建筑排水技術(shù)進展(20100621濟南)

南京市建鄴區(qū)廬山路128號新銳國際大廈裙樓601-608室Tel水/污水排放系統(tǒng)專家給你一個完美的解決方案1重力屋面排水系統(tǒng)存在的主要問題長的水平管或長的天溝排水需要坡度，給管道和天溝的鋪設帶來困難；

重力排水一般為單斗系統(tǒng)，大量的立管可能需要開挖排水溝，某些建筑內(nèi)排水溝被禁止；

雨水斗不能遠離落水點，立管不能靈活布置；同樣的排量和允許的天溝水深下，重力排水需要大得多的管道直徑。

存在的這些問題就形成了一種需求：

能否鋪設一種緊湊的排水系統(tǒng)，它有少量的立管，水平管不需要坡度，能夠把大屋面匯水排放到希望的落水點

一、屋面虹吸排水系統(tǒng)hPoCH條件：

a）管道內(nèi)為充滿狀態(tài)（不被大氣所貫通）；

b）管道出口低于液面；

c)C點與液面的高差小于大氣壓力形成的水頭。在虹吸狀態(tài)下，池中的水被大氣壓力壓到點C后順立管流出。問題：將池水壓到C點的動力能否被用于排水系統(tǒng)？

Po2虹吸現(xiàn)象給我們的啟示3虹吸原理在屋面排水中的應用圖中的條件可以滿足產(chǎn)生虹吸的三個要求，但要形成虹吸，還必須具備管道自動充滿的能力。如果將水池抬高，把天溝當成水池，就形成了如圖的雨水排放系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的特點是在水平管內(nèi)水流以有壓方式流動，即水平管左端和右端存在壓力差，水流可以在沒有坡度的條件下快速流動。這個壓力差來源主要來自于立管高度。4屋面排水中虹吸的形成過程小雨狀態(tài)：雨量超過1/3設計排量：雨量超過1/2設計排量：天溝內(nèi)有足夠的雨水使流量上升：虹吸生成過程描述水平管充滿后能否向立管充滿過渡，取決于流量QS和立管直徑的配合。這是一個理想化的過渡過程，不管實際過程如何，在尾管和立管充滿這些關(guān)鍵點上，存在著必須滿足的條件。尾管充滿段水平管充滿段立管充滿段最大流量QS5虹吸排水要解決的根本問題是什么？

利用大氣壓力（這個壓力有限，和高度有關(guān)）將遠離立管的雨水斗匯水經(jīng)水平鋪設的橫管輸送到立管頂端

解決了這個根本性問題，就會看到虹吸排水的許多優(yōu)點，同時也可以看出在什么樣的情況下才適合于應用虹吸排水系統(tǒng)：

要有高度（條件），大的匯水量且存在橫管，或者希望減小管道尺寸（需求）6實際排水過程

理想的虹吸排水過程只是一種臨界狀態(tài)，因為匯水量不可能始終恰恰等于排水量。當雨量大于排水能力時，天溝水位會持續(xù)上升；當雨量小于最大排水能力時，首先出現(xiàn)的是氣水混合流，隨后過渡到重力流狀態(tài)。虹吸排水和重力排水之間的主要不同點是，虹吸排水達到設計排水能力有一個過渡過程，而達到設計排水能力后就進入明顯的飽和狀態(tài)。虹吸排水系統(tǒng)設計必須考慮這兩個因素。7虹吸屋面排水的主要優(yōu)點和適用范圍7.1優(yōu)點流速，管徑小，便于隱蔽安裝。水平管可無坡度長距離延伸，雨水斗和立管布置自由；免去了大量的地溝開挖工作。專用雨水斗有效限制天溝水深。7.2適用范圍總水頭在3米以上的建筑，以形成必要的負壓；大屋面公共建筑；現(xiàn)代工業(yè)廠房，不允許室內(nèi)開挖地溝；屋面下方須有架設水平管的空間，一般的住宅和辦公房會受到限制。8尾管在虹吸形成過程中的作用

