水封破壞與應(yīng)對措施

張 勤 曹文飛

在建筑生活排水系統(tǒng)中,水封的存在舉足輕重,直接關(guān)系到整個排水系統(tǒng)的安全。然而,由于設(shè)計、施工和管理等環(huán)節(jié)的疏忽,水封破壞的現(xiàn)象時有發(fā)生,嚴(yán)重影響了人們的生活。下面從水封外在和內(nèi)在兩個方面的因素來分析水封破壞的原因,并提出相應(yīng)的應(yīng)對措施。

1 排水管道內(nèi)的氣壓動態(tài)變化是水封破壞的主要外因

1.1 排水立管內(nèi)流態(tài)及氣壓動態(tài)變化對水封破壞的影響

對于單一橫支管排水,立管上端開口通大氣,立管下端經(jīng)排出橫干管接室外檢查井的情況下,排水橫支管內(nèi)的污水當(dāng)進入立管時會攜帶一部分氣體隨水流一起豎直下落,若不能及時補充帶走的氣體,立管的上部便會出現(xiàn)負(fù)壓。由于流速在立管內(nèi)是越來越大的,由能量守恒定律可知,立管頂部的負(fù)壓值為整個排水過程的最大負(fù)壓值,如圖1所示[2,3]。

最大負(fù)壓值的負(fù)壓抽吸作用一旦超出了水封承受的負(fù)壓極限就造成了水封的破壞。最大負(fù)壓值的大小與排水橫支管接入立管處的水舌阻力系數(shù)和立管中水流速度有密切關(guān)系,想方設(shè)法減小水舌阻力系數(shù)和實現(xiàn)立管水流的增阻消能對于保護水封安全和增加立管的通水能力有十分重要的工程意義。

在單立管排水系統(tǒng)中,立管負(fù)壓越來越小直至正壓產(chǎn)生并在立管底部出現(xiàn)最大正壓值,形成對靠近立管底部的基層衛(wèi)生器具水封的正壓噴濺作用,當(dāng)最大正壓值形成的氣阻壓力超出水封高度時,水封便被破壞了。

1.2 排水橫管內(nèi)流態(tài)及氣壓動態(tài)變化對水封破壞的影響

污水由豎直下落進入橫管后,橫管中的水流狀態(tài)可分為急流段、水躍段及躍后段、逐漸衰減段。急流段水流速度大,水深較淺,沖刷能力強。急流段末端由于管壁阻力,水流速度減小,水深增加形成水躍。在水流繼續(xù)向前流動的過程中,由于管壁阻力,能量逐漸減小,水深隨之減小,趨于均勻流,如圖2所示[3]。

橫干管水躍的產(chǎn)生是室內(nèi)排水系統(tǒng)壓力動態(tài)變化的關(guān)鍵原因。之所以在立管與橫干管連接處發(fā)生水躍,是因為立管中的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平管的流速,立管底部的水流動能便遠(yuǎn)大于橫干管的動能,為消耗立管和橫干管內(nèi)水流的動能差,勢必會在橫干管中產(chǎn)生水躍。水躍是多余能量的外在表現(xiàn)形式,這一現(xiàn)象主要影響底層排水橫支管衛(wèi)生器具的水封破壞。

2 水封裝置自身性能是影響水封破壞的內(nèi)因

2.1 水封深度與水封破壞

《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》[4]4.5.9條規(guī)定:“帶水封的地漏水封深度不得小于50 mm?！彼馍疃瘸酥Ц豆艿罋鈮鹤兓鸬膭討B(tài)損失外,余下的水封高度還要足以支付蒸發(fā)損失、毛細(xì)作用等靜態(tài)損失。一般認(rèn)為,負(fù)壓作用或正壓作用后水封裝置中剩余的水封深度至少要有20 mm～25 mm才能夠支付這類其他損失,否則視為水封破壞。水封作用機理應(yīng)被看作一系列的動態(tài)變化過程,原始狀態(tài)為50 mm深度的水封在經(jīng)歷最大負(fù)壓值的負(fù)壓抽吸后,水封恢復(fù),此時的水封剩余深度在經(jīng)歷最不利正壓作用穿透至水封再次恢復(fù)后,能否支付其他的靜態(tài)損失就不得而知了。負(fù)壓抽吸后的水封剩余深度與水封的形式有密切關(guān)系,水封形式具體體現(xiàn)為水封出水端與進水端過水?dāng)嗝婷娣e比,我們將這一比值定義為水封抗壓能力(水封強度)。

