建筑同層排水系列：橫支管管徑的選擇＊

關(guān)文民 段先湖 胡亞男

（1寧波世諾衛(wèi)浴有限公司 浙江 寧波 315514）（2咸陽(yáng)陶瓷研究設(shè)計(jì)院 陜西 咸陽(yáng) 712000）（3中國(guó)建筑裝飾協(xié)會(huì)廚衛(wèi)工程委員會(huì) 北京 100028）

在建筑衛(wèi)生間同層排水系統(tǒng)中，隨著對(duì)完成面高度關(guān)注的不斷加強(qiáng)，對(duì)于管道的排水流量的考慮也越來(lái)越具體，管道的管徑和坡度的選擇，就成為一個(gè)值得探討的問(wèn)題。

設(shè)計(jì)管道的管徑和坡度，主要是為了控制橫支管內(nèi)污水的流動(dòng)?？刂茩M支管內(nèi)污水的流動(dòng)的主要目的有：一方面要保證流動(dòng)的自潔性，另一方面就是要達(dá)到最遠(yuǎn)的輸送距離。

下面就橫支管的流動(dòng)自潔性及污水輸送距離的影響因素、流量計(jì)算方法、標(biāo)準(zhǔn)坡度等方面進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 橫支管流動(dòng)的自潔性

所謂自潔性，就是要沖走可能發(fā)生沉積的物體，防止橫支管內(nèi)部堵塞，以保證管道的長(zhǎng)期暢通。這些可能發(fā)生沉積的物質(zhì)，一般是指密度大于水的物質(zhì)。如果管道出現(xiàn)了內(nèi)部充滿了水的情況，那么就可能出現(xiàn)氣水混合的狀態(tài)，由于氣泡區(qū)的壓縮和膨脹的特性，就會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似于水錘的作用，阻滯水的流動(dòng)。因此，重力式排水，橫支管是不適合滿管流的。既然不適合滿管流，那么水在管道內(nèi)充盈的高度就應(yīng)該設(shè)置一個(gè)限度，如圖1所示。水在管道內(nèi)的充盈的高度h，與管道通徑d的比值，稱(chēng)為充盈度，即h／d。

圖1 水在管道內(nèi)充盈高度

水在管道內(nèi)的流動(dòng)，會(huì)對(duì)管道內(nèi)壁產(chǎn)生沖刷。沖刷的效果主要取決于水的流動(dòng)狀態(tài)，而流動(dòng)狀態(tài)跟雷諾系數(shù)Re有關(guān)，公式如下

式中：r——水力半徑，m；

u——流體流速，m／s；

ρ——流體密度，kg／m3；

μ——流體粘度，Pa·s。

當(dāng)Re＜2 000時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)屬于層流；當(dāng)2 000≤Re＜4 000時(shí)，屬于過(guò)渡流；當(dāng)Re＞4 000時(shí)，則屬于湍流或紊流。

對(duì)于DN50～DN200的管道，當(dāng)水的流速為0.6m／s時(shí)，按照以上公式進(jìn)行計(jì)算，其雷諾系數(shù)Re為30 000～120 000，遠(yuǎn)大于4 000。因此，排水管道的水流動(dòng)狀態(tài)，一般為湍流狀態(tài)，如圖2所示。水流的表面是不平靜，是波動(dòng)起伏的，因此，需要一個(gè)適當(dāng)?shù)目臻g，以防止水面波峰封閉管路，形成氣塞。

圖2 排水管道中水的流動(dòng)狀態(tài)

對(duì)于湍流，管道內(nèi)流動(dòng)的水中所含有的固體物，均有被沖走的可能，對(duì)于已經(jīng)沉淀的物質(zhì)，也有被沖刷走的動(dòng)力。但是，當(dāng)管道內(nèi)的平均流速相同時(shí)，水流離管徑中心越遠(yuǎn)且越貼近管壁，流速就越小。無(wú)論管道內(nèi)的流體如何湍流，在邊界層（靠近管壁的非常薄的流體層，稱(chēng)之為邊界層）內(nèi)，將會(huì)產(chǎn)生很大的粘滯力，使得必須有較大的流速，才能夠在邊界層形成足夠的速度，從而達(dá)到?jīng)_刷的目的。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50015－2010《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，對(duì)于管徑不大于DN200的管道內(nèi)，流速應(yīng)不小于0.65m／s。這樣，邊界層的厚度，就在相對(duì)合理的范圍內(nèi)，水中的物質(zhì)就不容易發(fā)生沉積。因此，適當(dāng)設(shè)計(jì)管道的坡度，以確保水的流速，是減少管道發(fā)生沉積堵塞的必要條件。

2 橫支管的輸送能力

所謂最遠(yuǎn)輸送，就是把懸浮在水面上的物體輸送到最遠(yuǎn)處，達(dá)到最佳的輸送效果，以防止因?yàn)樗牧魇?，而造成懸浮物過(guò)早地落在管道中。懸浮物體一般是指密度不大于水本身的物質(zhì)。

