大型鋼結(jié)構(gòu)屋面內(nèi)天溝虹吸雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

康凱，許崇崴，汪小明，馬闖，王志勇，許曉琪

（1.中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥230601；2. 北京泰寧科創(chuàng)雨水利用技術(shù)股份有限公司，北京102200）

1 引言

工業(yè)的發(fā)展規(guī)模和技術(shù)水平是綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)，工業(yè)廠房是工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和先決條件，隨著我國(guó)改革開放的不斷深入，大型廠房，尤其是大型鋼結(jié)構(gòu)屋面不斷涌現(xiàn)。為保證建筑物結(jié)構(gòu)安全以及車間生產(chǎn)正常進(jìn)行，須將屋面雨水迅速、及時(shí)地排至室外管渠或室外地面，降低內(nèi)天溝滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

本文以某大型鋼結(jié)構(gòu)屋面為例，簡(jiǎn)述了內(nèi)天溝虹吸式屋面雨水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，并對(duì)常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行了探討。

2 設(shè)計(jì)概況及系統(tǒng)選擇

本項(xiàng)目為江蘇省淮安市金湖縣某熱處理車間C 軸線內(nèi)天溝，此內(nèi)天溝負(fù)擔(dān)的屋面面積約18 000 m2，屋面坡度為3%。根據(jù)GB 50015—2019《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[1](以下簡(jiǎn)稱《建水標(biāo)》)、CECS 183—2015《虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》[2]（以下簡(jiǎn)稱《虹吸規(guī)程》）及CJJ 142—2014《建筑屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》[3]（以下簡(jiǎn)稱《屋面雨水規(guī)程》）相關(guān)條文要求，對(duì)內(nèi)天溝虹吸排水進(jìn)行水力計(jì)算。計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 熱處理車間C 軸線內(nèi)天溝計(jì)算簡(jiǎn)圖

C 軸天溝長(zhǎng)度為240 m，柱間局部下沉，其中柱頂天溝深270 mm，柱間天溝深500 mm，柱間距為9 m。因此，每個(gè)柱間下凹區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)相對(duì)獨(dú)立的匯水區(qū)域。

根據(jù)《建水標(biāo)》第5.2.13 條第4 款要求，本項(xiàng)目?jī)?nèi)天溝采用虹吸式屋面雨水系統(tǒng)。

3 設(shè)計(jì)雨水流量計(jì)算

3.1 暴雨強(qiáng)度公式

暴雨強(qiáng)度公式根據(jù)淮安市人民政府發(fā)布的“市政府辦公室關(guān)于公布淮安市暴雨強(qiáng)度公式的通知”（淮政辦發(fā)〔2014〕64號(hào)）選取。

3.2 設(shè)計(jì)重現(xiàn)期

按《建水標(biāo)》第5.2.5 條第3、4、5 款要求，虹吸系統(tǒng)重現(xiàn)期取P=10 a，與溢流系統(tǒng)的總排水能力不小于100 a 重現(xiàn)期的排水量。計(jì)算可得設(shè)計(jì)重現(xiàn)期P 及相應(yīng)的5 min 暴雨強(qiáng)度q5如下：設(shè)計(jì)重現(xiàn)期Ps=10 a，q5s=0.0551 L/（s·m2）；溢流重現(xiàn)期Py=100 a，q5y＝0.0782 L/（s·m2）。

3.3 設(shè)計(jì)雨水流量

根據(jù)《建水標(biāo)》第5.2.1 條規(guī)定，C 軸線天溝設(shè)計(jì)雨水流量應(yīng)乘以系數(shù)1.5。經(jīng)計(jì)算，C 軸天溝的設(shè)計(jì)水量為：P1＝10 a，設(shè)計(jì)雨水流量q1=0.055 1×18 000×1.5=1 487.70 L/s；當(dāng)P2＝100 a，設(shè)計(jì)雨水流量q2=0.0782×18000×1.5=2111.4 L/s

P1＝10 a 時(shí)，每個(gè)柱間區(qū)域的匯水面積為：75 m×9 m=675 m2，匯水量為：Q=0.055 1×675×1.5=55.79 L/s，單斗流量55.79/2=27.9 L/s。故每個(gè)小的匯水區(qū)域設(shè)2 個(gè)虹吸雨水斗。

