虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)

李勝利　于　玲

摘要:虹吸式屋頂雨水系統(tǒng)的原理是依靠特殊的雨水斗的設計,實行汽水分離,從而使雨水立管中為滿流狀態(tài)(全部是水),當立管中的水達到一定的容量時,虹吸作用就產(chǎn)生了,可以快速排水。在降雨過程中,由于連續(xù)不斷的虹吸作用,整個系統(tǒng)可以以快速將屋頂上的雨水排出室外。

關鍵詞:虹吸作用;管道;排放

1引言

屋面雨水的排放在任何工程都要遇到,傳統(tǒng)的屋面雨水排放是利用重力學原理,由屋面坡度和排水溝將雨水集中到各個雨水斗位置,利用雨水的重力由雨水管自然流出。由于水進入雨水斗時空氣也大量混入,故雨水管中是汽水混合的狀態(tài),所以整個系統(tǒng)的雨水排放計算依靠人工手算為主,又由于是汽水混合流,所以管徑計算的都很大,數(shù)量也較多。這不但浪費材料,也浪費空間。而且水平雨水管將雨水匯集起來,再進入主管道,由于管內雨水靠重力流動,故水平要設置一定的坡度(不小于5‰),這又浪費處置高度的空間,影響吊頂?shù)仁覂鹊臉烁?總之,傳統(tǒng)的重力流排水方式耗材,耗力,浪費空間,地下開挖范圍大,極不方便。

2虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)工藝

2.1系統(tǒng)原理

在降雨初期或雨量很小,屋面雨水很少且高度未超過雨水斗高度時,整個排水系統(tǒng)工作狀況與重力排水系統(tǒng)相同。隨著降雨的持續(xù),當屋面雨水高度超過雨水斗高度時,由于采用了科學設計的防漩渦雨水斗,通過控制進入雨水斗的雨水流量和調整流態(tài)減少漩渦,從而極大地減少了雨水進入排水系統(tǒng)時所夾帶的空氣量,使得系統(tǒng)中排水管道呈滿流狀態(tài),利用建筑物屋面的高度和雨水所具有的勢能,在雨水連續(xù)流經(jīng)過雨水懸吊管轉入雨水立管跌落時形成虹吸作用,并在該處管道內呈最大負壓。屋面雨水在管道內負壓的抽吸作用下以較高的流速被排至室外。

降雨末期,雨水量減少,雨水斗淹沒泄流的斗前水位降低到某一特定值(根據(jù)不同的雨水斗產(chǎn)品設計而不同),雨水斗逐漸開始有空氣摻入,排水管內的虹吸作用被破壞,排水系統(tǒng)又從虹吸流狀態(tài)轉變?yōu)橹亓α鳡顟B(tài),此時雨水排放趨于結束,大部分雨水已經(jīng)高速排出,余水很少。

與懸吊管相似,立管內的水流狀態(tài)也會從附壁流逐漸向氣泡流,氣水浮化流過渡,最終在虹吸作用形成的時候,出現(xiàn)接近單向流的狀態(tài)。

因此,虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)所采用的雨水斗必須具有優(yōu)化設計的反渦流功能的蓋罩,防止空氣通過雨水斗入口處的水流帶入整個系統(tǒng),并有助于當斗前水位升高到一定程度時,形成水封完全阻隔空氣進入。

2.2虹吸式與重力式與面雨水排放系統(tǒng)的區(qū)別

虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)排水管道均按滿流有壓狀態(tài)設計,因此虹吸排水系統(tǒng)中雨水懸吊管可做到無坡度敷設。同時,當產(chǎn)生出虹吸作用時管道內水流流速很高,因此系統(tǒng)具有較好的自清作用。而重力式排水設計計算不按滿流計算,雨水懸吊管的敷設坡度不得小于0.005。

虹吸排水系統(tǒng)中排水管泄流量要遠大于重力排水系統(tǒng)中同一管徑排水管的泄流量,也即排除同樣的雨水流量,采用虹吸排水系統(tǒng)的排水管管徑要小于采用重力排水系統(tǒng)的排水管管徑。

虹吸排水系統(tǒng)其實質是一種多斗壓力流雨水排水系統(tǒng)。因此埋地管相對重力式排水系統(tǒng)要明顯減少。

2.3系統(tǒng)的組成

虹吸式屋頂雨水系統(tǒng)由雨水斗、管道、室外雨水管網(wǎng)三部分組成,其中室外雨水管網(wǎng)的制作與普通雨水系統(tǒng)相同。

2.3.1雨水斗

雨水斗是虹吸式屋頂雨水系統(tǒng)的核心部位,是實現(xiàn)水汽分離的重點部位,它的穩(wěn)流性越好,產(chǎn)生虹吸所需的屋面匯水高度越低,總體性能就越優(yōu)越。它是由雨水斗底座,碟片,格柵頂蓋組成,另外還有固定件,法蘭片,焊接片,防火保護帽等配件。

