壓力流雨水排水系統(tǒng)在建筑工程中的應(yīng)用

■王玉峰 ■江蘇緯信工程咨詢有限公司，江蘇 南京 212014

我國許多地區(qū)夏季常有大雨或暴雨，會造成屋面短時間內(nèi)大量積水，若不能及時排除易引起建筑屋面的滲漏。我國許多學(xué)者對于屋面排水問題進(jìn)行了大量的研究，已有多種屋面雨水排水系統(tǒng)投入使用［1］。隨著現(xiàn)代建筑美學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計的進(jìn)步，許多屋面造型新穎的建筑都成為城市建筑的名片而得到大力發(fā)展，同時也帶來了屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計的問題。屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)是迅速排除或者最短時間內(nèi)排除屋面積水，雨水排放方案的選擇應(yīng)在進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟比較后確定，在確保排水效率的基礎(chǔ)上，具有良好的經(jīng)濟性。

1 重力流與壓力流雨水排水系統(tǒng)的對比分析

建筑雨水排水系統(tǒng)是防止屋面滲水的重要設(shè)施，在對屋面雨水排水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇，必須遵循迅速排水、安全、經(jīng)濟的原則。當(dāng)前我國建筑雨水排水系統(tǒng)仍主要采用重力流雨水排水系統(tǒng)，并在多年的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗［2］。重力流雨水排水系統(tǒng)主要包括普通雨水斗、懸吊管、立管、埋地管及出戶管等部分，其工作原理是利用雨水的重力進(jìn)入排水系統(tǒng)，但當(dāng)雨水流量過大時，超量水會對排水管道產(chǎn)生壓力，容易導(dǎo)致排水系統(tǒng)的損壞。隨著科技的進(jìn)步，壓力流(虹吸式)雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)逐漸成熟，在我國也開始得到推廣與應(yīng)用［3］。相比重力流雨水排水系統(tǒng)，虹吸式雨水系統(tǒng)的系統(tǒng)組成基本一致，包括防漩渦雨水斗、懸吊管、立管和出戶管等部分，但防漩渦雨水斗的技術(shù)要求較高，要保證系統(tǒng)水力上的平衡才能正常使用。

重力流雨水系統(tǒng)采用普通雨斗，按有壓非滿流狀態(tài)進(jìn)行排水設(shè)計，而虹吸式雨水系統(tǒng)的雨水斗具有防漩渦功能，在屋面雨水高度超過雨水斗高度時通過控制雨水流量使得系統(tǒng)中排水管道呈滿流狀態(tài)，這極大地提高了排水效率。實測資料表明，重力流雨水系統(tǒng)雨水斗與立管的距離越近，排水能力越強，但達(dá)不到虹吸式雨水系統(tǒng)的排水能力，而虹吸式雨水系統(tǒng)不會因雨水斗與立管距離的不同產(chǎn)生不均勻排水的問題。因此，通常重力流雨水系統(tǒng)采用單斗排水設(shè)計，而虹吸式雨水系統(tǒng)可在懸吊管排水極限的范圍內(nèi)接入多個雨水斗。

重力流雨水系統(tǒng)管道是按照半壓力流進(jìn)行設(shè)計的，懸吊管、橫管等必須設(shè)置一定的坡度，確保在雨量較小時雨水的正常排出。虹吸式雨水系統(tǒng)管道時在滿流有壓狀態(tài)下工作，利用管道內(nèi)較強的抽吸作用排出雨水，只要保證管道不存在倒坡即可保證系統(tǒng)的正常使用，這極大地方便了工程施工。此外，重力流雨水系統(tǒng)的單斗排水還會導(dǎo)致連接立管的排出管道過多，不僅影響建筑美觀，而且還會減少排水管道的有效斷面，降低排水系統(tǒng)的排水能力。而虹吸式雨水系統(tǒng)可以實現(xiàn)多個雨水斗同時接入懸吊管，管內(nèi)的抽吸作用可以保證充分利用排水管道的排水能力，可不設(shè)置傳統(tǒng)的管道井等輔助設(shè)施。

2 虹吸式壓力流雨水系統(tǒng)的設(shè)計

精確的水力計算是虹吸式壓力流雨水排水系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，其初步?jīng)Q定了管徑、管長、各節(jié)點布置等參數(shù)的設(shè)置，在工程施工中常常還會因客觀條件的限制進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。雨水量計算是虹吸式壓力流雨水系統(tǒng)水力計算的前提。在進(jìn)行雨水排水系統(tǒng)設(shè)計前，應(yīng)建筑工程當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，確定降雨歷時、降雨強度、設(shè)計重現(xiàn)期、匯水面積等參數(shù)。對于屋面雨水排水系統(tǒng)，降雨歷時通常取5min。降雨強度通常按照為設(shè)計室外雨水管渠而編制的暴雨強度公式計算確定，但計算值一般都略低于實測值，需要留有一定富余量，也可根據(jù)氣象局和水文總站統(tǒng)計確定的5min降雨強度最大值，并經(jīng)頻率計算調(diào)整后最終得到屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計用降雨強度。建筑的重要程度、匯水區(qū)域性質(zhì)、氣象特征等都是設(shè)計重現(xiàn)期的重要影響因素，但設(shè)計重現(xiàn)期越高，排水系統(tǒng)的設(shè)計要求越高，會顯著增加工程造價，需要結(jié)合工程實際情況確定。受建筑結(jié)構(gòu)的影響，屋面匯水面積應(yīng)按屋面水平投影面積和側(cè)墻、窗井、裙房等建筑投影折減面積計算確定。