利用尾管水頭，獲得了一個起始流量，這個流量形成的流速必須能夠使立管達到充滿程度，有效勢頭進一步增加，從而使流速進一步上升。尾管過短，起始流量很小，立管頂端達不到充滿的程度，虹吸過程也無法形成。規(guī)程中建議尾管高度不小于1米，是一種安全建議。實際工程中由于吊頂高度或管道布置的限制，可能要求縮短尾管。在工程實例中，500mm長的尾管依然能夠正常工作。

不同雨水斗和尾管高度所形成的起始流量

規(guī)格流量高度TY-56TY-90TY-110TY-125流速（m/s)流量（m/s)流速（m/s)流量（m/s)流速（m/s)流量（m/s)流速（m/s)流量（m/s)0.5m2.364.652.4312.52.4519.32.4725.20.7m2.725.352.9214.62.8622.52.8829.41.0m3.136.103.3917.03.3428.33.3834.59如何處理短尾管系統(tǒng)對規(guī)程中提供的短尾管安全性的驗算方法，既不實用，也缺少資料。我們在實踐上采用的是驗算無立管最大流量能否充滿立管的方法。假定沒有立管而只有尾管、連接管和水平管以及水平管末端的彎頭、變徑，可以求得此時系統(tǒng)充滿狀態(tài)的最大流量，此流量主要和尾管高度、水平管長度、直徑有關(guān)。此流量只要能夠超過立管上段的充滿臨界流量，虹吸過程就能夠順利發(fā)展下去。

如果工程中遇到必須設置短尾管的情況，解決的主要方法有三點：加大雨水斗尾管直徑（相當于采用較大規(guī)格的雨水斗）；加大水平管直徑；適當減小立管上段的直徑。如果水平管很短（3米以內(nèi)），或者水平段有明顯的坡度，短尾管對虹吸生成不會產(chǎn)生明顯影響。

此圖是德國標準VDI3806中對不同立管-橫管連接方式下立管充滿流量的實驗結(jié)果。顯然，第三種連接方式的充滿流量會更小些。

在實踐中，為了提升立管頂端的水頭，防止過低的負壓，會把立管上的第一個變徑向下移動，這時盡管立管頂端直徑會較大，但立管內(nèi)仍有一段細管，在此段細管被充滿后能夠使虹吸過程發(fā)展下去。負正正負10虹吸狀態(tài)下管道內(nèi)的壓力分布虹吸狀態(tài)下，管道內(nèi)呈負壓11虹吸過程中管道內(nèi)的壓力限制設計規(guī)程中要求最低壓力不低于-9kPa。管道中出現(xiàn)過低的壓力（低于水的空化壓力，即常溫下的飽和蒸汽壓力），水中就會迅速產(chǎn)生大量蒸汽泡，從而降低了水的密度，大大影響系統(tǒng)的排水能力。計算表明，虹吸系統(tǒng)中的最低壓力一般出現(xiàn)在立管頂端，但是也可能出現(xiàn)在立管上的其他管徑突然縮小的部位，這要看上游管道水頭損失的大小以及流速的大小。最低壓力的限制也說明虹吸系統(tǒng)可用的水頭最大也超不過10米，系統(tǒng)設計中在各個環(huán)節(jié)必須特別關(guān)注降低阻力。管道內(nèi)存在負壓要求管道必須具有足夠的環(huán)剛度。環(huán)剛度不足（材質(zhì)，壁厚，均勻度）是造成管道被吸癟的根本原因。如果建筑結(jié)構(gòu)允許，加長尾管是充分利用建筑高度的有效辦法。降低水平管可充分利用建筑水頭：AB

在這個例子中，無論水平管是走上邊，還是走下邊，A點或B點最低允許壓力都是-9kPa。但由于尾管加長，B點和雨水斗之間卻可以有更大的壓力差，從而同樣的流量水平管也可以更細點。12無懸吊管虹吸排水系統(tǒng)方案：尾管延長直接落地，將橫管埋入地下。優(yōu)點如下：能夠快速形成有壓排水狀態(tài)地溝的開挖量比重力排水大大減少地溝不需要坡度，能夠明顯抬高市政排水管線的入口高度系統(tǒng)綜合成本比傳統(tǒng)虹吸系統(tǒng)低適合于外天溝屋面，或者允許在室內(nèi)鋪設管道的情況造價比懸吊系統(tǒng)降低15%到40%