2.2 水封抗壓能力與水封破壞

趙世明先生曾對水封抗壓能力作了詳細(xì)的介紹和研究,并推導(dǎo)出在負(fù)壓抽吸作用下水封抗壓能力與剩余水封深度的數(shù)學(xué)表達式[5]:h=h0-P/(n+1)。其中,h為負(fù)壓抽吸作用后的剩余水封剩余深度,mm;h0為原始水封深度,mm;P為水封出水端水面上作用的負(fù)壓值,mm H2O;n為水封抗壓能力(即出水端與進水端過水?dāng)嗝婷娣e比)。

分析可知,n(即水封抗壓能力)與剩余水封深度成正比,n越大剩余水封深度越大,即負(fù)壓作用損失的水封深度越小,水封就越安全;n越小剩余水封深度越小。這一關(guān)系同樣適用于正壓作用。

3 防止水封破壞的應(yīng)對措施

3.1 加強通氣

在實際應(yīng)用中,要尤其注重專用通氣立管的設(shè)置。專用通氣立管在通氣系統(tǒng)中屬于中級標(biāo)準(zhǔn)。建筑標(biāo)準(zhǔn)要求較高的多層住宅和公共建筑、10層及10層以上的高層建筑的生活污水立管應(yīng)設(shè)置專用的通氣立管。設(shè)置專用通氣立管后,向負(fù)壓區(qū)補充的空氣不經(jīng)過水舌,水舌阻力系數(shù)趨向于0,立管內(nèi)的最大負(fù)壓值減小。

長期的使用經(jīng)驗表明,設(shè)置專用通氣立管的排水系統(tǒng)對防止有害氣體和臭味內(nèi)逸效果明顯。排水立管隔層通過H管與專用通氣立管連接,立管管道內(nèi)的空氣及時地得到補充,對立管內(nèi)空氣起到平衡作用,在減小負(fù)壓的同時,也減小立管底部的最大正壓值,減輕其對底層衛(wèi)生器具的噴濺作用,使得水封免受破壞。

3.2 合理布置排水橫干管

1)注重底層排水支管與排水橫干管的連接設(shè)計。現(xiàn)代建筑排水立管數(shù)量多、高度大、立管水流速度大,會在立管底部管道內(nèi)因氣、水沖擊產(chǎn)生較大的正壓。在設(shè)計中要嚴(yán)格執(zhí)行現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的“排水支管連接至排出管或排水橫干管上時,連接點距立管底部下游水平距離不宜小于3.0 m,且不得小于1.5 m”,當(dāng)不能滿足此要求時,排水底層排水橫支管應(yīng)單獨排出或匯合后單獨排出。2)避免排出管淹沒出流。在地下水較豐富的地區(qū),易出現(xiàn)糞水井、污水井等檢查井內(nèi)水位偏高現(xiàn)象,若井內(nèi)水位高于排出管管底標(biāo)高,則會造成淹沒出流,不利于排水和通氣,因此排出管不宜埋設(shè)過深。一旦出現(xiàn)排出管淹沒出流的情況,應(yīng)采取必要的通氣系統(tǒng),使排出管及時通氣。

3.3 選取合理的存水彎形式

在實際應(yīng)用中應(yīng)選取水封抗壓能力大的存水彎。市場上存在各種類型的存水彎,比較常見的有碗式存水彎、機械式存水彎、瓶式存水彎、筒式存水彎和管式存水彎等。其中,碗式存水彎抗壓能力小于1,應(yīng)嚴(yán)禁使用。推薦使用P形管式存水彎,它的水封抗壓能力大于1,且具有良好的水力條件,不易堵塞和蒸發(fā),配合器具通氣管使用效果更好。

4 結(jié)語

水封的破壞因素是多方面的,本文從外因和內(nèi)因兩個方面加以著重分析,并提出了相應(yīng)的解決對策。排水管道的氣壓動態(tài)變化對水封的影響在外因中起著主要作用,對此提出了加強通氣和合理布置橫干管的對策;水封深度和水封抗壓能力是水封破壞的內(nèi)因,對此除了嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范不低于50 mm水封深度界限的規(guī)定,還應(yīng)重視水封抗壓能力對水封作用的影響,建議在實際工程中選用水封抗壓能力大于1的P形存水彎。

[1] CECS 172-2004,排水系統(tǒng)水封保護設(shè)計規(guī)程[S].

[2] 樊建軍,梅 勝,何 芳.建筑給水排水及消防工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[3] 王增長.建筑給水排水工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[4] GB 50015-2003,建筑給水排水設(shè)計規(guī)范[S].

[5] 趙世明.水封的抗壓能力[A].全國建筑給水排水委員會排水分會第二屆第二次學(xué)術(shù)交流會[C].2009.