從圖2可以看出，在波動(dòng)的水的上方，需要有一個(gè)空間存在，以防止水的波峰封閉管道內(nèi)水面上方的氣體通道，避免形成氣塞。

在能夠保障管道內(nèi)氣體通道的情況下，水的流速越快，水位就越高，排污能力也就越強(qiáng)。因此，應(yīng)該盡可能以把最大的排水能力設(shè)計(jì)在充盈度標(biāo)準(zhǔn)允許的最大充盈度為目標(biāo)。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50015－2010的規(guī)定，管徑＜160mm時(shí)，充盈度 ≤0.5；管徑≥160mm，充盈度 ≤0.6。對(duì)于套內(nèi)住宅衛(wèi)生間來(lái)說(shuō)，一般管徑是不大于DN110的，因此，充盈度為0.5便是在同層排水橫支管設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的參數(shù)。

提高充盈度，就意味著不能僅以大管徑來(lái)提高排水的能力。而實(shí)際上，應(yīng)以潔具的排水量來(lái)確定管道的管徑和坡度。在保證沖水自潔速度的情況下，盡可能提高充盈度。坡度太小，自潔沖水速度不足；坡度太大，充盈度不夠。因此，綜合考慮管徑和坡度的設(shè)計(jì)，才是一個(gè)科學(xué)的方法。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50015－2010的規(guī)定，設(shè)計(jì)出管道的坡度和最大充盈度，如表1所示。

表1 管道的幅度和最大充盈度

3 流量計(jì)算方法

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50015－2010的規(guī)定，橫支管內(nèi)的水的流量，其計(jì)算方法是按以下公式計(jì)算：

式中：qp——計(jì)算管段排水設(shè)計(jì)秒流量，L／s；

A——管段設(shè)計(jì)充盈度下的過(guò)水面積，m2；

v——速度，m／s；

R——水力半徑（過(guò)流面積和濕周的比值），m；

I——排水管坡度；

n——粗糙系數(shù)（其中鑄鐵管為0.013；塑料管為0.009）。

確定相應(yīng)的潔具的廢水流量qp，按照流量公式，根據(jù)最小流速v＝0.65的原則，首先可以計(jì)算出充盈度下的過(guò)水面積A。然后根據(jù)最佳充盈度的h／d＝0.5的原則，計(jì)算出相應(yīng)的管道管徑，再根據(jù)管道的管徑系列標(biāo)準(zhǔn)，確定出管道的管徑d。然后根據(jù)管道直徑，重新確定出充盈度，就可以計(jì)算出水力半徑R。最后，根據(jù)管道的材料，和最小流速v＝0.65的原則，可以計(jì)算出相應(yīng)的坡度。

實(shí)際生活中，衛(wèi)生間潔具的使用頻率差異非常大。洗面器與坐便器，幾乎每天使用，但浴缸的使用頻率，一般就比較低。甚至，有些住戶在入住后，取消了浴缸，改成了更高使用頻度的淋浴。這樣，如何權(quán)衡管徑與坡度，甚至是管道布局，例如采用單行還是串聯(lián)，來(lái)達(dá)到同樣的流量，就成了一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，需要根據(jù)具體的實(shí)際情況進(jìn)行反復(fù)核算來(lái)決定。

由于節(jié)水產(chǎn)品技術(shù)水平的不斷發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)的部分規(guī)定已經(jīng)亟待更新，例如，大便器的排水管問(wèn)題。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，大便器的排水管不得小于DN110。按照標(biāo)準(zhǔn)坡度I＝0.026敷設(shè)管道，按上式流量公式和流速公式反復(fù)計(jì)算，得出的流速v＝1.04m／s，充盈度h／d＝0.235時(shí)，流量剛好是按GB 50015－2010提供的坐便器的流量qp＝1.5L／s。此時(shí)，充盈度僅為0.235，其輸送能力明顯不足。而采用標(biāo)準(zhǔn)允許的最小坡度I＝0.004，自潔流速僅為v＝0.54m／s，達(dá)不到0.65m／s。經(jīng)過(guò)反復(fù)核算，在滿足坐便器的流量qp＝1.5L／s時(shí)，應(yīng)該采用坡度I＝0.007，流速v＝0.65m／s，充盈度為0.33。

根據(jù)上述計(jì)算可知，DN110的管道應(yīng)用于坐便器的沖洗，充盈度最高為0.33，還有提高的空間，以增加輸送距離。

上述情況如果應(yīng)用在DN90的管道，應(yīng)用坡度I＝0.006 5這個(gè)略高于最小坡度標(biāo)準(zhǔn)值0.006的坡度，那么，在充盈度h／d＝0.45時(shí)，流量剛好是按 GB 50015－2010提供的坐便器的流量qp＝1.5L／s，而且流速v＝0.65m／s，可以滿足自潔要求。

由此可見(jiàn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的坐便器排水橫支管管徑不小于DN110，在理論上是有缺陷的，如果采用管徑為DN90的管道，效果會(huì)更好。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，衛(wèi)生間橫支管內(nèi)的污廢水流動(dòng)的狀態(tài)，基本上是湍流。管道的坡度和管徑的確定，需要以高于自潔流速和合理的充盈度為原則，來(lái)確保管道的暢通無(wú)阻。隨著節(jié)水產(chǎn)品種類(lèi)的不斷增加，舊標(biāo)準(zhǔn)也需要隨之同步更新，甚至應(yīng)該制定出超前指標(biāo)。