屋面雨水虹吸式排水系統(tǒng)施工技術(shù)

屋面雨水虹吸式排水系統(tǒng)施工技術(shù)摘要：虹吸排水應(yīng)用于大型建筑屋面雨水排水系統(tǒng)較之重力流排水系統(tǒng)顯示出較大的優(yōu)越性，虹吸式屋頂雨水系統(tǒng)的原理就是依靠特殊的雨水斗的設(shè)計(jì)，實(shí)行汽水分離，從而使雨水立管中為滿流狀態(tài)，當(dāng)立管中的水達(dá)到一定的容量時(shí)，虹吸作用就產(chǎn)生了。在降雨過程中，由于連續(xù)不斷的虹吸作用，整個(gè)系統(tǒng)得以令人驚奇的快速排除屋頂上的雨水。本文通過工程實(shí)踐提出相關(guān)技術(shù)問題，以供借鑒。關(guān)鍵詞：重力流、虹吸排水、施工技術(shù)1.前言目前，絕大部分屋面雨水排水基本采用重力流排放技術(shù)排水，但隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，超大型建筑不斷涌現(xiàn)，強(qiáng)對(duì)流的災(zāi)害型天氣頻發(fā)，對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或屋面面積超大的建筑，這種技術(shù)就難以滿足。目前國(guó)際上虹吸式雨水排放技術(shù)已經(jīng)很成熟。對(duì)于工業(yè)廠房、貨運(yùn)站、購(gòu)物中心、體育場(chǎng)館、物流中心、會(huì)展中心、火車站、飛機(jī)場(chǎng)等各類大空間、大跨度的大型屋面的建筑形式，采用虹吸式雨水排水系統(tǒng)更具科學(xué)性和先進(jìn)性。虹吸工作原理虹吸現(xiàn)象我們?cè)谌粘Ｉ钪薪?jīng)?？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(shí)放開手指，由于兩個(gè)液面存在高差hl，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(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，魚缸內(nèi)水就會(huì)被吸入塑料管，水就會(huì)不斷的從魚缸流向水杯，這就是虹吸現(xiàn)象。當(dāng)魚缸與水杯液面高差越大時(shí)，塑料管內(nèi)水流速度越大，排水越迅速。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(shí)現(xiàn)虹吸排水。降雨來臨時(shí)，屋面逐漸形成積水，由于采用了科學(xué)設(shè)計(jì)的防漩渦雨水斗，當(dāng)屋面積水達(dá)到一定高度，通過控制進(jìn)入雨水斗的雨水流量和調(diào)整流態(tài)減少漩渦，從而極大地減少了雨水進(jìn)入排水系統(tǒng)時(shí)所夾帶的空氣量，使得系統(tǒng)中排水管道呈滿流狀態(tài)，當(dāng)雨水通過管道變徑時(shí)，在此處產(chǎn)生負(fù)壓，加速雨水的排放速度。虹吸形成過程及其優(yōu)勢(shì)分析對(duì)大型屋面可“分區(qū)排水”，整個(gè)屋面排水系統(tǒng)可由數(shù)個(gè)子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)一個(gè)天溝，這樣天溝可避開伸縮縫。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是當(dāng)天溝內(nèi)雨水深度達(dá)到一定深度時(shí)，首先是尾管充滿水達(dá)到虹吸條件，繼而使整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生虹吸，即可使天溝雨水快速排放。因虹吸排水流速很大，要通過消能井再排入市政雨水排水系統(tǒng)。而當(dāng)雨量較小時(shí)，該虹吸系統(tǒng)也只有做為重力流系統(tǒng)使用。這樣，虹吸排水系統(tǒng)可用比重力流排水系統(tǒng)小得多的管線能排出幾十年一遇的暴雨雨水。此外，在相同排水量的情況下，虹吸排水系統(tǒng)所需的斗前水深要小于重力流系統(tǒng)。比如，計(jì)算表明排水量為40L/s時(shí)，用直徑300mm的重力流雨水管，其斗前水深需100mm，而直徑100mm的虹吸雨水管，其斗前水深僅需73mm，這對(duì)屋面的建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都非常有利。虹吸系統(tǒng)所用管徑不僅比重力流小，而且可比重力流“少”。即一個(gè)橫管，一個(gè)立管，可以上接十余個(gè)雨水斗，而重力流系統(tǒng)則需要多根立管。此外，虹吸系統(tǒng)的橫管可以水平安裝，而重力流系統(tǒng)其橫管必須有不小于5%。的坡度，將使橫管末端降低，從而影響使用空間或影響建筑結(jié)構(gòu)處理。虹吸系統(tǒng)的立管因數(shù)量少，可利用樓梯間、立柱旁等處敷設(shè)，不占用更多的使用空間，橫管也可以敷設(shè)在非敏感的公共走廊等處?？傊?，虹吸排水系統(tǒng)能給建筑設(shè)計(jì)一個(gè)非常有利的條件。