下面兩個例子的成本相差25%4橫管埋地的虹吸排水系統(tǒng)

實例總流量：151L/s最低水頭:--8.17m最高水頭：0.32m成本：43099元總流量：151L/s最低水頭:--5.54m最高水頭：10.5m成本：32588元節(jié)約25%如果更換重力排水系統(tǒng)的雨水斗，并將雨水斗尾管和立管連成一體，重力排水系統(tǒng)就能以虹吸排水方式工作。進入虹吸狀態(tài)后，管道內(nèi)的壓力出現(xiàn)根本性變化，單斗系統(tǒng)的上部會出現(xiàn)明顯的負壓，常用的PVC排水管將不能承受這一負壓，故而必須更換管道。由于PE管材進入排水領(lǐng)域，虹吸排水應當擺脫原有的應用模式，可以向住宅建筑推廣，即采用無水平管的方式設計有壓排水系統(tǒng)。盡管住宅建筑不適合鋪設水平管，但可以用小管徑的立管排放大流量的雨水。13將重力排水系統(tǒng)變成虹吸排水系統(tǒng)雨水斗：75尾管：0.1m,de=75小橫管：0.5m,de=75立管：30m,de=75過渡段：2m,de=125流量：24L/s出口流速：2.3m/s對應于大約600平米的屋面作用：在斗前水深下獲得足夠的進口流量；實現(xiàn)水流從邊緣向中心的加速；抑制漩渦生成?？諝鈸醢逋鈴胶瓦M口高度保證了進口截面積，這是限制斗前水深的主要手段；充分利用從邊緣到中心的壓力差，保證了水流在喉部能加速到預期值，實現(xiàn)大排量。蓋板的封閉作用：保持喉部負壓。蓋板結(jié)構(gòu)應有助于防堵塞和防漩渦，也要流暢的通道。雨水斗的實際流量取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)14虹吸雨水斗sosoon

勁馳TM

基本型雨水斗TY-56雨水斗設計排量：8升/秒,接管直徑56mmsosoon

勁馳TM

基本型雨水斗STY-75雨水斗設計排量：20升/秒,接管直75mmTY-90雨水斗設計排量：30升/秒,接管直徑90mmTY-110/125雨水斗,設計排量40/80升/秒,接管直徑10/125mm擴展蓋板天溝當雨量急速上升時，由于虹吸形成的滯后，天溝內(nèi)會有相當?shù)挠晁鄯e，累積速度和雨量變化速度正相關(guān)短時超過設計排水量的落雨量也積累在天溝內(nèi)天溝容積必須具備對以上兩點的緩沖能力

