宋桃，葉吉，徐俊峰

（科順防水科技股份有限公司，廣東 佛山 528303）

近年來，我國城市化進(jìn)程不斷加速，建筑綠化成為城市建設(shè)和發(fā)展規(guī)劃的重要配套方案，涵蓋屋頂綠化、陽（露）臺(tái)綠化、架空層綠化、地下室頂板綠化、墻體綠化等多種形式。隨著城市地上可用空間日益減少，而開發(fā)地下空間可以有效解決城市用地和停車問題，使得種植頂板成為最常見的綠化設(shè)施。由于地下車庫隨著地下空間的開發(fā)越建越大，傳統(tǒng)種植頂板排水做法的缺點(diǎn)明顯不能解決大跨度種植頂板的排水需求，所以通過虹吸原理實(shí)現(xiàn)零坡度有組織快速排水是解決大跨度種植頂板排水問題的關(guān)鍵措施。

1 種植頂板傳統(tǒng)排水做法的局限性

傳統(tǒng)種植頂板構(gòu)造如圖1所示，排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由找坡層、排水層、過濾層和排水溝組成，該方式通過在種植頂板周邊建立排水溝，在防水保護(hù)層以上設(shè)置排水層，排水層上方采用過濾層覆蓋，最后覆蓋種植土層。使用這種傳統(tǒng)種植頂板的排水做法雖然可以將排水層收集到的水聚集到排水溝，再排入排水管網(wǎng)，但是這種排水系統(tǒng)在大跨度種植頂板上仍然存在一些局限性。

圖1 種植頂板建筑找坡構(gòu)造做法示意

1.1 大跨度種植頂板找坡難

種植頂板找坡形式有結(jié)構(gòu)找坡和建筑找坡2種形式。

建筑找坡也稱材料找坡，施工簡單，但會(huì)加重結(jié)構(gòu)荷載。為了減少建筑找坡帶來的荷載，一般選擇單位體積內(nèi)質(zhì)量較輕的材料，如膨脹珍珠巖、輕質(zhì)混凝土等。在實(shí)際施工和使用過程中發(fā)現(xiàn)，輕質(zhì)找坡材料具有較大缺陷，如果施工過程中遭遇降雨天氣，找坡層內(nèi)會(huì)集聚大量積水，在完成結(jié)構(gòu)防水施工后，即便防水層沒有損壞，但是當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷時(shí)，找坡層到的積水仍會(huì)發(fā)生滲漏。同時(shí)隨著溫度變化積水會(huì)產(chǎn)生水汽循環(huán)，在此過程中防水卷材極易發(fā)生疲勞破壞，引起大量滲漏竄水問題，使得定位和修復(fù)防水層損壞區(qū)域更加困難[1]。

近年來，針對(duì)建筑找坡的缺陷，有很多人提倡采用結(jié)構(gòu)找坡，它可以較大限度地減少負(fù)載并節(jié)省建筑材料[1]。當(dāng)種植頂板進(jìn)行結(jié)構(gòu)找坡時(shí)，坡度應(yīng)在1%～2%，但是在實(shí)際中，這種結(jié)構(gòu)并不能為大跨度種植頂板提供最佳排水效果。以1%的坡度為例，在200 m寬的種植頂板進(jìn)行雙向找坡會(huì)有1 m的高度差，覆土厚度在2.0～2.5 m，致使荷載增大，影響排水效果[2]，而且采用傾斜結(jié)構(gòu)找坡頂板，將會(huì)給結(jié)構(gòu)梁板、柱帽的布設(shè)帶來較大的挑戰(zhàn)。

1.2 大跨度種植頂板排水效率低

傳統(tǒng)種植頂板排水方式屬于無組織排水，排水效率低，大跨度種植頂板排水路徑和滲流時(shí)間過長。在暴雨時(shí)期，地上滲水量增加與地下排水不及時(shí)的矛盾更加突出，當(dāng)找坡層和排水層不能及時(shí)排出匯集而來的雨水時(shí)，這些雨水極易滲入地下室周邊，導(dǎo)致附近土壤水飽和，地下室周圍土壤被浸透后水就無處排放，很容易發(fā)生倒灌，增加建筑物的防水壓力。且積水上升到一定高度并浸沒植物根系時(shí)，會(huì)造成根系的腐爛[3]，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成防水層的局部滲漏。因此系統(tǒng)性地解決傳統(tǒng)排水做法找坡難、排水效率低等缺陷，成為當(dāng)下迫切需要解決的問題。

