飞机场机库大屋面虹吸雨水排水系统施工方案.doc

大屋面虹吸雨水排水系统技术
摘要：A380机库工程，屋面面积约40000㎡，雨水排水系统采用虹吸排水系统，本文就虹吸排水系统采用、设计与施工进行了阐述，总结了虹吸排水系统的设计与施工经验，为虹吸排水系统的进一步推广使用积累了经验。
关键词：屋面排水 虹吸排水
1.工程概况
A380机库是目前亚洲最大的机库，是某机场航站楼的配套工程。机库从2006年起兴建，总建筑面积超过64285万平方米，可容纳6架A380同时维修。整个屋面设置了3道南北向通长的天沟，分成了3个大的汇水分区，共采用了232个雨水斗。单条天沟长约353m，内设置有四套虹吸系统，屋面总汇水面积约为40832㎡。
2.工程特点、难点
2.1机库屋面面积大，总汇水面积大
本工程屋面总汇水面积约为40832㎡，屋面分为3个大的汇水分区，屋面总汇水量和各分区汇水量都较大。
2.2管道地面安装，网架提升过程中的变形问题
A380机库的虹吸雨水悬吊管是在地面上安装完成之后随屋面网架一起吊装就位的，因此存在管道随着网架下饶的变形问题，须防止产生倒坡。
2.3工程工期紧，主管悬吊方式采用下吊式
本工程的排水管道系统是在网架屋盖安装完成之后，作提升准备这段时间中完成安装的，因此工期非常紧，为了节省工期，经认真验算，最后采用了主管下吊式悬吊。
2.4虹吸排水系统由于虹吸作用管道产生振动作用
虹吸排水系统由于虹吸作用，管内水流速较高，对管壁有较好的冲刷洁净作用，但同时会在管道产生一定的冲击振动力，在设计和施工中要特别注意，尤其是管接头。
3.设计方案
3.1系统原理及形成的图解说明
3.1.1虹吸屋面雨水排水系统是在满流条件下利用伯诺里方程式，通过周密的水力计算，充分利用屋面和地面的高差产生能量形成虹吸作用，快速将屋面雨水排至室外。
3.1.2虹吸雨水斗是系统组成的关键部件，独特设计的虹吸雨水斗带有反涡流装置在设计条件下，进水漩涡被破坏，进入系统的雨水在设计条件下呈现水满流状态。
3.1.3屋面雨水汇集，在系统管道内形成虹吸的几种流态图解如下：

附壁流
波浪流
泡沫流
满管流

3.1.4 虹吸屋面雨水排放系统的技术优势：
⑴悬吊管接入的雨水斗数量增多，在满水力计算要求下，接入的雨水斗数量不受限制，从而减少了立管的数量。
⑵悬吊管不需设坡度，安装要求空间小，适合用户要求，有利于设计和施工。
⑶减少与室外管道的连接和埋地管的数量。
⑷可充分利用屋面与地面排出管高度差形成的位能，提高管内流速减小管径。
⑸因管内流速的提高，系统能有较好的自清作用。
3.2系统设计
3.2.1参数确定
设计重现期P及相应的5min暴雨强度q5（北京地区）：
设计重现期：P＝10年　 q5＝0.0585 L/s·㎡
溢流重现期：P＝50年　q5＝0.0768 L/s·㎡
屋面雨水径流系数：ψ＝1.0
3.2.2 系统设计
A380屋面总汇水面积约为40832㎡，屋面分为3个大的汇水分区，单条天沟长度约为353m，每条天沟内设有4套虹吸系统，总排水雨量为2388.67 L/s，采用YG50A型雨水斗232个，共采用12个虹吸系统，
受立管数量的限制，每条天沟设置了4个雨水立管，单个系统中雨水斗数最多的为20个，由于系统中雨水斗数量较多，为了便于系统的压力平衡，将负压值较大一端的雨水斗用次悬吊管连接，然后依次接入主悬吊管中。如图1所示：

图1 虹吸系统示意图
3.3 系统配件组成

3.3.1 虹吸式雨水斗
虹吸雨水斗是一项新技术，专利产品,该系列雨水斗是经过国家计量院认证的产品，单斗最大流量分别从6L/s～120 L/s之间，适用于各类工程屋面。雨水斗斗体采用304不锈钢板冲压成型，反涡流装置及导流罩采用硅铝合金精密铸造，其紧固螺栓均采用不锈钢制作，出水短管管材材质选用不锈钢，其寿命可达50年以上。
为了使屋面雨水及时得、更好得排走，本工程使用了潜水深仅为40mm、最大排量为12L/s的YG50A型雨水斗。
虹吸雨水斗经防堵性能测试，其系统抽吸能力强，不会产生堵塞现象。
3.3.2 管材
雨水支管及悬吊管采用不锈钢管，埋地管采用球墨铸铁管。不锈钢管之间采用氩弧焊接，管道焊缝采用专用清洗膏体清洗，不锈钢管与球墨铸铁管之间采用专用法兰连接。
3.4 水力计算
虹吸雨水系统设计是建立在满管流基础上的，故而水力计算采用伯诺里方程式。水头损失分为两类：对于平顺的边界，水头损失与流程成正比的称为沿程水头损失，用hf表示；由局部边界急剧改变导致水流结构改变、流速分布改变并产生旋涡区而引起的水头损失称为局部水头损失，用hj表示。
伯诺里方程:
水头损失的计算方法：总水头损失hw= ∑hf + ∑hj
∑hf=RL-沿程阻力损失，R-单位长度的阻力损失，L-管长
根据《给水排水设计规范》GB50015—2003压力流方程式，采用海曾·威廉公式：