虹吸排水系統(tǒng)與重力排水系統(tǒng)重要設(shè)計(jì)參數(shù)的比較兩種排雨水系統(tǒng)雨水斗和雨水立管的最大設(shè)計(jì)泄流量見表1和表2：表l雨水斗最大設(shè)計(jì)泄流量表2雨水立管最大設(shè)計(jì)泄流量通過上述比較可以看山，與重力雨水排水系統(tǒng)相比，虹吸雨水排水系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①管徑小；②管道安裝所需空間?。虎蹜业豕艿榔露刃?，可為管道安裝提供方便，節(jié)約建筑空間；④下水道連接管和理地管道少，地下工程量?。虎菹到y(tǒng)流速大，有較好的自清作用。缺點(diǎn)是：兩系統(tǒng)取同樣的設(shè)計(jì)重現(xiàn)期時(shí)，虹吸雨水排水系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)溢流的可能性。虹吸排水的施工要點(diǎn)5.1雨水斗安裝雨水斗的安裝位置應(yīng)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。虹吸系統(tǒng)的雨水斗與普通雨水斗的主要區(qū)別在于有結(jié)構(gòu)獨(dú)特的空氣擋板，空氣擋板不僅能有效地阻止空氣進(jìn)入尾管，而且對(duì)由空氣擋板下面流入尾管的雨水具有整流作用。再有，即使天溝內(nèi)落葉等垃圾沒有及時(shí)清掃，空氣擋板的結(jié)構(gòu)也能使排水功能不受大的影響。雨水斗安裝在屋面的天溝里，混凝土屋面與金屬屋面用雨水斗，其主要構(gòu)件部分均相同，只是因安裝條件不同而略有差異。下面以混凝土屋面用雨水斗為例說明雨水斗的安裝要點(diǎn)。在屋面防水層施工前安裝不銹鋼底盤放在預(yù)留孔的正上方，確保底盤與面板頂面標(biāo)高保持一致，同時(shí)用混凝土封堵尾管與預(yù)留洞之間的空隙。在混凝土封堵完成后，土建方開始進(jìn)行防水施工，但要保證防水層不超過規(guī)定界限。防水施工完成后，安裝夾圈，防水保護(hù)層及找平層做到夾圈的邊緣。在屋面工程結(jié)束，管路系統(tǒng)安裝完畢后安裝空氣擋板或隔柵防護(hù)罩。雨水斗以不銹鋼底盤、夾圈、空氣擋板等幾個(gè)部件組成，不銹鋼底盤固定安裝在天溝，上面安裝空氣擋板，下面有接尾管的短節(jié)，因而雨水斗的定位安裝就是其不銹鋼底盤的定位安裝。不銹鋼底盤起“承上啟下”的作用，安裝前要注意核實(shí)定位尺寸及標(biāo)高。5.2水平管與立管的安裝管線的安裝關(guān)鍵是定位準(zhǔn)確，特別是彎頭、大小頭、三通等處的定位。要注意系統(tǒng)圖中標(biāo)注的所有管道長(zhǎng)度的度量均以管道中心為準(zhǔn)，所有彎頭、三通、變徑接頭均以與聯(lián)接管中心交點(diǎn)為準(zhǔn)。要特別注意水平管的標(biāo)高不能任意變動(dòng)，以免破壞虹吸條件。安裝時(shí)要特別注意管道的配置，因?yàn)橐后w在管道中沿著管壁流動(dòng)，當(dāng)條件具備產(chǎn)生虹吸時(shí)也有一個(gè)過程：由重力流發(fā)展為波浪流，再發(fā)展為氣泡混合流，最后為滿管流。因此，施工過程中要注意正確配置管道，采用“順?biāo)狈绞?，保證管道不進(jìn)入空氣（同時(shí)，要注意尾管的有效長(zhǎng)度）大小頭在水平管和立管上的連接如圖所示。5.3尾管的安裝關(guān)鍵是尾管的安裝時(shí)間應(yīng)放在“最后”，即必須在天溝全部土建施工完成、清潔后，與雨水斗的空氣擋板同步施工，以完成整個(gè)虹吸系統(tǒng)的施工。因?yàn)槲补苓^早的連接，會(huì)使虹吸系統(tǒng)的管線過早投入運(yùn)行，而天溝的水泥砂漿等會(huì)隨雨水流入并在水平管與立管管壁凝固結(jié)塊，而使虹吸系統(tǒng)失去其功能，一旦造成這種情況，處理起來代價(jià)很高。因此，在施工合同中就應(yīng)與建設(shè)方說明，虹吸系統(tǒng)不可作為施工期間的雨水排水用。5.4抓好圖紙會(huì)審工作因虹吸系統(tǒng)是經(jīng)過精確計(jì)算而設(shè)計(jì)的，任何改動(dòng)都需要經(jīng)計(jì)算確認(rèn)。因此，要在施工前，通過圖紙會(huì)審，重點(diǎn)確認(rèn)系統(tǒng)的定位與標(biāo)高以及與其它專業(yè)安裝有無沖突，以盡量減少日后施工中的改動(dòng)。其次，通過圖紙會(huì)審，確認(rèn)土建圖紙上雨水斗預(yù)留洞及管線穿墻（或樓板）處預(yù)埋套管等位置是否準(zhǔn)確，有無遺漏。這樣在土建主體施工過程中只派1人跟進(jìn)檢查其預(yù)留與預(yù)埋是否正確即可，而當(dāng)全面施工條件具備時(shí)才集中力量進(jìn)場(chǎng)完成主要安裝工作量。之后，當(dāng)具備竣工條件時(shí)再安排適當(dāng)力量集中完成雨水斗的空氣擋板安裝及尾管的連接，從而提高工效。5.5安裝技術(shù)要點(diǎn)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(shè)計(jì)，因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行依靠虹吸作用，所以確保產(chǎn)生并維持虹吸作用的技術(shù)要點(diǎn)是保證系統(tǒng)正常運(yùn)行必要條件。