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屋面虹吸式雨水排水系统施工技术
更新时间：09-11-27 15:27
摘要：目前，绝大部分屋面雨水排水基本采用重力流排放技术排水，但随着建筑技术的不断发展，超大型建筑不断涌现，对于结构复杂或屋面面积超大的建筑，这种技术就难以满足。目前国际上虹吸式雨水排放技术已经很成熟。该技术利用虹吸原理，雨水排放过程中在管道中形成满管压力流，利用建筑物屋面高度和雨水所具有的势能，产生虹吸现象，通过雨水管道变径，在该管道处形成负压，屋面雨水在管道内负压的抽吸作用下以较高的流速被排出室外，从而迅速排出屋面积水。相对于普通重力流排水，虹吸式雨水排放系统排水管道均按满流有压状态设计，悬吊管可以无坡度敷设。同时，当产生虹吸作用时管道内水流流速很高，相对于同管径重力流排水管排水量大可以减少立管数量，排水过程快，减少屋面负荷的要求。通过对工程实例，介绍了虹吸式雨水系统的系统组成及工作情况，施工方法和质量保证措施，提出了施工运行中应注意的重点、难点及相应的解决措施，并相对于普通重力流雨水排放系统进行了经济技术分析。
关键词：屋面雨水  虹吸式  雨水  作用
0绪论
随着建筑技术的不断发展，大型屋面排水技术逐渐成为目前人们关注研究的课题。目前大型单体建筑如机场航站楼、展览馆、体育场、工业厂房等超大型建筑屋面跨度大、面积广，屋面荷载承受能力较小，这就要求在降雨时屋面积蓄的雨水在短时间内能够迅速排出。传统重力流雨水排放系统要达到这一要求，就必须增加雨水斗数量及立管根数，加大立管管径。而采用虹吸式雨水排放系统，系统管道中雨水流态为满流有压状态，排水量大，排放迅速且立管根数少，管径小，横向悬吊管无坡度，能够最大限度满足建筑使用功能。
北京某工程属于超高层的重点工程，原设计为重力流雨水系统，暴雨重现期为10年，后又提高暴雨重现期为50年，所以原设计管径都需要加大，屋面雨水排放速度需加快，而地下室的结构已经封顶，防水套管已经施工完毕，如果更改拆改破坏量太大，又延误工期，而且进行地下室综合管线排布的时候，发现地下室管线错综复杂，不易满足雨水大管径重力流的坡度要求；重力流雨水系统的地上部分立管多，管径小，空间有限不利于安装和检修。为了解决上述问题，经过分析比较，该工程选用了虹吸式雨水排水系统。通过这次改变，使工程复杂的雨水排放系统大大简化。由于整个系统管道数量减少、管径减小、水平管道无需考虑坡度要求，非常有利于地下室综合管线的排布，即减小了施工难度又减少了施工成本。下面简单介绍一下虹吸式雨水排放系统的原理和施工要求。
1、工作原理
虹吸现象我们在日常生活中经常可以看到。如下图所示，我们把一根灌满水的塑料管用手指堵住两端分别放入鱼缸和水杯中，同时放开手指，由于两个液画存在高差h1，此高差部分水在重力作用下流向水杯，从而使上部塑料管内产生负压，鱼缸内水就会被吸入塑料管，水就会不断的从鱼缸流向水杯。这就是虹吸现象。当鱼缸与水杯液面高差越大时，塑料管内水流速度越大，排水越迅速。

虹吸式雨水排放系统正是利用这一原理，利用建筑物屋面高度所形成的水头来实现虹吸排水。降雨来临时，屋面逐渐形成积水，由于采用了科学设计的防漩涡雨水斗，当屋面雨水高度达到一定高度，通过控制进入雨水斗的雨水流量和调整流态减少漩涡，从而极大地减少了雨水进入排水系统时所夹带的空气量，使得系统中排水管道呈满流状态，当雨水通过管道变径时，在此处产生负压，加速雨水的排放速度。
2、工作状态
虹吸式雨水排放系统管内压力和水的流动状态是不断变化的过程。降雨初期，雨量一般较小，悬吊管雨水流态是有自由液面的波浪流。根据雨量大小的不同，部分情况下初期无法形成虹吸作用，是以重力流为主的流态。随着降雨量的增加，管内逐渐呈现脉动流，拔拉流，进而出现满管气泡流和满管汽水混合流，直至出现水的单相流状态。降雨末期，雨水量减少，雨水斗淹没泄流的斗前水位降低到某一特定值(根据不同的雨水斗产品设计而不同)，雨水斗逐渐开始有空气掺入，排水管内的虹吸作用被破坏，排水系统又从虹吸流状态转变为重力流状态。在整个降雨过程中，随着降雨量的增加或减小，悬吊管内的压力和水流状态会出现反复变化的情况。与悬吊管相似，立管内的水流状态也会从附壁流逐渐向气泡流，气水混合流过渡，最终在虹吸作用形成的时候，出现接近单相流的状态。
3、系统组成
3．1 雨水斗
一般来说，雨水斗的设计是整个虹吸系统的能否按设计要求工作的关键所在之一，它的稳流性越好，产生虹吸所需的屋面汇水高度越低，总体性能就越优越。

