某鑄造車間屋面長天溝大雨水斗設(shè)計探討

文/黃波 肖睿書 趙宇

1 前言

在總結(jié)上世紀(jì)60年代以來廣西體育館、柳州拖拉機廠、南寧冶金礦山設(shè)備廠和防城港101戰(zhàn)略物資倉庫大面積屋面排除雨水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，借鑒前蘇聯(lián)雨水單斗單立管F=438d2/H即QD=0.122d2重力流公式，建立了QD=0.256d2準(zhǔn)壓力流公式。立管流速控制在3.26m/s以下，略比傳統(tǒng)終端跌水重力流系統(tǒng)流速小于1.55m/s擴(kuò)大110%，仍留有余地。2008年筆者承擔(dān)了廣西玉林博白廣益金屬制品有限公司鑄造車間屋面雨水系統(tǒng)設(shè)計。

該車間屋面長×寬=144×120=17280(m2)，共設(shè)計6根dn250給水塑料雨立管匹配6個dn250圓鋼組合式雨水斗，每斗服務(wù)2880m2，因塑料管采用外徑dn250，計算管徑扣除15mm取d=23.5cm，當(dāng)重現(xiàn)期P=2a和玉林市暴雨強度q=4.93L/s，相應(yīng)流量Q=142L/s與經(jīng)驗公式結(jié)果基本持平，跌水坑處溢流口流量按1.45×28.8計算為41.8L/s。

以下圍繞該車間準(zhǔn)壓力流系統(tǒng)展開討論。

2 縮略詞與符號

長天溝——兩端跌水坑雨水斗間距達(dá)到約144m的天溝簡稱。長天溝與GB 50345-2004適用于建筑專業(yè)的屋面工程技術(shù)規(guī)范[1]無關(guān)。

準(zhǔn)壓力流——跌水坑深度超過200mm并裝有簡易雨水斗的屋面才能形成準(zhǔn)壓力流。它介于重力流與虹吸壓力流之間。準(zhǔn)壓力流立管流速≤3.5m/s約小于虹吸壓力流≤7m/s之半。

暴雨強度——單位時間內(nèi)的降雨量。對于單斗單立管而言，以L/s·100m2計。設(shè)有天溝溢流口的暴雨強度不必乘以1.5的系數(shù)。

重現(xiàn)期——等于或大于某暴雨強度的降雨出現(xiàn)一次的平均間隔時間。單斗單管按一般建筑以2a計，重要建筑以10a計。但溢流口按一般建筑10a與2a暴雨強度差，重要建筑50a與10a暴雨強度差值計。

陪襯公式——根據(jù)第3冊[2]686頁b=0.9Q0.4放大成b > 1.06Q0.4作為陪襯。

q——屋面暴雨強度符號，為書寫方便，以q代替q5。單位L/s·100m2。

Δq10/2——屋面暴雨強度差，一般建筑取P=10a與2a對應(yīng)q差值控制溢流口，以L/s·100m2計。

Δq50/10——屋面暴雨強度差，重要建筑取P=50a與10a對應(yīng)q差值控制溢流口，以L/s·100m2計。

Q10/2——一條長天溝單斗服務(wù)溢流流量，一般建筑取P=10a與2a對應(yīng)Δq10/2乘以面積，以L/s計?？珊唽慟k。

Q50/10——一條長天溝單斗服務(wù)溢流流量，一般建筑取P=50a與10a對應(yīng)Δq50/10乘以面積，以L/s計?？珊唽慟k。

QD——單斗單立管設(shè)計流量，一般建筑取P=2a并以L/s計。

Qk——單斗單立管溢流流量，一般建筑為Q10/2，重要建筑為Q50/10。

i——天溝底坡符號，根據(jù)屋面規(guī)[1]4.2.4強條，不應(yīng)小于1%或10‰，它是根據(jù)（油毛氈）卷材易發(fā)生霉?fàn)€且無終端跌水坑的條件下編寫的過時落后技術(shù)條文，在新形勢下不能滿足節(jié)能省材降低投資要求，此外，它與建水規(guī)[3]4.9.18不宜小于0.003水專業(yè)規(guī)范背道而馳，為避免審圖機構(gòu)與設(shè)計部門建筑專業(yè)的內(nèi)耗，呼吁建施圖上不寫有關(guān)i的字樣，但水施圖可寫i=0.003，盡管單坡達(dá)到72m長天溝終端有跌水的防城港101倉庫采用i=0.0014對應(yīng)水落差10cm運行半個世紀(jì)成功經(jīng)驗歷歷在目，為避免水專業(yè)的內(nèi)耗，水施圖暫寫i=0.003，等到審圖公司蓋章通過后，才考慮編寫i=0.0014的計算書，受天溝深度土建設(shè)計限制往往達(dá)不到水落差20cm要求，不必介意，做到水專業(yè)心中有數(shù)就行了。雖然終端形成臨界水深hk的臨界流態(tài)與i和n無關(guān)，但從清通天溝的角度來看，需考慮i≥0.0014即1.4‰。