5.5.1水的持續(xù)流動(dòng)性在保證水流方向的持續(xù)流動(dòng)性是維持虹吸作用的關(guān)鍵。特別是在管道轉(zhuǎn)彎角度相對(duì)較大，甚至呈90°的時(shí)候，很有可能因?yàn)楣軆?nèi)流速的突然下降而引起虹吸作用被破壞。因此，當(dāng)水流有90°的方向改變時(shí)，此處彎頭的連接方式，必須注意設(shè)計(jì)一個(gè)銜接管段，以保證流速不會(huì)突然大幅下降，而是維持上升的狀態(tài)，從而整個(gè)虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)得以正常運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)90°T型支管時(shí)，當(dāng)橫管內(nèi)水流以較快的速度沖向管壁突然遇到阻礙，在極短的時(shí)間內(nèi)速度降為零。一方面對(duì)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(gè)與初始方向相反的速度，迅速的在管內(nèi)形成回流，這樣，兩股方向相反的水流在管內(nèi)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(shí)可根據(jù)管道的空間和環(huán)境情況來進(jìn)行選擇相應(yīng)的解決方式。例如在拐彎或支管匯集處可以采用相對(duì)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。5.5.2氣水混合流的影響當(dāng)系統(tǒng)管道內(nèi)形成虹吸作用時(shí)，由于可供使用的管道管徑不一定恰好是計(jì)算所得的管徑尺寸，因此管道內(nèi)部會(huì)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(dòng)過程中會(huì)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(nèi)水的流態(tài)的另一個(gè)重要因素是系統(tǒng)內(nèi)各部分的負(fù)壓，負(fù)壓過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)流速過快，發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，對(duì)于金屬管道產(chǎn)生極大傷害。同時(shí)負(fù)壓過高，系統(tǒng)內(nèi)小氣泡會(huì)在負(fù)壓作用下破裂使管道系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈震動(dòng)，減少系統(tǒng)使用壽命。因此在虹吸式雨水管道計(jì)算時(shí)要求管道內(nèi)負(fù)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(nèi)的氣團(tuán)。如果排水管道內(nèi)，中間部分是氣團(tuán)，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(nèi)流態(tài)。管道內(nèi)氣團(tuán)的存在，嚴(yán)重影響虹吸作用時(shí)管內(nèi)滿流狀態(tài)的形成，水流在管內(nèi)的充滿度相當(dāng)?shù)?，大大減小了系統(tǒng)的排水能力。5.5.3系統(tǒng)的一體性和密封性為保證虹吸排水的產(chǎn)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(gè)完全敞開的入口，空氣就會(huì)在水流旋轉(zhuǎn)作用的帶動(dòng)下，從入口出進(jìn)入整個(gè)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(gè)系統(tǒng)也不再是高效的虹吸式排放系統(tǒng)了，實(shí)際上已經(jīng)作為一個(gè)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(dá)到比較好的排放效果，在安裝管道時(shí)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(shì)能的作用，整個(gè)系統(tǒng)無法有效進(jìn)行排水。因此，只有當(dāng)雨水口的入口處半敞開時(shí)，才能有效阻止空氣隨時(shí)進(jìn)入系統(tǒng)，當(dāng)斗前水深滿足一定要求時(shí)，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(jìn)入，還必須保證系統(tǒng)管道中沒有空氣進(jìn)入。所以，另一個(gè)要求就是系統(tǒng)的完全密封性，要保證管道無滲漏。因?yàn)樵诤缥饔脮r(shí)，管道內(nèi)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(nèi)壓力狀態(tài)改變，影響正常的虹吸作用。6.結(jié)束語屋面排水技術(shù)的發(fā)展史經(jīng)歷了重力流技術(shù)、重力一壓力流技術(shù)、虹吸一壓力流技術(shù)