2 大跨度種植頂板虹吸排水技術(shù)措施

2.1 虹吸排水技術(shù)原理

虹吸排水技術(shù)原理是通過虹吸排水槽把大跨度種植頂板劃分為不同的排水分區(qū)，利用高密度聚乙烯排水板（自帶土工布）將土壤滲入水不斷引導(dǎo)至虹吸排水槽，將面排水轉(zhuǎn)化為線排水。在虹吸排水槽上安裝透氣管，在空隙、重力和氣壓作用下虹吸排水槽內(nèi)的水迅速聚集到出水口，出水口通過管道變徑的方式使虹吸直管形成滿管流，經(jīng)觀察井排入市政雨水井或雨水收集系統(tǒng)內(nèi)。這樣就從以往的被動(dòng)式擠壓無組織排水轉(zhuǎn)變成了主動(dòng)式虹吸排水，實(shí)現(xiàn)零坡度、有組織排水[4]。

虹吸排水系統(tǒng)由高密度聚乙烯排水板（自帶土工布）、虹吸排水槽、透氣觀察管、虹吸排水管和觀察井構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)造如圖2所示。

圖2 種植頂板虹吸排水系統(tǒng)構(gòu)造示意

2.2 高密度聚乙烯排水板

排水層常用材料有塑料排水板、礫石、陶粒等。其中采用礫石作為排水層荷載較大，排水縫隙不均勻，容易堵塞積水，而且會(huì)影響種植頂板覆土高度；采用陶粒作為排水層雖然荷載小，但強(qiáng)度不高，在施工中容易被壓碎從而失去排水效果。采用塑料排水板（如聚苯乙烯材質(zhì)、高沖聚苯乙烯材質(zhì)、聚氯乙烯材質(zhì)、回收料的高密度聚乙烯材質(zhì)等）作為排水層，延伸率較低，脆性大，覆土?xí)r易遭到擠壓破壞，如圖3所示。

圖3 塑料排水板破壞

為避免種植頂板排水系統(tǒng)被阻塞，保護(hù)種植土壤不被水帶入排水層，防止水土流失，維持植物適宜的生長環(huán)境，需在排水層上設(shè)置過濾層。過濾層常用的材料為150~200 g/m2聚丙烯或滌綸無紡布，一般直接空鋪在陶粒、礫石排水層或采用膠水粘結(jié)在塑料排水板上，由于沒有可靠的固定措施，往往在回填土?xí)r會(huì)出現(xiàn)大面積塌陷、鼓包，如圖4所示，影響整體排水效果。

圖4 過濾層塌陷鼓包

為解決上述問題，選用全新高密度聚乙烯原料替代常用的回收料，在熔融狀態(tài)下經(jīng)真空吸塑和模具沖壓，制作出表面均勻密布單向半錐形凸起的排水板結(jié)構(gòu)。改良后的排水板不但提高了理化性能及抗壓強(qiáng)度，同時(shí)增大其排蓄水空間，采用全新高密度聚乙烯原料制備的排水板成品為半透明狀，如圖5所示，與采用回收料制作的排水板外觀顏色有明顯差別。

圖5 高密度聚乙烯排水板

同時(shí)，在生產(chǎn)線上通過適溫?zé)o縫粘膠的工藝形式，將土工布過濾層與高密度聚乙烯排水板的凸臺(tái)粘接在一起，如圖6所示，實(shí)現(xiàn)排水、過濾一體化，即能節(jié)約現(xiàn)場過濾層的施工時(shí)間，又能避免過濾層發(fā)生塌陷。

圖6 排水板生產(chǎn)

高密度聚乙烯排水板為白色半透明片材，帶200 g土工布，規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 排水板規(guī)格參數(shù)

對(duì)自帶過濾層的高密度聚乙烯排水板進(jìn)行汽車進(jìn)行碾壓測試，經(jīng)過碾壓的部位均無明顯破壞，取下壓切片查看，凸臺(tái)及土工布無明顯受損或形變，產(chǎn)品整體保持較高的完好度，承重能力強(qiáng)，抗壓、抗折性能優(yōu)異。

在環(huán)境溫度為（23±2）℃，相對(duì)濕度50%～55%的檢測環(huán)境下對(duì)排水板的性能進(jìn)行檢測，結(jié)果如表2所示。

表2 排水板的性能指標(biāo)

由表2可見，3種型號(hào)排水板的拉伸強(qiáng)度和拉伸斷裂率均達(dá)到GB/T 18173.1—2017要求的2倍以上；抗壓強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于GB/T 18173.1—2017要求，當(dāng)殼體高度被壓縮一半后防排水保護(hù)板的外觀沒有發(fā)生破損，可以滿足絕大多數(shù)施工情況；在高溫和保持一定大氣壓力的條件下進(jìn)行其老化性能測試，并與未老化樣品的特性進(jìn)行比較，測試其拉伸強(qiáng)度保持率和拉斷伸長率保持率，結(jié)果顯示，3種防排水保護(hù)板的老化指標(biāo)均優(yōu)于GB/T 18173.1—2017的要求。以飽和Ca（OH）2溶液為浸泡介質(zhì)，在23℃的環(huán)境中浸泡168 h后測試其物理性能，結(jié)果顯示，試樣的耐堿性均優(yōu)于GB/T 18173.1—2017的要求，產(chǎn)品的耐候性較好。