Q- 流量， C-摩阻系数，dj-管道计算内径，∑hj-局部阻力损失

系统每一点的压力计算公式：
3.5系统计算说明
3.5.1悬吊管与雨水斗出口的高差应大于1m。

3.5.2悬吊管设计流速不宜小于1m/s，保证悬吊管内无淤泥。
3.5.3管道内最大负压值应小于0.08Mpa。
3.5.4各节点压力差值不超过0.1Mpa，能满足压力平衡要求。
3.5.5悬吊管的流速不小于1.0m/s,立管的流速不小于2.2m/s。排水管系出口流速不宜大于2.5 m/s。
4.工程施工
4.1对沉降问题的解决
A380机库的整个网架是在地面上安装完成之后整体吊装而成，故虹吸雨水悬吊管也是在地面上安装完成之后随屋面网架一起吊装，这就存在着一个沉降问题，管道在地面上安装完成之后，吊至屋面后由于管道本身的重力和网架下挠变形，悬吊管有些部位会出现倒坡现象，在施工之前，我司就提出了这个问题，并与设计院及甲方联系，取得各个吊点的沉降量后，经过计算，对各个吊点的支架长度进行调整，使得悬吊管在整体吊装完成后能够基本保持水平，达到更好的排水效果。
4.2 管道的焊接
A380机库网架结构较复杂，网架面积较大，因此管道的焊接有着很大的难度，经过方案优化，最终选择了在网架的一端设置一个焊接台，将两根管道焊接好后，沿着支架方向向网架的另一端挪动，然后第三根管道与第二根管道焊接，依次而行，最终顺利的完成了管道的焊接。
4.3管道的吊装
3.3.1主悬吊管的悬吊方式采用下吊的方式，次悬吊管的悬吊方式采用上托的方式，如图2和图3所示。

图2 水平悬吊管断面图 图3 雨水管道支架图
由于项目工期较紧，在保证安全的前提下，本工程采用主悬吊管下吊的方式，使得项目如期完成。
4.3.2 DN300管道支架的加密
为了减轻吊点的荷载，对于DN300的管道，采取管道支架加密的方式，如图4所示。采用图示的加密悬吊方式在很大程度上减轻了吊点的荷载。

图4 DN300管道支架加密图
4.4螺纹牙的强度计算
4.4.1计算公式
外螺纹计算公式：
（公式1） （公式2）
内螺纹计算公式：
（公式3） （公式4）
其中：Fw—最大轴向外载荷（N）；d1—外螺纹小径（mm）；b—螺纹牙根部宽度（mm）
Z—螺纹牙齿数；D—内螺纹大径；
牙型
普通螺纹
梯形螺纹
330锯齿形螺纹
矩形螺纹
b
0.87P
0.65P
0.74P
0.5P
其中：P—螺距（mm）；h—螺纹牙的工作高度（mm）； kz—载荷不均系数
内，外螺纹均为钢时
d/P<9
kz =5P/d
外螺纹为钢，内螺纹为铝
d/p<8
kz =6P/d
d/P=9～16
kz =0.56
d/p=8～16
kz =0.75
其中：—螺纹材料的许用切应力（MPa） —螺纹材料的许用弯曲应力（MPa）。
注：内外螺纹材料相同时，只校核外螺纹强度。
4.4.2计算过程
⑴ 管卡材质参数的确定：虹吸雨水工程所用管卡钢材材质为普通Q235钢，查表可知：

许用弯曲应力=158MPa ，许用剪切应力=98MPa ，许用挤压应力[σ]p=240MPa
⑵最大静止荷载的确定：
取最不利情况，以3mφ273×3.5和3mφ325×3.5的管道为例（φ273管道支架间距为6m，φ325管道支架间距为3m，壁厚均为3.5mm）。
管道净重：
273×3.5: 23.262kg/m； φ325×3.5：27.751kg/m
管内水重：
φ273管内每延米水重：3.14*(273/2)2/1000=58.51 kg/m
φ325管内每延米水重3.14*(325/2)2/1000=82.92 kg/m
故单个管卡的最大竖向静止荷载为：
（23.262+27.751+58.51+82.92）*3*9.8=5657.84 N
⑶管卡尺寸参数的确定
虹吸雨水工程φ159以上的管卡均采用φ14圆钢，φ159及以下的管卡均采用φ12圆钢，所有管卡均为工厂定制加工件。根据GB00196-2003可查的φ14圆钢螺纹的参数如下：
大径D=14mm，螺距P=1.5mm，小径d1=12.376mm
可用螺纹长度取9mm，则可用螺纹牙次数Z=9/1.5=6
D/P=14/1.5=9.333，载荷不均系数kz =1.5*5/14=0.5357
螺纹工作高度h=D-d1=1.624mm
螺纹根部宽度b=0.87P=1.305
⑷代入计算
因为管卡的每个头都接双螺母固定，因此作用到每个螺母上的荷载为：
Fw =5657.84/4=1414.46N
＜=98MPa
＜=158MPa
因此即使考到管道振动时荷载，螺纹牙的强度也足够大，完全在安全范围内。
5.结论
A380机库屋面虹吸排水工程已完工，经过数次大雨的考验，能将雨水及时、顺畅的排出，为机库的雨汛期安全提供了有效的保障。同时在采用虹吸排水时，本工程提供了一些经
验可在今后的工程中借鉴。
5.1大面积屋面雨水排水采用虹吸系统可以有效的较少排水系统的立管数，排水效果较好。
5.2虹吸雨水排水系统管道内水流速较快，对管道有较大的冲刷作用，对管道有较好的冲刷洁净作用，但同时也对管道产生一定的振动力，管道要进行抗压力设计。
5.3本工程雨水管道系统是随屋面网架一道地面安装整体提升就位，因此在安装过程中不仅是要考虑管道自身的重力变形，还必须考虑网架提升过程的下挠。