底座及碟片格柵頂蓋

壓力流(虹吸式)雨水斗材質為HDPE、鑄鐵或不銹鋼。其各部分有不同的結構功能。雨水斗置于屋面層中,上部蓋有進水格柵。降雨過程中,雨水通過格柵蓋側面進入雨水斗,當屋面匯水達到一定高度時,雨水斗內的反渦流裝置將阻擋空氣從外界進入同時消除渦流狀態(tài),使雨水平穩(wěn)地淹沒泄流進入排水管。虹吸式雨水斗最大限度減小了天溝的積水深度,使屋面承受的雨水荷載降至最小,同時提高了雨水斗的額定流量。

目前國內的產(chǎn)品,不同的廠家,雨水斗的形式不同。同一廠家的產(chǎn)品,也有多種形式的產(chǎn)品,以適應不同屋面的排水要求。如:平屋面,檐溝屋面、坡屋面、綠化屋面等,選用雨水斗時略有不同,但可以通過組合達到多樣化的要求。隨著廣泛的推廣使用,國家必將統(tǒng)一這一產(chǎn)品的規(guī)格及制作標準,做到產(chǎn)品通用。

由于雨水斗是虹吸式排水的關鍵部位,故雨水斗的設計安裝也有一定嚴格的要求:雨水斗離墻至少1米,以能夠廣泛收集雨水;雨水斗之間距離一般不能大于20米,以快速實現(xiàn)虹吸效應;平屋頂上如果是沙礫層,雨水斗格柵頂蓋周圍的沙礫厚度不能大于60mm,最小粒徑必須為15mm,以防止沙粒進入雨水斗而發(fā)生堵塞,影響排水效果;虹吸式雨水斗應設置在屋面或天溝的最低點,每個匯水區(qū)域的雨水斗數(shù)量不少于2個;如果雨水管是安裝在混凝土屋頂面層內,那么屋頂至少有160mm厚;斷面呈連續(xù)梯形的屋面雨水斗開口,為安裝固定件,尺寸必須是280mm x 280mm,如果開口大于300mm x300mm,屋頂則需加固;帶隔離層的屋頂隔離層厚度至少40mm。如果隔離層厚于180mm,雨水斗的底座必需延伸至能與連接管相連的恰當長度,接口部位不能設在隔離層內。

雨水斗安裝在屋面防水施工完成,安裝時旋掉保護螺絲,將表面清洗干凈,安裝上雨水斗配套的螺桿,裝上密封膠圈。雨水斗的進水口高度,要保證天溝內雨水能通過雨水斗排凈且雨水斗要水平安裝。屋面鋪設柔性防水卷材時,將卷材在螺桿位置處鉆孔。用螺帽將卷材壓環(huán),空氣擋板、雨水整流柵固定在雨水斗座上。根據(jù)要求,調節(jié)好空氣擋板上部的調節(jié)螺桿,并固定螺桿。

雨水斗安裝后,必須對屋頂或天溝做灌水試驗。試驗時堵住所有雨水斗,向屋頂或天溝灌水。水位應淹沒雨水斗,持續(xù)lh,雨水斗周圍屋面或天溝應不滲漏,為合格。

2.3.2管道

管道作為虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)最主要的部分,必須確保系統(tǒng)安全可靠,高效持續(xù)的運行。因此系統(tǒng)形成虹吸后,管道內為滿充雨水,不能夾雜氣體,當然,微小的不密封并不一定會造成滲漏,但是足以造成漏氣,一旦排水管道內出現(xiàn)氣團,虹吸式排水的效率馬上大大降低,嚴重的甚至會破壞虹吸作用。故管道必須保證完全的密封性和完備的防火措施,并且做到盡可能降低噪聲,吸收震動,抗擊沖擊外力,最大程度滿足抗溫度變化引起的形變。

但是管道的完全抗?jié)B漏并不意味著系統(tǒng)密封性得到滿足。一般情況下,對于其它抗?jié)B漏的要求是允許發(fā)生小范圍的滲漏,只要有補救措施即可。但是虹吸系統(tǒng)一旦發(fā)生滲漏,并不易發(fā)現(xiàn)。當突然出現(xiàn)暴雨的降雨強度,則可能立即造成整個系統(tǒng)崩潰。進而因為屋面雨水無法及時排放,嚴重時積水會超過屋面可負荷的荷載強度,引起屋面坍塌。

當系統(tǒng)管道內形成虹吸作用時,由于可供使用的管道管徑不一定恰好是計算所得的管徑尺寸,因此管道內部會有很多溶解在水中的小氣泡,并不是完全理想化的液體單相流。這些微小氣泡在流動過程中會逐漸釋放,然而這種氣水混合流而非氣水兩相流的流態(tài),仍可以被看作虹吸作用是允許存在的狀態(tài),并不影響虹吸作用的形成,也不影響系統(tǒng)的排水能力。

但是,溶解在水中的氣泡并不意味著管道內的氣團。如果排水管道內,中間部分是氣團,沿壁部分是水流,這樣就是傳統(tǒng)重力雨水排放系統(tǒng)的管內流態(tài)。管道內氣團的存在,嚴重影響虹吸作用時管內滿流狀態(tài)的形成,水流在管內的充滿度相當?shù)?大大減小了系統(tǒng)的排水能力。

