虹吸式雨水排水系统施工工艺

维普资讯 http://www.cqvip.com 天津建设科技２００７・增刊　城市基础设施建设　虹吸式雨水排水系统施工工艺　李克江　王辉２　（１．中天建设集团天津分公司，天津３００１７１；２．天津市区县建筑管理总站，天津３０００５０　摘要：本文以庄吉商业中心工程为例，分析了虹吸式屋面雨水排水系统的特点。　关键词：虹吸式；雨水排放系统；Ｉ－ＩＤＰＥ管材　中图分类号：ＴＵ９９２．０３文献标识码：Ｃ文章编号：１００８—３１９７（２００７）Ｓ１—０３１１—０４　１工程概况　利用虹吸作用，极大地加快雨水在排水管内的流　速，快速排放屋面雨水。但在比较小的降雨强度　根据建筑使用用途，庄吉商业中心工程可分　或降雨过程的末期，降雨量减小，雨水斗淹没泄　为商场和配套服务两部分，地上８层，地下２层，　流的斗前水位降低到其一定值，雨水斗开始有空　工程总建筑面积为９５　２２８　ｍ２。屋面建筑面积共　气渗入，排水管道内的真空被破坏，排水系统会　计１１　２７９　ｍ２。　从虹吸压力流的工况转向重力流。　由于本工程屋面面积较大，设计中采用了适　虹吸式屋面雨水排水系统自雨水斗连接管　合大型商场及会展中心等对空间的要求特别高　以下，管道内呈负压，在悬吊管与立管的交叉点　的虹吸式屋面雨水排水系统，虹吸式排水系统具　处负压最大，其后立管上的负压减小，至临界点　有立管少、吊顶内水平不需放坡等特点，且施工　负压消失，管道内的压力为零，水流状态转为重　时沿梁底安装不需另行放坡，并且可随柱弯折。　力流。　本工程８层顶屋面共设４个系统、４根立管、　ｌ６个虹吸雨水斗；５层顶屋面共设２个系统、２根　３虹吸式雨水斗的技术特性　立管、８个虹吸雨水斗。虹吸雨水斗选用不锈钢　３．１虹吸式雨水斗的基本结构　材质、雨水管选用ＨＤＰＥ管材。　虹吸式雨水斗有ＤＮ５０～ＤＮ１５０等多种规格，　２虹吸式屋面雨水排水系统的工作原理　能够满足工程的实际要求，其材质有铸铁、铝合　金钢、不锈钢、高密度聚乙烯（ＨＤＰＥ）、聚丙烯　虹吸式屋面雨水排放系统采用特殊设计的　（ＰＰ），下沉的雨水斗置于屋面层中，上部设有进　雨水斗，使雨水在很浅的天沟水深状态下，即可　水格栅。在降雨过程中，通过格栅盖进入雨水斗　在管道中形成满流状态。利用建筑的高度与落　的屋面雨水落人深斗内，斗内带孔隙的整流罩，　水的势能，在管道中造成局部真空，使雨水斗及　使处于涡流状态的雨水平稳地以淹没泄流流出　水平管中的水流获得附加压力，造成虹吸现象，　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　收稿日期：２００７—０２—０６　作者简介：李克江（１９７１一），男，工程师，学士，中天建设集团　深，消除了在设计流量下工作时的渗气现象，提　天津分公司总工，从事建设工程技术管理工作。　高了雨水斗的额定流量。虹吸式雨水斗应带有　格栅，格栅间隙形状可以是孔状或细槽状，间隙　维普资讯 http://www.cqvip.com 城市基础设施建设　天津建设科技２ＯＯ７・增刊　口直径应《６　ｍｒｎ，且≯１５　ｍｒｎ。　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　３．２虹吸式屋面排水系统的管材要求　虹吸管材采用ＨＤＰＥ高密度聚乙烯管材，因　管材密度＜水的密度所以具有重量轻，安装方便　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　等特点。　