虹吸生成的滯后現(xiàn)象

QthQ1Q2tQQth—設計排量Q1—落雨量Q2—實際排量影響滯后量的主要因素：雨水斗的排量尾管高度水平管的直徑和長度立管的直徑和高度雨量變化速度對鋼結(jié)構(gòu)屋面的長天溝（相應水平管很長），必須進行天溝緩沖能力驗算，這種驗算是一種近似的驗算，即計算靠尾管起始流量充滿水平管的時間。尾管的充滿過程很快，可以忽略不計，而一旦立管上部被充滿，虹吸發(fā)展過程非?？?。16天溝溢流溢流屬于非正常出流，溢流口或溢流系統(tǒng)不能明顯增大排水系統(tǒng)成本。溢流過程肯定要利用天溝自身的排水能力。堰式溢流（溢流口，包括寬頂堰和薄壁堰）會明顯抬高天溝水位，溢水流向屋外。正常排水和溢流是兩種不同的狀態(tài)。溢流系統(tǒng)溢流量從單獨的立管流出，但溢流口仍然應當設在靠近立管處，否則就可能成為額外的虹吸系統(tǒng)，失去溢流系統(tǒng)的本來意義。無圍堰虹吸溢流系統(tǒng)在天溝適當位置開出溢流口，通過溢流雨水斗和立管實現(xiàn)虹吸式溢流，溢流口周圍不加圍堰；工作狀態(tài)由于溢流口的旁路作用，基本系統(tǒng)和溢流系統(tǒng)同時處于排水狀態(tài)。隨著雨量上升，溢流口排水量加大，天溝水深上升，基本系統(tǒng)進入虹吸排水狀態(tài)由于沒有圍堰，溢流口水深可保持在100mm左右，這樣可以明顯降低整個天溝的水深。這種溢流方案把正常排水能力與溢流能力有機地結(jié)合在一起，把虹吸系統(tǒng)排水和溢流系統(tǒng)排水結(jié)合在一起，后者充分利用了天溝的寬度和深度。無圍堰虹吸溢流系統(tǒng)基本分析方法溢流正常排水溢流流量正常排水流量合成流量最高水頭點17虹吸系統(tǒng)的基本設計方法對一個排水系統(tǒng)可以有許多評價項目，如排水能力，造價，安全性，施工維護難度，建筑美觀性等等，這里僅簡要介紹一下滿足排水能力的水力計算方法。假定已經(jīng)進行了匯水分區(qū)，求得了匯水量，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)和可能的落水點進行了管路走向的初步設計，選定了雨水斗，確定了管長。水力計算的目的是確定每個管段的直徑，獲得一份最終的排水系統(tǒng)圖，提交一份水力計算書和材料清單。所設計的系統(tǒng)應當符合設計規(guī)程要求。水力分析的基礎(chǔ)是伯努利方程，實際上是一個能量平衡方程。計算中的難點是確定沿程阻力系數(shù)和各種不同類型、規(guī)格的管件的局部阻力系數(shù)。對多雨水斗系統(tǒng)，要根據(jù)流量和結(jié)構(gòu)計算管徑本身就是無解的方程。但是我們可以建立起某些約束條件，獲得一些初步的結(jié)果，然后再對這樣的結(jié)果進行驗算，觀察它對預定要求的滿足程度。

虹吸系統(tǒng)水力分析中有如下假定：所有的管道長度以轉(zhuǎn)折節(jié)點之間的長度為名義值，所有的局部阻力被認為是發(fā)生在一個點上，雨水斗進口流速為零。顯然這一假定和水力實驗的結(jié)果有不小差距，但是我們只有這樣做，計算才是可行的。這樣的計算結(jié)果雖然會偏離實際，但只要在我們許可的范圍內(nèi)，可能的偏差通過安全系數(shù)可以解決。

設計過程是一個反復的調(diào)整、驗算過程，它既需要計算方法，更需要設計師的經(jīng)驗。面對一個既有的系統(tǒng)，我們可以通過計算它的剩余水頭來考察它的排水能力和整個系統(tǒng)的平衡性。管件水頭損失按達西公式計算，設管件內(nèi)徑為d,g為重力加速度，Q為過流量

沿程水頭損失按下式計算：

Hy=λ

LV2/(2gd)=0.0827λLQ2/d5=RyQ2

局部水頭損失按下式計算：

Hj=ζV2/(2g)=0.0827ζQ2/d4=RjQ2

從每個雨水斗到達過渡段出口，沿途每個管組上的流量是已知的，所有管件的Ry或Rj是已知的，總水頭損失為每段損失之和。雨水斗的總水頭高度減去總水頭損失和過渡段出口的速度水頭，就是該雨水斗子系統(tǒng)的剩余水頭。在驗算中，對PE管和鋼管，可以選用以下參數(shù)進行近似計算：

λ

=0.025

雨水斗，ζ=0.545度彎頭，ζ=0.390度彎頭，ζ=0.5

三通順向入口，ζ=0.3

三通側(cè)向入口，ζ=0.5

擴大變徑，ζ=（1-d12/d22)2,d1—小端內(nèi)徑，d2—大端內(nèi)徑縮小變徑，ζ=0.5(1-d12/d22)

