代号，必要时采用涂色标记。
(9) 不锈钢管焊口直线度，焊缝尺寸允许偏差见表3.2.6-2
表3.2.6-2 焊口直线度、焊缝尺寸允许偏差表
序号
项 目
允许偏差
1
焊 口平直度
管壁厚 £10mm
管壁厚的1/5
2
焊 缝
加强层
高 度
+1cm
宽 度
+1cm
3
咬
肉
深 度
<0.5mm
长度
连续长度
25mm
两侧总长度
<焊缝长度的10%
7）雨水管穿越楼板或墙体时设置金属或塑料套管，底平，顶高出完成面20毫米，套管与雨水管道的缝隙用阻燃的材料填实。安装过程中敞开口作临时封口措施。雨水管的底部弯头处设置砼墩或支架等固定措施，排出口管道可在原土上安装，当地基不符合要求时，在管道下方填100毫米的细沙垫层。埋地雨水管与井道连接时，管口做黏结剂，防止漏水。
管道支架生根在牢固的承重结构上，其间距符合下表或设计要求：
公称直径（mm）
70(80)
100
125
150(160)
200
250
300
保温管（m）
4
4.5
6
7
7
8
8.5
不保温管（m）
6
6.5
7
8
9.5
11
12
当管道通过相对噪音要求较高的房间时，与设计、业主和监理商定是否采取隔噪处理，并对可能形成结露的地方采取保温措施。
本设计中立管直径不小于90，雨水斗的顶面至过渡段的高差大于5米。过
渡段的流速大于2.5米／秒时，作相应消能措施。
系统验收分三步：雨水斗的密封试验和雨水管道的密封试验以及通水试验。
堵住雨水斗，在天沟内放水淹没雨水斗，无渗漏为合格。
堵住出水口，往管道内灌水，高度达到雨水口，持续一小时后，管道管件（含检查口）无渗漏现象为合格。
排水时通畅无阻塞。
以上完成后即进行模拟虹吸试验，交付使用后每年进行定期维护。