ＨＤＰＥ管材采用电热熔方式连接，接头的强　定流量是以不渗入空气为确定原则，提出相应的　斗前水深，以ＤＮ　５０雨水斗为例，当泄流量为６　度与管材本身的强度相同，管道系统无漏水漏气　Ｌ／ｓ时，斗前水深降至４５　ｍｍ，水流出现乳化现象，　现象，安全可靠。密闭性是形成虹吸排水的重要　前提条件，选择强度高与连接密闭性能良好的管　道对系统的正常有效的工作起着至关重要的作　用。并且作为虹吸管材必须具有良好的吸收震　动特性，因虹吸式屋面排水是一个非常复杂的过　程，虹吸排水形成一般分为６种状态。　状态１：屋面无雨水的状态，管道内充满了空气。　状态２：雨量不大时，管道系统内会形成附壁　波纹流，空气依然能进入管道系统内。　状态３：雨量较大时，屋面雨水在管道系统中　开始形成脉冲流。　状态４：雨量再大时，屋面雨水在管道系统中　开始形成活塞流。　状态５：雨量再增大时，屋面雨水在管道系统　中开始形成泡沫流。　状态６：当屋面雨水达到或超过雨水斗的淹　没深度时，屋面雨水在管道系统中开始形成满管　流。　ＨＤＰＥ管材具有光滑的内表面，内曼宁系数　为０．００９，流体阴力小，光滑表面和非粘附特性保　证ＨＤＰＥ管材具有比传统管材更高的输送能力。　ＨＤＰＥ管材与配件环境适应能力较广，可在　一６ｏ℃～６ｏ℃温度范围内安全使用，不会因环境　的巨变而改变管材的各种特性。并且耐磨性好，　经有关试验表面ＨＤＰＥ管材的耐磨性为钢管的４　倍，这意味着ＨＤＰＥ管材具有更长的使用寿命和　更好的经济性。在防腐与耐老化方面也具备比　传统管材更加耐用的一方面。　４虹吸式雨水斗的计算　４．１虹吸式雨水斗额定流量的确定　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　一３１２一　数量降至４０　ｍｒｎ，渗气量为０．２　Ｌ／ｓ。虹吸式雨水　斗的斗前水深不宜＞５５　ｍｍ。两个雨水斗之间的　间距不应超过２０　ｍ。　４．２水力计算　虹吸式屋面雨水排水系统的水力计算应包　括对系统中每一管路的水力学工况作精确的计　算。计算结果应包括每一计算管段的管径、计算　长度、流量、流速、压力。　虹吸式屋面雨水排水系统的水力计算应符　合以下规定：　（１）虹吸式屋面雨水排水管系雨水斗至过渡　段总水头损失与过渡段流速水头之和不得大于　雨水斗至过渡段的几何高差；　（２）雨水斗顶面至悬吊管管中的高差不宜＜１　ｍ；　（３）雨水斗顶面至过渡段的高差在立管管径　≤ＤＮ　７５时宜＞３　ｍ，在立管管径≥ＤＮ　９０时宜＞５　ｍ；　（４）悬吊管设计流速不宜＜０．７５　ｍ／ｓ，立管设　计流速不宜＞２．２　ｍ／ｓ，不宜＞１０　ｍ／ｓ；　（５）虹吸式屋面雨水排水管系过渡段下游的　流速不宜＞２．５　ｍ／ｓ，当流速＞２．５　ｍ／ｓ时应采取　消能措施。　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，在设计计算中应　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。　（１）各雨水斗至过渡段的水头损失允许误差　应＜５　ｋＰａ。水头损失允许误差按下列公式计算　ＡＰ＝　。Ｐ。ｇ一　（　‘　＋Ｚ）　式中：△Ｐ——水头损失允许误差，ｋＰａ；　维普资讯 http://www.cqvip.com 天津建设科技２０Ｏ７・增刊　月　一雨水斗至出户管过渡段的几何高　差，ｍ；　ｌＤ——水的密度，４℃时，ｌ。