如果要求取剩余水頭為零時的系統(tǒng)最大排量，則需要采用迭代法計算。

虹吸排水設計中有幾個關(guān)鍵性的指標：壓力，控制最低壓力不低于-90kPa；流量，反映為剩余水頭,大于零；平衡，各雨水斗間平衡，水頭差不大于10kpa。公共管路影響每個雨水斗支路，而公共管路上游阻力直接影響系統(tǒng)最低壓力。管路A是主管路的公共管路，在通過設計流量時，最低壓力控制在適當數(shù)值上，這時流量肯定能滿足要求；調(diào)整管路B使各雨水斗的剩余水頭偏差保持在適當范圍內(nèi)；調(diào)整各雨水斗的尾管和小橫管，使剩余水頭偏差符合規(guī)程要求；調(diào)整立管和過渡段的直徑，使剩余水頭下降到合理值，系統(tǒng)內(nèi)滿管流狀態(tài)下的最低壓力值也符合規(guī)程要求。當對調(diào)整規(guī)則進行合理約束后，自動調(diào)整能夠使絕大多數(shù)系統(tǒng)快速達到目標。下面用實例說明設計過程

ABB標高25+1=26mQ=25*6=150L/sQm=152L/sHmin=-6.08mHdif=0.57m標高15+1=16mQ=25*6=150L/sQm=156.2L/sHmin=-6.1mHdif=0.57m標高10+1=11mQ=25*6=150L/sQm=156.7L/sHmin=-6.4mHdif=0.57m結(jié)論：不同標高不會影響到水平管和尾管的參數(shù)；在設計流量下，系統(tǒng)最低壓力受上游管道直徑影響；通過調(diào)整公共管道的參數(shù)，在調(diào)整系統(tǒng)最低壓力的同時，調(diào)整了總的流量，但不影響各雨水斗子系統(tǒng)之間的平衡；系統(tǒng)平衡靠水平管和尾管及小橫管調(diào)整實現(xiàn)。 由于天溝本身具備一定的通流能力，所以各雨水斗之間的不平衡可以通過天溝彌補。當天溝截面積足夠時，對雨水斗之間不平衡度不必太在意。不平衡并不會影響系統(tǒng)的最大排量。雨水斗尾管和小橫管水平管立管過渡段（埋地管）二次懸吊系統(tǒng)18虹吸排水系統(tǒng)的基本構(gòu)成雨水斗：

按排量分8L/s(TY-56),20L/s(TY-75),30L/s(TY-90),48L/s(TY110),60L/s(TY-125)5種規(guī)格按安裝方式分：混凝土天溝，鋼天溝和鋁天溝三類尾管和小橫管：

尾管是保證虹吸正常形成的必要條件，必須保證足夠的高度。小橫管既是建筑結(jié)構(gòu)的需要，也有助于調(diào)整系統(tǒng)平衡。水平管：

水平管一般是懸空架設的管道，把雨水斗匯水輸送到指定的立管位置，可以有多重轉(zhuǎn)彎，可以沒有坡度，但不允許倒坡立管：

立管一般設在建筑不顯眼位置，可以隱蔽安裝，可以有多重轉(zhuǎn)彎過渡段（埋地管）：

是由立管下端到雨水檢查井的管道，一般在0標高以下，可以有多重轉(zhuǎn)彎，要求末端出口流速不大于2.5m/s二次懸吊系統(tǒng)：

由于虹吸排水大多采用HDPE材質(zhì)的管道，具有較大的熱膨脹系數(shù)和柔性。為了防止管道熱脹冷縮造成的縱向位移，橫管采用在方鋼導管上進行二次懸吊，并用錨固法蘭將管道按一定距離固定到方鋼導管上。對不銹鋼管道不采用二次懸吊。19基本施工過程

鋪設過渡段—由于過渡段是在地下，一般是在土建階段進行預埋；鋪設立管—立管一般沿墻鋪設，可以在主體形成之后進行；鋪設水平管—水平管是在屋面結(jié)構(gòu)形成之后進行，屬于高空作業(yè)，管道在地面進行預裝，之后在空中組裝；天溝開孔—在天溝指定位置開出雨水斗的安裝孔。開孔工作和尾管及小橫管的施工同步進行。主要材料：雨水斗、管道、45度彎頭、45度斜三通、變徑束節(jié)、可調(diào)管卡、固定管卡、錨固法蘭、檢查口，方鋼管、相關(guān)的專用緊固件二、特殊單立管排水系統(tǒng)簡介

特殊單立管排水系統(tǒng)是由特殊的上部管件、管道和下部管件組成的單立管排水系統(tǒng)。目前國內(nèi)流行的