2.3 虹吸排水槽

要解決大跨度種植頂板的排水問題，需要處理好地表下滲水的匯集和導(dǎo)流。通過設(shè)計(jì)倒U型的初代虹吸排水槽（如圖7所示），可以在槽體內(nèi)形成一定體積的空腔，有效解決下滲水存儲(chǔ)導(dǎo)流等問題。槽體使用高密度聚乙烯等原料吸塑成型，側(cè)面設(shè)有單側(cè)或雙側(cè)入水孔，頂部間隔設(shè)有若干加強(qiáng)肋條，可有效避免施工過程中各工種交叉作業(yè)時(shí)受外力破壞。槽體底部設(shè)有底板結(jié)構(gòu)，方便與排水板進(jìn)行搭接，兩端設(shè)有內(nèi)外徑互相匹配的插接式卡槽結(jié)構(gòu)，用來固定和延伸排水槽。

圖7 初代虹吸排水槽

但在實(shí)際工程應(yīng)用中，初代虹吸排水槽之間的連接卡位狹窄，連接不便，排水槽與排水板之間貼合不全，排水口被堵塞，甚至表面凸肋割破過濾層，見圖8。

圖8 初代虹吸排水槽存在的缺陷

針對(duì)初代虹吸排水槽的缺陷，對(duì)其連接方式、結(jié)構(gòu)及材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，如圖9所示。改進(jìn)后的虹吸排水槽采用仿生竹筒設(shè)計(jì)，通過間隔設(shè)置光滑拱形凸出部分，將原有槽體外壁加強(qiáng)筋布置到槽體內(nèi)側(cè)，增強(qiáng)槽體抗壓抗彎性能，可長期受壓不變形；表面光滑無外向尖銳的加強(qiáng)筋，且表面凸出部可以形成類似雨棚的支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)槽體側(cè)面入水口進(jìn)行防護(hù)，解決土工布易被割破，排水口被堵塞等問題，如圖10所示。排水槽之間取消了卡槽結(jié)構(gòu)，采用扣接方式連接，通過連接口和排水口的形狀優(yōu)化，使得排水槽與排水槽之間，排水槽與排水板之間，能在較小外力作用下輕松且牢固地連接，提高安裝效率。

圖9 改進(jìn)后的排水槽

圖10 改進(jìn)前后排水槽的入水口

在環(huán)境溫度為（23±2）℃、相對(duì)濕度50%～55%環(huán)境下對(duì)虹吸排水槽力學(xué)性能進(jìn)行檢測：抗壓強(qiáng)度≥3.5 kN；彈性回復(fù)率≥90%時(shí)，無破損；低溫脆性（-35℃）無裂紋；密度為0.89～1.07 g/cm3。

使用總質(zhì)量4 t的汽車對(duì)改進(jìn)后的虹吸排水槽進(jìn)行碾壓測試，結(jié)果顯示，被汽車碾壓過的部位只有輕微變形，且能夠瞬間恢復(fù)，產(chǎn)品無脆裂損壞，依然保持完整的功能性，抗壓性能優(yōu)異。

2.4 虹吸排水槽連接構(gòu)件

虹吸排水槽連接件有三通排水槽、四通排水槽、虹吸四通排水槽和柔性排水槽。其中三通排水槽呈丁字形，2個(gè)相對(duì)端口可與其他排水槽進(jìn)行裝配拼接，另一端口可密封作為連接構(gòu)件，也可與虹吸排水管連接，頂部還設(shè)有透氣觀察管插口，用于插入透氣管（見圖11）；四通排水槽呈十字形，其4個(gè)端口均可與其他排水槽進(jìn)行裝配拼接，其形狀如圖12所示。

圖11 三通排水槽

圖12 四通排水槽

虹吸四通排水槽采用分體式設(shè)計(jì)，由底座和上蓋組成，其形狀如圖13所示。以出水通道的角度為基準(zhǔn)，對(duì)3個(gè)入水通道進(jìn)行曲線型走向設(shè)計(jì)，使進(jìn)入通道的滲透水各自獨(dú)立，在交匯處匯合時(shí)的夾角為銳角，保證滲透水匯合時(shí)不是直接對(duì)沖，而是呈一定角度匯合，且在交匯處設(shè)置有引流凸臺(tái)，有利于滲透水形成旋渦，解決在某些匯水量較大位置容易形成滲透水對(duì)沖、紊流的問題，從而加快滲透水的排出速度[5]。