＝１　０００　ｋ　ｍ３；　ｇ——重力加速度，９．８１　ｒｉｄｓ２；　（　・Ｒ＋　雨水斗至计算点的总水头损失，其　中　・Ｒ为沿程水头损失，ｚ为局　部水头损失，ｋＰａ。　（２）系统内的最大负压计算值应根据安装地　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，但不应＜９０　ｋＰａ，悬吊管内的压　力按下列公式计算　Ｐｘ＝Ａｈｘ‘ＩＤ‘ｇ—Ｖｘ２’ｐ１２一　（　・Ｒ＋Ｚ）　式中：　——悬吊管内压力，ｋＰａ；　△　——雨水斗顶面至悬吊管管中的几何　高差，ｍ；　——计算点的流速，ｍ／ｓ；　ｌＤ——水的密度，４℃时，ｌＤ＝１　０００　ｋｅｇｍ３；　ｇ——重力加速度，９．８１　ｒｉｄｓ２。　∑（【Ｊ・Ｒ＋Ｚ卜—俪水斗至计算点的总水头损失，　ｋＰａ。　（３）管道的沿程阻力系数应按下列公式计算　Ｒ＝　・ＬＩ　・Ｖ２１２ｇ　式中：Ｒ——水力坡降；　——摩阻系数；　Ｄ　——管道的计算直径，ｍ；　一流速，ｍ／ｓ；　ｇ——重力加速度，９．８１　ｒｉｄｓ　。　（４）过渡段下游管道应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虹吸式屋面雨水排水系统的安装与敷　设　５．１设计安装要求　（１）本工程屋面排水采用ＤＮ　６０不锈钢虹吸　式雨水斗。　（２）本虹吸式雨水斗按屋面的收水平均面积　均匀布置，雨水管紧贴框架梁底直接拐弯至楼层　城市基础设施建设　的管井内，水平悬吊管基本为ＤＮ　９０＿＿１１０＿－１６０，　立管为ＤＮ　２００—１６０—２３Ｏ的３种交替变径，雨水　斗下的支管是ＤＮ　５０，支管最长的有８５　ｍ，管材采　用ＨＤＰＥ高密度聚乙烯管。　（３）当虹吸式雨水排水系统接多个虹吸式雨　水斗时，雨水斗排水连接管应接在悬吊管上，不　得直接接在雨水立管的顶部。　５．２系统组件要求　（１）Ｉ－ＩＤＰＥ管材的纵向回缩率不应＞３％，管　材应具有抗紫外线能力。　（２）Ｉ－ＩＤＰＥ管材除承受正压外，还应能承受负　压，管材供应商应提供管材耐正压和负压的检测　报告，并进行评价。　（３）虹吸式雨水斗防叶罩格栅间隙形状可以　是孔状或细槽状，孔状间隙口直径应《６　ｍｍ，且　≯１５　ｌｎｌｎ。　（４）固定件应根据各管材按不同管径和要求　设置，位置应准确，埋设应平整，与管道接触应紧　密，且不得损伤管道表面。　５．３安装特点　虹吸排水管道的的安装极其简单，在吊顶内　水平管道可贴平板或梁安装无需放坡并且多个　雨水斗连接于一个水平管内，节约了宝贵的建筑　空间。　管道在安装时可按装饰的设计效果随意弯　曲或随斜管进行安装。　因虹吸式排水系统ＨＤＰＥ管材的连接为电热　熔连接，清理或有微小堵塞时打开屋面的雨水斗　空气挡叶板，用气泵向内吹气即可。并且虹吸式　排水系统因其流速较快具有较强的自洁能力。　５．４施工工艺流程　根据屋面面积进行雨水排量的设计一配合　屋面排水沟的施工及虹吸雨水斗的预埋一悬吊　管的安装一立管安装一灌水试验验收。　５．５安装要求　（１）虹吸雨水斗与屋面或天沟和管路系统应　可靠连接。　（２）虹吸式雨水斗布置在屋面的最低点，对雨　水立管作对称布置，当虹吸式雨水排水系统接多　个虹吸式雨水斗时，雨水斗排水连接管应接在悬　一３１３—　维普资讯 http://www.cqvip.com 城市基础设施建设　吊管上，不得直接接在雨水立管的顶部。　（３）天沟的起点深度应根据屋面的汇水面积、　坡度和虹吸式雨水斗的斗前水深确定，天沟坡度　不宜＜０．００３。　