由于虹吸系統(tǒng)是利用負壓排水的,因此管道的管壁必須具備相當?shù)某袎耗芰?。但是也不是完全的剛性體。因為虹吸系統(tǒng)的負壓一般不大于-0.08Mpa。過大的負壓會導致管內水流流速過快,發(fā)生氣蝕現(xiàn)象,對于金屬管道或者是金屬質地的連接處產(chǎn)生極大的傷害(-0.09Mpa已經(jīng)接近氣蝕的臨界值)。同時負壓過高也會給系統(tǒng)帶來極大的震動,減少系統(tǒng)的使用壽命。

管道和配件都必須具備阻燃的條件,當建筑物一處發(fā)生火災時系統(tǒng)能夠防止火災被迅速傳遞到建筑物的其他部分。所以,材料本身的阻燃性并不是最重要的,整個管道系統(tǒng)的防火擴散性才是將災害損失降至最低的關鍵。

管道安裝要求:

懸吊系統(tǒng)應避免穿越建筑沉降縫伸縮縫。當因現(xiàn)場情況無法避免時,應根據(jù)系統(tǒng)管材的特點,考慮不同管材的撓度,采取相應措施。

雨水橫管與立管、立管與排出管的連接彎頭采用兩個45°彎頭或R≥4D的90°彎頭。

雨水立管上應按設計要求設置檢查口,檢查口中心距地面1.0m。當采用高密度聚乙烯(HDPE)管時,檢查口的最大設置間距不大于30m。

雨水管穿過墻壁和樓板按要求設置套管

由于系統(tǒng)壓力較大,排出管宜采用能承壓管,并在出戶口管道管徑加大二級,以便泄壓,從而不會沖壞與其連接的雨水井。

埋地雨水管的埋沒深度應在冰凍線以下,應考慮管線上部的荷載

HDPE管鋪設在-般土質的管溝內鋪一層厚度不小于100ram的砂墊層,在穿入檢查井與井壁接觸的管端部位涂刷兩道粘結劑,并滾上粗砂,然后用水泥砂漿砌入,防止漏水,雨水立管的底部彎管處,應設混凝土支墩或采取牢固的固定措施。

雨水管道安裝后應做灌水試驗,灌水高度必須到每個系統(tǒng)上部的雨水斗。高層建筑灌水可分段進行。滿水15min,水面下降后,再灌滿觀察5min,液面不降,接口無滲漏為合格。

汽水混合流的排水過程中,有一個非常重要的要求,是關于在系統(tǒng)各部位內負壓的限制,規(guī)定負壓不得低于-0.8公斤。其原因在于,當負壓在-0.92公斤左右時,系統(tǒng)內的氣泡會在壓力的作用下破裂,使整個管道說系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈振動。

因此,為保證系統(tǒng)的正常運行,管道振動的危害是一個不容忽視的問題。如果振動不加以防范,可能會影響減少建筑結構的使用壽命,也可能會導致整個系統(tǒng)的破壞。安裝固定系統(tǒng)的主要功能之一是吸收這些振動,從而避免振動對建筑結構產(chǎn)生影響。故固定系統(tǒng)雖然是虹吸式雨水排放系統(tǒng)的輔助部分,卻起到至關重要的保護的作用。

當水流有90o的方向改變時,此處彎頭的連接方式,必須注意設計一個銜接管段,以保證流速不會突然大幅下降,而是維持上升的狀態(tài),從而整個虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)得以正常運行。

3 HDPE(高密度聚乙烯)管材的優(yōu)勢

承壓性能良好,管壁在外荷載作用下,不會破裂。能抵抗沖擊壓力,減少水錘沖擊破壞,保證系統(tǒng)的安全運行,維持虹吸作用的負壓,故虹吸式雨水系統(tǒng)的管道大多數(shù)采用HDPE材料。

管道連接方式方便靈活。管道可根據(jù)需要,采用不同的連接方法,如:對焊、電焊管箍連接、法蘭連接、螺紋連接、伸縮管接頭等。HDPE還可以和鋼管,鑄鐵管,陶瓷管等其它管材的管道連接。只需通過專門的加熱電焊機就可以進行操作。

HDPE管道是在熱力條件下生產(chǎn)的,材料本身的張力在制造過程中已消減,所以成品以后可能產(chǎn)生的尺寸微變不會有任何危害,將熱脹冷縮引起的危害降至最小。

從物理和化學性質上看,HDPE管道的防腐能力極強,不受各種酸、堿、鹽所引起的電化學反應的影響。HDPE管道比金屬管更耐磨損。管子重量輕,施工方便,可以事先預制,安裝工效大大提高。

4 結語

虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)在國外已經(jīng)普遍使用,在國內剛剛起步,由于它的明顯優(yōu)勢,現(xiàn)在已經(jīng)有很多廠家生產(chǎn)此產(chǎn)品,有很多重點工程采用此方式進行屋面排水。相信隨著建筑業(yè)的發(fā)展,這種技術將得到進一步的發(fā)展,將越來越完善,這種屋面排水的方式將得到廣泛的推廣與使用。

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