4 天溝尺寸計(jì)算

4.1 天溝尺寸影響因素

天溝尺寸影響因素有很多，依據(jù)《建水標(biāo)》第5.2.8～5.2.10條、《虹吸規(guī)程》第3.2.1～3.2.6 條及《屋面雨水規(guī)程》要求，有以下幾個(gè)因素：需負(fù)擔(dān)的排水流量、天溝的有效蓄水容積、保護(hù)高度、其他因素。其中，影響較大的為以下兩個(gè)因素：（1）有效水深及保護(hù)高度應(yīng)滿足《虹吸規(guī)程》第3.2.4 條規(guī)定；（2）天溝的有效蓄水容積應(yīng)滿足《虹吸規(guī)程》第3.2.6 條規(guī)定。

4.2 天溝排水流量計(jì)算

根據(jù)屋面虹吸雨水斗的布置，本工程天溝按水平短溝設(shè)計(jì)，排水流量計(jì)算公式根據(jù)《屋面雨水規(guī)程》第4.2.9 條計(jì)算，其中各種溝形的斷面系數(shù)kdf見(jiàn)《屋面雨水規(guī)程》表4.2.9，深度系數(shù)Sx、形狀系數(shù)Xx見(jiàn)《屋面雨水規(guī)程》附錄B；本項(xiàng)目為矩形天溝，按上述要求，kdf取3.89×10-5；折減系數(shù)kdg取0.9；Xx取1.0；深度系數(shù)Sx取0.82。

天溝有效深度為500-100＝400 mm。因每個(gè)小的匯水分區(qū)相對(duì)獨(dú)立，每段天溝的排水量計(jì)算如下：

天溝段面面積Az＝400×1 000=400 000 mm2

天溝排水量qcg=0.9×3.89×10-5×400 000×0.82×1.0

=288.79 L/s＞55.79 L/s

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，天溝排水能力滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 虹吸啟動(dòng)時(shí)間計(jì)算

取最不利系統(tǒng)（HYL-15）計(jì)算虹吸啟動(dòng)時(shí)間，計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。

圖2 最不利系統(tǒng)（HYL-15）計(jì)算簡(jiǎn)圖

YG100B 虹吸雨水斗的虹吸啟動(dòng)流量為25 L/s，本系統(tǒng)共設(shè)4 個(gè)斗。

虹吸啟動(dòng)時(shí)間計(jì)算參照《虹吸規(guī)程》第3.2.5 條，計(jì)算結(jié)果為TF＝58 s。

4.4 天溝有效蓄水容積計(jì)算

因最不利系統(tǒng)（HYL-15）虹吸啟動(dòng)時(shí)間小于60 s，故天溝的有效蓄水容積不宜小于匯水面積雨水設(shè)計(jì)流量持續(xù)60 s 的流量，即天溝需要蓄水容積為：1 487.70×60＝89 450.4 L＝89.26 m3；柱頂天溝深270 mm，28 個(gè)柱子，約28 m 長(zhǎng)，（柱上天溝長(zhǎng)度按1 m 計(jì)）；柱間天溝深500 mm，總長(zhǎng)為240-28=212 m。故天溝有效蓄水容積為：

212×B×0.001×（0.5-0.1）+28×B×0.001×（0.27-0.1）＞89.26。

其中，B 為天溝寬度，mm。經(jīng)計(jì)算，天溝最小寬度取B=1 000 mm。

5 虹吸系統(tǒng)計(jì)算說(shuō)明

為滿足天溝的有效蓄水容積，由于天溝為柱間下沉。因此，每個(gè)柱間下凹區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)相對(duì)獨(dú)立的匯水區(qū)域。其中，柱間距9 m 的區(qū)域26 個(gè)，柱間距6 m 的區(qū)域1 個(gè)。各區(qū)域匯水分析總表見(jiàn)表1。

