虹吸式屋面雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

梅璟 劉敏

摘 ?要：文章對虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行闡述，并以某建筑為例進(jìn)行分析，充分地了解到了支流匯入懸吊管對屋面雨水系統(tǒng)所產(chǎn)生的水力影響，采用何種計(jì)算方法來模擬系統(tǒng)中的水力狀況，將精確計(jì)算方法及常規(guī)計(jì)算方法進(jìn)行對比，精確計(jì)算方法得出的結(jié)果更加合理，為虹吸式屋面雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：虹吸式屋面雨水系統(tǒng);流量取值;雨水斗;管徑;水力校核

中圖分類號：TU823 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）28-0086-02

Abstract： This paper expounds the optimal design method of the siphon roof rain water drainage system， and takes a building as an example to fully understand the hydraulic influence of the tributary into the suspension pipe on the roof rain water system. What kind of calculation method is used to simulate the hydraulic condition in the system， and the accurate calculation method is compared with the conventional calculation method， and the results obtained by the accurate calculation method are more reasonable， which provides a new idea for the design of siphon roof rain water system.

Keywords： siphon roof rain water system; flow value; rain water bucket; pipe diameter; hydraulic check

前言

虹吸式屋面雨水系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用過程中，主要是運(yùn)用虹吸式雨水斗，氣水分離需在斗前水位達(dá)到一定深度后實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)借助雨水的勢能，在排水管道中形成負(fù)壓，當(dāng)雨水管道處于壓滿流狀態(tài)時，受負(fù)壓抽吸作用影響，屋面的雨水會保持高流速狀態(tài)，將屋面上的雨水快速的排除掉。虹吸式屋面雨水系統(tǒng)具有排水能力強(qiáng)，排水速度快，安裝方便，建筑成本更低等優(yōu)勢，在大型屋面施工中被廣泛的應(yīng)用，有效的解決了屋面存水問題。

1 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 雨水設(shè)計(jì)流量取值方法

雨水設(shè)計(jì)流量的取值會直接影響雨水管管徑及雨水斗的數(shù)量，為雨水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，是系統(tǒng)合理設(shè)計(jì)的前提。雨水系統(tǒng)不僅要求屋面雨水能夠快速、及時地排出去，在滿足排放要求的前提下，盡可能節(jié)約工程成本，降低運(yùn)行成本[1]。雨水設(shè)計(jì)流量是指在單位時間內(nèi)，對暴雨強(qiáng)度作用下屋面匯水面積上的降雨量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了提升暴雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)效果，應(yīng)嚴(yán)格按照相鄰地區(qū)及當(dāng)?shù)氐谋┯陱?qiáng)度公式來進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期主要是指對雨量相關(guān)資料進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)和分析，對暴雨強(qiáng)度出現(xiàn)的時間間隔進(jìn)行計(jì)算，其取值是影響雨水設(shè)計(jì)流量大小的主要因素，若重現(xiàn)期較長，則說明設(shè)計(jì)流量越大，設(shè)計(jì)工作的安全性便越高。但是也會極大的增加投入量，促使工程造價大大提升。因此，重現(xiàn)期在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)以氣候特征為設(shè)計(jì)依據(jù)，明確屋面構(gòu)造及建筑物的重要程度等因素，通常一般建筑物的雨水設(shè)計(jì)流量取值為2-5年，重要的公共建筑的取值為10年以上[2]。

1.2 雨水斗設(shè)計(jì)