I——水力坡降在終端有跌水坑條件下，起點流量為零終端流量為最大，沿程均勻側(cè)向入流天溝流量逐漸增大的I是i的3倍即I=3i的結(jié)論值得推薦。天溝計算書應(yīng)補充hk=10cm的對應(yīng)流量參數(shù)。上世紀(jì)60年代建成的廣西體育館天溝表面貼鋁皮和70年代防城港101倉庫天溝貼白瓷磚表面光滑的n可取0.009。

F——屋面匯水面積（m2）的簡寫符號，可代替FW。

ψ——雨水徑流系數(shù)，屋面為0.9～1宜取1。

P——重現(xiàn)期（period）符號，以年（a）計，當(dāng)一本計算書同時出現(xiàn)壓力（pressure）、功率（power of motor）、 濕 周（wetted perimeter）時，采用PE、PR、PM、PW不同符號表示。

dn——給水塑料管橡膠圈柔性接口管公稱外徑（mm），采用110、160、、225、250和315共5種立管規(guī)格。

dE——雨水斗下部插口短鋼管外徑（mm），為便于和塑料管連接，dn110、dn160和dn250對應(yīng)108、159和245非標(biāo)鋼管、dn225對應(yīng)219標(biāo)準(zhǔn)鋼管。而dn315則對應(yīng)鋼板卷焊短管外徑315，由施工方酌情處理斗管匹配問題。

d——單斗計算內(nèi)徑（cm），按dn或dE排序，取10、15、21（扣除1.5cm）、23.5（扣1.5）和30（扣1.5）共5種規(guī)格。

hk——臨界水深（m），采用標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一取0.1m，并參考第3冊[2]686頁有關(guān)hk公式簡化為b＞1.06Q0.4予以控制。

α——天溝水深寬比，采用標(biāo)準(zhǔn)化，準(zhǔn)壓力流介于0.4000與0.1667之間。

b——天溝凈寬（m）。

W——天溝標(biāo)準(zhǔn)化凈寬（m）?？紤]模數(shù)化取250、350、450、500、600mm五種規(guī)格，限于計算書使用，水施圖仍標(biāo)注b代替W。

0-0 ——天溝起坡始點斷面。始點流量為零。

L-L——天溝縱向終點斷面。終點流量為最大，以QL、QD或Q（m3/s）表示。

x——天溝任意斷面離起點的距離（m）。該處流量與x的一次方成正比。

dx——天溝任意斷面向終點延伸微小距離變量，僅作積分使用。

B——天溝比阻，半個世紀(jì)以來給排水人員常用A表示比阻，為避免和面積A混淆，今后改稱B，1000BQ2‰式中的1000B叫做千分（‰）比阻，在已知B和水深h=hk的條件下，天溝全程B相等為常數(shù)。

qG——天溝單位長度流量m3/s·m或L/s·m，在天溝積分式中，qG=QL/L恒等于常數(shù)，為方便書寫，以q代替qG亦可。

B（qx）2——天溝縱向離起坡始點0-0斷面距離為x的流量Q2與B的乘積BQ2=Bq2x2，Bq2則為常數(shù)。

3 水力計算

3.1 終端有自由跌水（集）水坑的長天溝凈寬（m）可按下式予以控制

b＞1.06Q0.4 （不等式1）

式中b——長天溝凈寬（m）；Q——天溝終點流量（m3/s）。

注：查第3冊[2]686頁，不等式1留有余地。

3.2 天溝水力坡降I是底坡i的3倍

如圖1可建立積分式：

圖1 長天溝示意

給排水人員設(shè)計天溝常按底坡i和終點最大流量假定為自始至終都是最大流量按明渠均勻流列式計算：

起點流量為零沿程均勻側(cè)向入流的非均勻流天溝水力坡降I是把它假想成始終為最大流量并按均勻流明渠底坡i的3倍。

3.3 單斗單立管流量

根據(jù)前蘇聯(lián)重力流Q=0.122d2（L/s）短天溝經(jīng)驗公式，推導(dǎo)的長天溝準(zhǔn)壓力流：

可控制斗管設(shè)計，按式1和5可建立表1供參考。

表1 長天溝準(zhǔn)壓力流斗管參數(shù)

3.4 按ф’求解I

天溝采用1：2水泥砂漿抹面后再用GZ-2屏障漆施涂表面，使n由0.014變成n=0.009和h取0.1m可按：

計算天溝。

長天溝水力參數(shù)詳見表2。

表2 光滑長天溝水力參數(shù)