表1 虹吸雨水各區(qū)域匯水分析一覽表

面積675 m2的匯水區(qū)域共26 個(gè)，每個(gè)區(qū)域布置2 個(gè)YG100B 雨水斗；面積450 m2的匯水區(qū)域共1 個(gè)，布置1 個(gè)YG100B 雨水斗。另外，按《虹吸規(guī)程》第3.7.10 條要求，出戶流速不宜大于1.8 m/s，且虹吸雨水常用的HDPE 管材最大管徑De為315 mm，可求得該管徑和流速對(duì)應(yīng)的最大流量為119.5 L/s。綜合流量、雨水斗數(shù)量等因素，故C 軸天溝共設(shè)置53 個(gè)虹吸雨水斗，形成14 個(gè)虹吸系統(tǒng)，左右兩側(cè)出戶。

6 虹吸溢流管道系統(tǒng)計(jì)算

本工程天溝相對(duì)連同，可按240 m 天溝整體考慮均布溢流雨水斗。溢流系統(tǒng)承擔(dān)的水量為：q2-q1=2 111.4-1 487.70=623.70 L/s，綜合流量、雨水斗數(shù)量等因素共設(shè)置12 個(gè)溢流雨水斗，形成6 個(gè)溢流系統(tǒng)。

7 設(shè)計(jì)心得

《建水標(biāo)》《虹吸規(guī)程》《屋面雨水規(guī)程》中對(duì)虹吸系統(tǒng)的計(jì)算提出了相關(guān)要求，結(jié)合以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)心得，供工程設(shè)計(jì)參考。

7.1 關(guān)于設(shè)計(jì)重現(xiàn)期

筆者建議，大型鋼結(jié)構(gòu)屋面虹吸系統(tǒng)雨水重現(xiàn)期按《建水標(biāo)》第5.2.5 條第5 款要求采用10 年，溢流設(shè)施的總排水能力按100 年。

7.2 關(guān)于內(nèi)天溝的深度

按《虹吸規(guī)程》第3.2.4 條要求，大型鋼屋面內(nèi)天溝的深度宜為350 mm，在不影響結(jié)構(gòu)形式，安全合理的前提下，與土建專業(yè)協(xié)商，內(nèi)天溝深度盡量滿足設(shè)計(jì)要求，如確有困難，可考慮做柱間下沉。

7.3 關(guān)于天溝有效蓄水容積及天溝寬度

為了控制內(nèi)天溝寬度不至過(guò)寬，可考慮控制虹吸系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間不宜超過(guò)60 s，天溝有效蓄水容積按匯水面積雨水設(shè)計(jì)流量持續(xù)60 s 的流量。內(nèi)天溝寬度應(yīng)滿足《虹吸規(guī)程》第3.2.2 條要求，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)雨水斗的選型，復(fù)核天溝寬度。

7.4 關(guān)于虹吸雨水消能措施

虹吸系統(tǒng)消能措施應(yīng)滿足《虹吸規(guī)程》第3.5.1～3.5.4 條要求，大型鋼結(jié)構(gòu)屋面一般都是多根出戶管一起出戶，筆者建議，與排出管連接的雨水檢查井采用帶排氣功能的消能井，并由中標(biāo)廠家二次深化設(shè)計(jì)。

7.5 關(guān)于虹吸懸吊管安裝高度及支、吊架

虹吸懸吊管的布置應(yīng)考慮距行車的安全距離，一般為0.2～0.3 m，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)與工藝、結(jié)構(gòu)專業(yè)核實(shí)。另外，還應(yīng)與結(jié)構(gòu)專業(yè)溝通，預(yù)留虹吸管道支、吊架生根條件。

7.6 關(guān)于虹吸溢流系統(tǒng)

虹吸溢流系統(tǒng)應(yīng)滿足《虹吸規(guī)程》3.6.1～3.6.9 條規(guī)定，當(dāng)采用溢流管道系統(tǒng)溢流時(shí)，建議在散水處設(shè)雨水口，雨水口不接至室外雨水管網(wǎng)，溢流系統(tǒng)排至此雨水口，溢流至室外地面，確保溢流系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

8 結(jié)語(yǔ)

虹吸系統(tǒng)水力計(jì)算復(fù)雜，一般需借助專業(yè)輔助軟件，設(shè)計(jì)院大多無(wú)此輔助軟件，須由專業(yè)廠家二次深化。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)跟建筑專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)及業(yè)主方及時(shí)溝通，保證上述設(shè)計(jì)心得中的各控制要點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)，以保證虹吸系統(tǒng)排水效果。