（４）雨水立管应设置检查口，其中心距地面　１．０　ｍ，最大设置间距≯３０　ｍ，连接管与悬吊管的　连接宜采用４５。三通。　（５）雨水斗的进水口应水平安装，进水口高度　应保证天沟内的雨水能通过雨水斗排净。　（６）ＨＤＰＥ悬吊管的锚固管卡宜安装在管道　端部和末端，间距≯５　ｍ，立管的锚固管卡间距不　应＞５　ｍ，导向管卡间距不应＞１５倍管径。　（７）在雨水立管的底部弯管处应设支墩或采　取牢固的固定措施。　６系统验收　（１）雨水斗安装位置应符合设计要求，雨水斗　边缘与屋面之间连接处应严密不漏。　（２）管道安装应符合现行国家标准《建筑给水　排水及采暖工程施工质量验收规范》ＧＢ　５０２４２—　２Ｏ０２的有关规定。　（３）雨水主立管及水平干管均应作通水试验，　排水应畅通，无堵塞。　７效果总结　传统的雨水排放是将天沟中汇集的雨水通　过雨水斗、雨水立管、排出管排至雨水窨井或是　通过雨水斗、悬吊管、雨水立管、排出管排至雨水　窨井。一般屋面排水系统常按其排水管的设置　位置和排水去向分为外排水系统和内排水系统，　而虹吸式屋面雨水排水系统能很大地提高屋面　雨水排水的能力；悬吊管接人雨水斗的数量不受　限制，节省了不少雨水立管；悬吊管不需做坡度，　安装方便、美观；系统按虹吸式压力流计算可以　减小选用管道的管径；工程实践证明可大量减少　工程造价。虹吸式屋面雨水排水系统与重力式　屋面雨水排水系统相比有明显的技术优势。　（１）传统重力式雨水排放系统。该系统主要　是利用屋面雨水本身的重力作用由屋面雨水斗　—－－——３１４・－－——　天津建设科技２ＯＯ７・增刊　经排水管道自流排放。传统重力式排放系统排　水管道按非满流状态设计，排放管道必须有一定　坡度。国家设计规范《建筑给水排水设计规范》　中规定雨水悬吊管最大计算充满度为０．８，雨水　悬吊管的敷设坡度不得＜０．００５。因为重力排水　系统按非满无压状态设计，为避免雨水悬吊管连　接过多的雨水斗而造成不均匀排水影响整个系　统排放效果，规范还规定重力式雨水排放系统宜　采用单斗排水。当采用单斗排水时，悬吊管上设　置的雨水斗不得多于４个，悬吊管管径不得＞３００　ｈｉｍ。因此以往国内设计的重力式雨水排放系统　通常为单斗排水系统，即一个雨水斗对应一根雨　水立管。　其缺点为雨水立管多，埋地管多；地面开挖　工作量大，雨水管管径大；雨水悬吊管有坡度，占　据建筑空间大，影响美观；建筑适应性、灵活性　差；管线不能随意布置；整个系统用材较多；悬吊　管最多接４个雨水斗；悬吊管不能过长；管道内不　具有自净功能。　（２）虹吸式雨水排放系统。系统由防漩涡雨　水斗，雨水悬吊管、雨水立管、雨水出户管组成。　虹吸式屋面雨水排放系统主要工作原理是在降　雨初期，屋面雨水高度未超过雨水斗高度时，整　个排水系统工作状态与重力状态系统相同。随　着降雨的持续，当屋面雨水厚度超过雨水斗空气　挡板高度时，由于采用了科学设计的防漩涡雨　斗，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，利用建筑物屋面的高度和雨水所具有的势　能，在雨水连续流经过雨水悬吊管进入雨水立管　跌落时形成虹吸作用。屋面雨水在管道内负压　的抽吸作用下快速排到室外。　优Ｊ　为雨水立管少；埋地管少，地面开挖工　作量少；雨水管管径较小；雨水悬吊管没有坡度，　占据建筑空间较小；建筑适用性、灵活性好；管线　能随意布置；整个系统用材较少；悬吊管接斗没　有限制；悬吊管的长度可达１５０　ｍ以上；管道内具　有自净能力。