簡要說明：在天溝內(nèi)表面施涂GZ-2屏障漆增光滑使n由0.014變成0.009的特定條件下，dn110和dn160較小雨水斗匹配天溝i要求≥1.4‰和2.9‰，但dn225、dn250和dn315大斗匹配天溝i要求≥6‰、7.3‰和13‰不太理想，若無屏障漆助滑，則I‰應(yīng)為表2的2.42倍，難于付諸實施，不予推薦，僅作陪襯參考。某車間采用GZ-2屏障漆二底二面、廣西體育館采用貼鋁皮和防城港101倉庫采用貼白瓷磚的天溝可按式6A計算，但既無屏障漆或鋁皮又無白瓷磚鑲貼的天溝，則改用42.22代替17.45進(jìn)行運算。

3.5 溢流口

查《虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》[4]3.3.1之1款，當(dāng)溢流口采用寬頂堰時，其設(shè)計流量可按下式計算：

式中Qk——溢流口服務(wù)面積內(nèi)的溢流量（L/s）。相當(dāng)于本文的Q10/2（一般建筑）或Q50/10(重要建筑)；

bk——溢流口寬度（m）；

Δh——溢流口高度（m，見規(guī)程[4]40～41頁取0.15m）；按標(biāo)準(zhǔn)化要求Δh=0.15m可簡化為下式：

式中Qk——溢流口流量（L/s）；

bk——溢流口寬度（m）。

經(jīng)過單位換算并考慮放大約16%留有余地可建立下式：

式中bk——溢流口寬度（mm），注意與式7的bk（m）不同。

當(dāng)計算bk略小于相應(yīng)W時，取W標(biāo)準(zhǔn)值，但水施圖宜寫b代替W。例如某天溝Qk=41.8L/s，則bk＞489取500mm與天溝同寬為宜。

3.6 應(yīng)用實例

某市一般車間屋面長天溝單斗服務(wù)面積28.8（100m2），查該市P=2a的q=4.93 L/s·100m2，請確定水力參數(shù)。

解：① QD=28.8×4.93=142（L/s）。略＞表1的141。

②查表1， 選dn250規(guī)格，d=23.5cm，Q=0.256d2=141.4（L/s），與QD=142基本持平。

③按不等式1的b＞1.06Q0.4可算出b＞0.486m取0.5m。

④雖然長天溝終點跌水與i和n無關(guān)，但從清通方便和傳統(tǒng)習(xí)慣角度出發(fā)，采用GZ-2屏障漆施涂為宜。α=0.1/0.5=0.2000，查表2的 Ф’=0.2503， 則 I=17.45（QФ’）2=17.45（0.1414×0.2503）2=0.02186，i=I/3=0.00729=7.3‰偏大僅作陪襯參考。實際上天溝i只能做到0.0014=1.4‰無關(guān)緊要。水施圖寫i=0.003是建水規(guī)[3]的要求。校對流速vk=0.1414÷0.5÷0.1=2.83（m/s）合理。

⑤ Qk=（6.38-4.93）×28.8=41.8L/s， 要 求 bk＞11.7Qk=489（mm）取W=500mm。溢流口在水施圖上寫b×h=500×150底比終點天溝內(nèi)底高0.05m以上。

4 雨水斗標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計

圓鋼組合式雨水斗詳見圖2。

圖2 圓鋼組合式雨水斗

表3 雨水斗規(guī)格尺寸與立管和天溝配套參數(shù)

5 結(jié)語

5.1 實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，運行長達(dá)50年的廣西體育館，采用鋁皮貼面，長達(dá)40年的防城港101倉庫，采用白瓷磚鑲貼以及長達(dá)5年的廣西玉林市博白某車間，采用GZ-2屏障漆二底二面施涂防腐防滲增滑措施，都十分成功，值得推廣應(yīng)用，代替?zhèn)鹘y(tǒng)油毛氈卷材覆蓋短天溝的落后技術(shù)。

5.2 表2可從反面有力證明終端無跌水的短天溝難于解決底坡設(shè)計難題。

5.3 長天溝水力參數(shù)宜采用標(biāo)準(zhǔn)化，方便施工和設(shè)計。

5.4 建議建施圖天溝只注明凈寬和找坡方向，不出現(xiàn)i的具體數(shù)值，但水施圖應(yīng)寫上i=0.003的字樣，耐心等待通過施工圖審查后，以內(nèi)部資料形式編寫計算書。

[1]GB 50345-2004，屋面工程技術(shù)規(guī)范.

[2]給水排水設(shè)計手冊第3冊城市給水.中國建筑工業(yè)出版社，1986年12月第1版：686

[3]GB 50015-2003（2009年版），建筑給水排水設(shè)計規(guī)范.

[4]CECS 183：2005，虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程.