标准型的雨水斗，是由雨水斗底盘、夹圈、空气隔板、格栅外罩盖组成。另外根据需要可提供通用型的绝缘底座，固定件，法兰片，焊接片，防火保护帽，微型加热电圈等配件。雨水斗材质为HDPE、铸铁或不锈钢。其各部分有不同的结构功能。雨水斗置屋面层中，上部盖有进水格栅。降雨过程中，雨水通过格栅盖侧面进入雨水斗，当屋面汇水达到一定高度时，雨水斗内的反涡流装置将阻挡空气从外界进入同时消除涡流状态，使雨水平稳地淹没泄流进入排水管。
3．2 系统管道
管道作为虹吸式屋面雨水排放系统最主要的部分，而管道的变径可以加速雨水的排放和流量，必须确保系统安全可靠，高效持续的运行。虹吸式系统作为一个特殊的排水系统，正常工作运行时管道内呈负压状态，因此管道的管壁必须具备相当的承压能力，管道接口必须完全的密封防止空气进入管道内出现气团，破坏虹吸作用。同时管道要具有较高的防火性能，并且做到尽可能降低噪声，吸收震动，抗击冲击外力，最大程度满足抗温度变化引起的形变。
目前虹吸式雨水管道系统一般采用镀锌无缝钢管沟槽管件连接、不锈钢管或HDPE管粘接。
北京某工程虹吸式雨水排放系统就选用镀锌无缝钢管，连接方式为沟槽连接。镀锌无缝钢管作为传统的管道材料能够满足虹吸式雨水系统的承压要求和防火性能。但普通的沟槽连接管件不能满足系统抗负压要求，如下图：

因此必须采用专门设计的抗负压的沟槽管件，在正负压不同状态下，通过不同的密封点而保证系统的密封性。同时沟槽管件中管头缝隙还可以消除因热胀冷缩而产生的管道位移。如下图所示：

4、系统安装
4，1雨水斗安装
雨水斗的安装位置应满足以下要求：
(1)雨水斗离墙至少1米。
(2)雨水斗之间距离一般不能大于20米。
天沟雨水斗安装：在屋面防水层施工前安装不锈钢底盘放在预留孔的正上方，确保底盘与面板顶面标高保持一致，同时用混凝土封堵尾管与预留洞之间的空隙。在混凝土封堵完成后，土建方开始进行防水施工，但要保证防水层不超过规定界限(如图)。防水施工完成后，安装夹圈，防水保护层及找平层做到夹圈的边缘。在屋面工程结束，管路系统安装完毕后安装空气挡板或隔栅防护罩。

图为北京某工程已安装完的雨水斗和闭水试验中的雨水斗:

4．2管道安装
镀锌无缝钢管采用卡箍连接，按照设计坐标、标高位置，现场实测尺寸进行划线切割、下料，预制管道。管道断口需用钢锉挫掉毛刺进行防腐处理，用专用滚槽机压出槽口，将两段管段对齐用专用卡箍卡紧。按管线坐标位置放线安装固定支吊架将管段水平吊装。严格按图纸施工，特别是变径位置必须在设计位置的±0．20m以内。
4．3检验与试验
在系统管路安装完成后，排水管道按规范要求做灌水试验。系统灌水试验合格后，还需要做排水性能试验。虹吸式排水系统可以采用以下三种实验方法：
(1)、单位时间内水容积增减的方法(适用于混凝土屋面)。先将排水系统的立管出口密封并将对应的排水区域分开设立储水区，然后向储水区内持续加水(要求水深小于0.5米，供水量应满足按设计排水量排放一分钟)。打开排水出口5秒钟后，记录30秒内屋面水面的变化量并计算：排水能力(升/秒)：水容积变化量/30秒
(2)、管道流量计测量的方法。在排水系统排出干管部分安装流量计，并密封出口，将对应的排水区域分开设立储水区，然后向储水区内持续加水(要求水深小于0.5米，供水量应满足按设计排水量排放一分钟)。打开排水出口5秒钟后，记录30秒内流量计显示的数值并计算平均值为其排水能力。
(3)、采用降雨时实际观测来计算雨水的排水能力的方法。降雨量依据当地气象部门监测数据。
5、技术要点
虹吸式屋面雨水排放系统，系统排水管道均按满流有压状态设计，因为整个系统的正常运行依靠虹吸作用，所以确保产生并维持虹吸作用的技术要点是保证系统正常运行必要条件。
5．1 水的持续流动性
在保证水流方向的持续流动性是维持虹吸作用的关键。特别是在管道转弯角度相对较大，甚至呈90°的时候，很有可能因为管内流速的突然下降而引起虹吸作用被破坏。因此，当水流有90°的方向改变时，此处弯头的连接方式，必须注意设计一个衔接管段，以保证流速不会突然大幅下降，而是维持上升的状态，从而整个虹吸式屋面雨水排放系统得以正常运行。当系统中出现90°T型支管时，当横管内水流以较快的速度冲向管壁突然遇到阻碍，在极短的时间内速度降为零。一方面对于管壁形成极大的冲击，另一方面，水流撞击管壁后又以一个与初始方向相反的速度，迅速的在管内形成回流，这样，两股方向相反的水流在管内冲撞，很容易形成水塞，阻碍排水管排放，破坏虹吸作用。因此，在施工时可根据管道的空间和环境情况来进行选择相应的解决方式。例如在拐弯或支管汇集处可以采用相对较大的管径起缓冲作用，或在拐弯弯头处采用双45°弯头、支管汇集处采用斜45°三通以避免出现90°变化的衔接管段。
某工程为超高层建筑，为保证整个系统的安全，虹吸式雨水系统管道材质选用镀锌无缝钢管，而无缝管成品管件中没有45°三通，为此为满足系统要求，我们自己精细加工出各种规格的45°三通，压完槽后进行二次镀锌处理，解决了无缝管成品管件中没有45°三通的问题。(如图为我们加工的三通用于系统安装中)

5.2  气水混合流的影响
当系统管道内形成虹吸作用时，由于可供使用的管道管径不一定恰好是计算所得的管径尺寸，因此管道内部会有很多溶解在水中的小气泡，并不是完全理想化的液体单相流。这些微小气泡在流动过程中会逐渐释放，然而这种气水混合流而非气水两相流的流态，仍可以被看作虹吸作用，是允许存在的状态，并不影响虹吸作用的形成，也不影响系统的排水能力。影响管道内水的流态的另一个重要因素是系统内各部分的负压，负压过大时会导致管内流速过快，发生气蚀现象，对于金属管道产生极大伤害。同时负压过高，系统内小气泡会在负压作用—卜破裂使管道系统产生剧烈震动，减少系统使用寿命。因此在虹吸式雨水管道计算时要求管道内负压不超过-0.08Mpa(气蚀临界值约为-0.092MPa)。
但是，溶解在水中的气泡并不意味着管道内的气团。如果排水管道内，中间部分是气团，沿壁部分是水流，这样就是传统重力雨水排放系统的管内流态。管道内气团的存在，严重影响虹吸作用时管内满流状态的形成，水流在管内的充满度相当低，大大减小了系统的排水能力。
5．3系统的一体性和密封性
为保证虹吸排水的产生和持续作用，就要求从雨水斗到管道系统的整套排放系统必须是一体的，各部分紧密相连。如果雨水斗有一个完全敞开的入口，空气就会在水流旋转作用的带动下，从入口出进入整个雨水排放系统，这样就根本无法形成满流的虹吸状态，整个系统也不再是高效的虹吸式排放系统了，实际上已经作为一个传统的重力式排水系统在工作了。但是，重力式排放系统为了达到比较好的排放效果，在安装管道时要求悬吊管的最小坡度为2％。而虹吸式系统的悬吊管安装坡度为零，没有重力势能的作用，整个系统无法有效进行排水。因此，只有当雨水口的入口处半敞开时，才能有效阻止空气随时进入系统，当斗前水深满足一定要求时，能够形成水封，完全隔断空气，迅速形成虹吸作用。除了必须保证入口处有效阻止空气进入，还必须保证系统管道中没有空气进入。所以，另一个要求就是系统的完全密封性，要保证管道无渗漏。因为在虹吸作用时，管道内的水流是压力流的状态，一方面管壁承受压力，承插口处同样受压，容易发生渗漏；另一方面，一旦发生渗漏，则管内压力状态改变，影响正常的虹吸作用。
6、效益分析
传统重力流雨水排放系统与虹吸式雨水系统相比管道内雨水流态是不一样的。在重力流系统中，水沿着立管的管壁流下，中间形成空气柱，在悬吊管段水依靠重力非满管水平流动，一般情况下，管材断面约1/3为水，2/3为空气。如下图：