圖13 虹吸四通排水槽

柔性排水槽采用仿生竹節(jié)設(shè)計(jì)，在現(xiàn)有直通排水槽的基礎(chǔ)上，將其分隔為若干節(jié)排水槽單元，其形狀如圖14（a）所示。每節(jié)排水槽單元的兩端通過連接結(jié)構(gòu)相互連接并可以相互旋轉(zhuǎn)，若干節(jié)排水槽單元逐個(gè)依次連接，進(jìn)而組裝成柔性排水槽，柔性排水槽的兩端可以與現(xiàn)有的排水槽連接，如圖14（b）所示。柔性排水槽用于解決排水槽布置形狀和連接形式單一的問題，達(dá)到排水槽可以任意形狀和任意位置布置、排水槽之間以任意角度連接的效果，從而滿足排水槽完整覆蓋種植頂板和快速施工的要求[6]。

圖14 柔性排水槽

2.5 透氣觀察管和虹吸排水管

透氣觀察管采用直徑110 mm、環(huán)剛度≥4.0 N/m2、壁厚≥4.2 mm的PVC管，安裝在虹吸排水槽的設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)，如圖15所示。既可以隨時(shí)觀察系統(tǒng)排水動(dòng)態(tài)，與排水層進(jìn)行空氣流通，避免排水時(shí)形成負(fù)壓狀態(tài)加速排水，也可以給植物根系提供氧氣，防止?fàn)€根現(xiàn)象的發(fā)生。

圖15 透氣觀察管

為實(shí)現(xiàn)雨水的最終匯集和高效排放，進(jìn)一步提高排水效率，根據(jù)GB 50015—2019《建筑給排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和CECS 183：2015《虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》等規(guī)定，綜合考慮系統(tǒng)排水分區(qū)的匯流量，設(shè)計(jì)虹吸排水管為Z形。其入水口管徑為110 mm，與三通排水槽的排水口連接；中間段管徑為75 mm，具有一定的高度差，類似于屋面虹吸排水管；出水口管徑為110 mm，與觀察井相連，收集后的雨水可存儲(chǔ)到雨水回用系統(tǒng)或直接排入市政雨水管網(wǎng)。虹吸排水管通過管道變徑的方式，可以更快達(dá)到滿管流狀態(tài)，產(chǎn)生虹吸效應(yīng)提高系統(tǒng)流速，從以往的被動(dòng)擠壓式排水轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的主動(dòng)虹吸式排水，可以真正實(shí)現(xiàn)零坡度、有組織排水[4]。

3 應(yīng)用及總結(jié)

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，虹吸排水系統(tǒng)相比傳統(tǒng)排水做法（以1萬m2為例）可減輕荷載3～4 kN/m2，節(jié)約成本50～100元/m2，節(jié)約工期17～21 d，具體對(duì)比數(shù)據(jù)如表3所示。

目前該虹吸排水系統(tǒng)己應(yīng)用于醫(yī)院、酒店、辦公樓、學(xué)校、住宅小區(qū)、高鐵站等近100個(gè)項(xiàng)目，不但解決了傳統(tǒng)種植頂板的缺陷，而且提高了整個(gè)系統(tǒng)的排水效率，取得了良好的應(yīng)用效果，現(xiàn)場應(yīng)用效果如圖16所示。

表3 不同排水做法的荷載、成本及工期對(duì)比

圖16 現(xiàn)場應(yīng)用效果

作為符合海綿城市建設(shè)政策的綠色建筑方案，虹吸排水系統(tǒng)通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)層次，打破常規(guī)重力排水，實(shí)現(xiàn)無找坡有組織排水，減少資源消耗，降低結(jié)構(gòu)荷載，節(jié)省綜合造價(jià)和工期，符合“雙碳”政策；通過提高系統(tǒng)功能，不但能保護(hù)耐根穿刺防水層，而且可以實(shí)現(xiàn)高效、有組織地吸納排放滯水，解決大跨度種植頂板找坡難題，同時(shí)為雨水收集利用提供基礎(chǔ)[7]；通過綜合考慮雨水徑流污染控制和生態(tài)環(huán)境改善，配合雨水回收利用裝置將收集到的雨水資源二次利用，可緩解目前城市水資源緊缺的局面，實(shí)現(xiàn)雨水排放的科學(xué)管理，創(chuàng)造綠色生態(tài)宜居的人文環(huán)境，達(dá)到雨水資源化、集約化利用，推動(dòng)海綿城市建設(shè)，助力我國綠色建筑進(jìn)程的不斷推進(jìn)和碳中和國家戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。