雨水斗被廣泛應(yīng)用于屋面雨水排水狀態(tài)的控制中，能夠有效防止空氣通過雨水斗而進(jìn)入到排水系統(tǒng)中去，為虹吸式雨水排水系統(tǒng)的建立提供了前提。因此，在雨水斗的選擇上，針對反渦流功能蓋罩的壓力流，有必要選擇經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的專用雨水漏斗。布置位置應(yīng)根據(jù)管道的敷設(shè)情況、建筑結(jié)構(gòu)及屋面的匯水情況來決定。虹吸式排水系統(tǒng)作為一種多斗壓力流雨水排水系統(tǒng)，懸掛管上的多斗受負(fù)壓作用，相互之間的影響很小[3]。為了能夠展現(xiàn)出雨水斗的穩(wěn)定性，需要在同一水平面上布置同一系統(tǒng)的雨水斗。雨水斗數(shù)量的確定，根據(jù)具體選型來確定不同類型雨水斗的雨水流量及最大泄流量。為了提升懸吊管設(shè)計(jì)效果及設(shè)計(jì)質(zhì)量，應(yīng)嚴(yán)格按照滿管壓力流狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在降雨的初期，由于雨水量過少，主要是以重力流為主，水力坡度能夠?qū)崿F(xiàn)排水，主要是依靠雨水斗出口處至懸吊管中心線中的高差來形成水力坡度。為了提升排水的通暢性，防止屋面上存蓄大量的水，而出現(xiàn)積水溢流情況，需要將雨水斗出口與懸吊管中心線之間的高差控制在>1m。屋面排水系統(tǒng)出現(xiàn)癱瘓，受排水立管出現(xiàn)故障所致，應(yīng)保證在屋面匯水范圍內(nèi)的雨水排水立管數(shù)量多于2根[4]。

1.3 管徑確定方法

影響壓力流雨水管道系統(tǒng)正常使用的主要因素是系統(tǒng)中的壓力及流速，為了降低管道的運(yùn)行成本，提升管道的自清能力，需要將懸吊管的流速控制在≮1m/s。懸吊管管徑的計(jì)算應(yīng)根據(jù)懸吊管的最小設(shè)計(jì)流速、設(shè)計(jì)流量及≯RXO中的規(guī)定要求進(jìn)行計(jì)算。RXO=，其中，Pmax主要是指系統(tǒng)最大允許負(fù)壓值，一般≯80kPa。LXO主要是指懸吊管的等效長度[5]。

壓力流的形成與立管流速有直接關(guān)系，需要將流速控制在≮2.2m/s，確保能夠具備一定的沖刷力。一般，在立管上會產(chǎn)生系統(tǒng)的最大流速，為了降低噪聲，需要將管內(nèi)的流速控制在≯10m/s。對于排出管，需要將管徑放大，防止水流對檢查井造成較大的沖擊，需要將流速控制在≯1.8m/s。立管、出戶管管徑的確定，應(yīng)通過查水力計(jì)算表，對出戶管及立管的流量流速、不大于RO的規(guī)定進(jìn)行控制。R0=。其中，9.81H0主要是指可利用的最大壓力值。LO主要是指最不利計(jì)算管路的等效長度[6]。

1.4 水力校核方法

為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，應(yīng)做好滿管壓力流的設(shè)計(jì)及水利校核工作。在對各管段的局部損失及沿程損失進(jìn)行計(jì)算時，主要是根據(jù)各管段的管長及管徑來進(jìn)行計(jì)算，確保系統(tǒng)的最大負(fù)壓值能夠符合相關(guān)的設(shè)計(jì)要求，防止氣蝕破壞管道。在同一節(jié)點(diǎn)的不同支路中，在對水頭的損失差進(jìn)行計(jì)算時，需要將損失度控制在一定范圍內(nèi)，以確保各支路排水的順暢性，彼此之間無法互相干擾。當(dāng)計(jì)算結(jié)果未能滿足相關(guān)規(guī)定要求時，應(yīng)做好系統(tǒng)中管徑的調(diào)整工作，并對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化布置，并重復(fù)以上的步驟，直到滿足校核要求為止[7]。

2 實(shí)例分析

某建筑，長為110m，寬為70m，面積為F=7700m2，懸吊管的標(biāo)高為12.8m。若雨水斗的屋面標(biāo)高是13.5m時，排出管的標(biāo)高則為-1.32m。屋脊與寬平行，設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為P=5a，5min暴雨強(qiáng)度為428L/（s·hm2），管材為內(nèi)壁涂塑離心排水鑄鐵管，應(yīng)對壓力流屋面雨水排水系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