根据《建筑给排水设计规范》第4.9.20规定，重力流屋面雨水排水管系的悬吊管应按非满流设计，其充满度不宜大于0.8，管内流速不宜小于0.75m/s。且坡度不宜小于0.5％，需要较大的悬吊管管径和坡降。同时为了在同一根雨水管上的各个雨水斗的雨水能够正常排放，因而限定一根雨水悬吊管的雨水斗的数量不得超过4个，这也导致了雨水悬吊管和雨水立管数量的增加，同时增加了屋面荷载，也增加了工程的造价。重力流屋面排水系统受其水力特性的限制，造成排, 水立管多，管径偏大，排水能力偏小，对于大面积工业厂房及公共建筑屋面排水系统则更显突出。同时，由于悬吊管需要一定的坡度，将影响建筑空间的利用。
某工程地下建筑面积6万平米，排出室外的地下一层雨水管道跨度长，按重力流大部分的雨水管道坡度按0.5％计算坡降有40公分，选用虹吸式雨水排放系统后，由于雨水管道无坡度要求，管径又缩小，大大提高了地下室空间的利用。为地下室错综复杂的机电管线排布提供了便利。
由于虹吸式雨水系统管道排水均按满流有压状态设计，排水管泄流量要远大于重力排水系统中同一管径排水管的泄流量，也即排出同样的雨水流量，采用虹吸排水系统的排水管管径要小于采用重力排水系统的排水管管径。由于虹吸排水系统中雨水悬吊管内水流在负压抽吸作用下流动，悬吊管可做到水平无坡度敷设，悬吊管接入雨水斗的数量不受限制，可以减少雨水立管的数量，便于建筑空间的利用。
某工程原设计的重力流雨水系统雨水立管数为22根，采用虹吸式雨水系统后雨水立管由原来的根减少到12根，同时由重力流雨水系统中系统最大管径DN250减小到虹吸式雨水系统中系统最大管径DNl50。
虹吸式雨水斗排水量远远大于普通重力流雨水斗，能够迅速排出屋面雨水，雨水斗前水深较浅，降低了建筑物物面荷载的要求，能够大大节约工程造价。同时，当产生出虹吸作用时管道内水流流速很高，因此系统具有较好的自清功能，管道不易堵塞。如下图：

虹吸式雨水系统与传统重力流雨水系统优缺点见—F表：
系统形式
传统重力流雨水系统
虹吸式雨水系统
雨水斗布置
数量多，规格大
数量少，规格小
悬吊管坡度
依靠重力流坡度不小于0.005，占空间
满管压力流，可水平安装,节约空间
立管根数
立管根数多
立管根数少
管道管径
管径大
管径小
管道布局
受坡度限制，布局困难
无坡度限制，布局灵活
屋面荷载
排水能力小、斗前水深、荷载要求高
排水能力大，斗前水浅、荷载要求低
管内流速
流速小，易阻塞
流速高，有自洁功能

从上表可以看出，虹吸式雨水系统除在雨水斗布置、管线走向布局方面便于建筑空间设计有利于装饰装修外，由于管径小、立管根数少，降低屋面荷载要求，对于大型建筑可以在一定程度上降低工程造价。以北京某工程雨水系统为例，设计采用虹吸式雨水系统，镀锌无缝钢管沟槽连接。选取其中一根雨水管道,设计流量为27.61升/秒,屋面高度223米。分别按虹吸式雨水系统与传统重力流雨水系统计算造价,见下表:
系统形式
材料
数量
单价
合价(元)
总价(元)

虹吸式

管材 Φ73
181.4米
51.69
9376.6

25744.6

管材 Φ 89
82.7米
64.36
5322.6
管材 Φ108
18.1米
78.08
1413.2
管材 Φ159
1.0米
132.2
132.2
雨水斗
1个
9500
9500
重力式
管材Φ 159
283.2米
132.2
29507.04

37439.04

由上表可以看出，虽然虹吸式雨水斗价格较高，但由于管道管径较小，总造价反而比重力式雨水系统造价要低。如综合考虑降低屋面荷载、节约建筑空间，便于装饰装修等因素，虹吸式雨水系统会具有更大的优势。
7、结束语
屋面排水技术的发展史经历了重力流技术、重力一压力流技术、虹吸一压力流技术。先进的虹吸技术应用于屋面雨水排放，有效解决了超高建筑、超大屋面的雨水排放问题。虹吸式雨水系统采用强制虹吸式雨水斗，斗前水深较浅，产生虹吸的效率很高，系统对屋面的负荷要求较小。该技术对系统的整体性及计算精度有很高的要求，采用全系统压力平衡计算，现在已经开发出相应的计算机软件用于水力计算。虹吸式雨水排放技术作为一项日趋成熟的雨水排放技术逐渐成为大型建筑雨水排放设计施工的首选。