2.1 計(jì)算過程

虹吸式雨水系統(tǒng)計(jì)算方法為：（1）屋面設(shè)計(jì)雨水量為Q=ΨFq5/10000=231.66L/s。（2）對雨水斗的口徑進(jìn)行合理的選擇，明確雨水斗的口徑數(shù)量及布置方式，將壓力流雨水斗的口徑設(shè)置為75mm，但將排水量設(shè)置為Q=12L/s，共取20個，分布在2側(cè)，每側(cè)10個，每個系統(tǒng)中各5個，將雨水斗的間距控制在6m，將設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的時間控制在大于5年以上。（3）系統(tǒng)中可利用的最大壓力值為E=10H=10×（13.2+1.3）=145kPa。（4）管路等效長度L0=1.4L=1.4×52.3=73.22。（5）管路等效長度阻力損失R0=E/L0=145/73.22=1.98kPa/m。（6）懸吊管單位管長壓力損失，在立管與懸吊管的連接處會發(fā)生最大負(fù)壓，為了提升安全性，負(fù)壓值取-70kPa。懸吊管的等效長度為LX0=1.5LX=1.5×28.0=42m。懸吊管的管長壓力損失RX=70/39.5=1.772kPa/m。（7）管徑及水力的計(jì)算，從最小流速出發(fā)，在虹吸式雨水管道水力計(jì)算表中來確定管徑值。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

在計(jì)算期間，常規(guī)計(jì)算法，一般在節(jié)點(diǎn)8處會出現(xiàn)最大負(fù)壓，負(fù)壓值為-40.05kPa，在節(jié)點(diǎn)10處會出現(xiàn)最大正壓，正壓值為43.55kPa，支管匯入點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)5、節(jié)點(diǎn)6和節(jié)點(diǎn)7，壓力差分別為-2.06、0.51、-3.53、-11.82kPa，排出管口處的余壓為43.58kPa。精確計(jì)算法，一般在節(jié)點(diǎn)8處會出現(xiàn)最大負(fù)壓42.32kPa，在節(jié)點(diǎn)9處會出現(xiàn)最大正壓，正壓值為53.86kPa，支管匯入點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)4、節(jié)點(diǎn)5、節(jié)點(diǎn)6和節(jié)點(diǎn)7，壓力差分別為-1.78、1.51、-2.99、-9.81kPa，排出管口余壓為48.82kPa。

以上兩種計(jì)算結(jié)果顯示，兩種計(jì)算方法下，管內(nèi)壓力的變化趨勢無明顯的差異，節(jié)點(diǎn)8處均發(fā)生了最大負(fù)壓值，與事實(shí)相符合。在節(jié)點(diǎn)1-3處壓強(qiáng)具有一致性，是由于此處的節(jié)點(diǎn)無支流匯入。兩種計(jì)算方法下，最大正壓值中存在顯著的差異，節(jié)點(diǎn)9處為埋地干管與雨水立管的連接處，此處會產(chǎn)生最大正壓值，與實(shí)際的情況相符合。通過對此處的值進(jìn)行精確的計(jì)算，可知最大的正壓值，相對于常規(guī)計(jì)算法數(shù)值更高，說明使用常規(guī)計(jì)算方法所計(jì)算出來的最大正壓值要明顯低于實(shí)際情況[8]。在對虹吸式雨水系統(tǒng)中的水力進(jìn)行計(jì)算時，若是采用傳統(tǒng)的計(jì)算方法將會產(chǎn)生一定的局限性，在計(jì)算期間應(yīng)使用一根計(jì)算管路進(jìn)行連接，主要用于連接最遠(yuǎn)端的雨水斗至埋地干管的管路位置處，來了解各節(jié)點(diǎn)處的壓強(qiáng)。但是該種方法在多斗雨水排水系統(tǒng)中的水利計(jì)算中，由于未能充分的考慮到雨水斗的支管匯入懸吊管的節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)及能量變化情況的影響。因此，在虹吸式雨水排水系統(tǒng)水力計(jì)算中應(yīng)優(yōu)先使用精確計(jì)算方法。

3 結(jié)論

在對虹吸式雨水排水系統(tǒng)的水利狀況進(jìn)行計(jì)算時，應(yīng)采用一種更為精確的計(jì)算方法，以恒定總量的能量功能為依據(jù)，并充分的考慮到支流在匯入到懸吊管中，對水力所產(chǎn)生的影響，以提升計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此可知，在虹吸式雨水排水系統(tǒng)水力計(jì)算中，應(yīng)使用精確計(jì)算方法，合理選擇方案，以確保系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正常運(yùn)行。

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