屋面雨水設(shè)計流量可由設(shè)計降雨強度、屋面匯水面積計算求得。虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)有獨立的溢流口或溢流系統(tǒng)，其總排水能力不低于重現(xiàn)期為50年的5min降雨歷時的設(shè)計雨水流量。根據(jù)求解的總降雨量和各區(qū)域的匯水面積流量可以確定壓力流雨水斗的規(guī)格、技術(shù)指標(biāo)和雨水斗的數(shù)量。在各分區(qū)雨量計算和雨水斗結(jié)構(gòu)布置的基礎(chǔ)上，可以繪制雨水管系統(tǒng)的布置草圖，從而方便進(jìn)行虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的水力計算。

在保證系統(tǒng)安全、可靠的前提下，充分利用水頭來減小管徑和降低造價是水力計算的目的。隨著科技的進(jìn)步，當(dāng)前排水系統(tǒng)設(shè)計大都采用軟件進(jìn)行水力計算，這不僅極大地提高了設(shè)計效率，而且能夠保證數(shù)據(jù)計算的準(zhǔn)確性。研究表明，流速、建筑物高度、雨水壓力等參數(shù)對水力計算結(jié)果的準(zhǔn)確性會產(chǎn)生一定的影響，需要在合適的范圍內(nèi)選用［4］。系統(tǒng)內(nèi)負(fù)壓會降低水的沸點，使管內(nèi)產(chǎn)生大量的水蒸汽氣泡，引起金屬管道的氣蝕，也易導(dǎo)致管徑過大的塑料管過早破損。因此，虹吸規(guī)程規(guī)定管內(nèi)的最大負(fù)壓不能超過－900mbar。管內(nèi)流體流速越大，對管道的沖擊越大，而流速過小容易導(dǎo)致泥沙等雜質(zhì)阻塞管道。因此，立管內(nèi)流體流速控制在2.5m/s～10m/s。各并聯(lián)的雨水斗水頭損失的不均衡會破壞整個系統(tǒng)的虹吸作用，各雨水斗之間的水頭損失應(yīng)當(dāng)控制在150mbar以內(nèi)。在實際工程設(shè)計時，有必要對可利用的總水頭的使用留有一定的余量，以方便后續(xù)的設(shè)計更改，一般壓力余量宜略大于100mbar。

因此，虹吸式壓力流雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計可按照確定各分區(qū)匯水面積、計算總降雨量和各分區(qū)的設(shè)計降雨量、確定雨水斗的規(guī)格和數(shù)量、繪制雨水管系系統(tǒng)圖、估算雨水管系的管徑、水力計算、調(diào)整管系布置系統(tǒng)、水力計算驗證、繪制正式圖紙的步驟進(jìn)行。

3 虹吸式壓力流雨水系統(tǒng)的應(yīng)用

相比傳統(tǒng)重力流雨水系統(tǒng)，虹吸式壓力流雨水排水系統(tǒng)具有立管數(shù)量少、施工簡單、管道利用率高、自凈防淤等優(yōu)點，在大型建筑屋面和結(jié)構(gòu)越復(fù)雜的屋面上應(yīng)用具有明顯的優(yōu)勢，在中小型屋面上應(yīng)用可方面管道的布置、節(jié)約空間，也具有一定的優(yōu)勢。隨著壓力流(虹吸式)雨水排水系統(tǒng)的應(yīng)用越來越多，其在系統(tǒng)布置和使用功能上的優(yōu)勢得到肯定，而從工程經(jīng)濟角度看，壓力流(虹吸式)雨水排水系統(tǒng)也有一定的優(yōu)勢［5］。從某機場航站樓應(yīng)用壓力流(虹吸式)雨水排水系統(tǒng)的程造價來看，當(dāng)采用相同材料的排水管道時，重力流排水系統(tǒng)造價相當(dāng)于虹吸式排水系統(tǒng)造價的2倍。此外，虹吸式壓力流雨水排水系統(tǒng)在國家體育場工程、國家游泳中心及多個省市的大型體育場館中得到廣泛應(yīng)用。

虹吸式壓力流雨水排水系統(tǒng)的施工主要包括施工準(zhǔn)備、雨水斗安裝和管道安裝等重要環(huán)節(jié)。在雨水排水系統(tǒng)安裝前，應(yīng)根據(jù)施工圖紙和相關(guān)技術(shù)文件資料落實施工組織設(shè)計方案、施工進(jìn)度計劃等技術(shù)資料及材料、人員、機械設(shè)備等要素。

虹吸式壓力流雨水斗包括導(dǎo)流罩、抗渦流裝置斗體和出水管等部分，并按照斗體、防葉罩、輔助部件的流程進(jìn)行安裝。為減少暴雨沖刷力對斗體的影響，應(yīng)采取多種技術(shù)措施(設(shè)置預(yù)留孔、繞灌混凝土、螺栓固定等)保證斗體與建筑屋面連接牢固。在雨水斗進(jìn)水口釆取封堵措施可防止雨水滲入建筑屋面的隔熱層、保護(hù)層及結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在施工完成后應(yīng)進(jìn)行閉水試驗以檢驗屋面的防水效果。

虹吸式壓力流雨水排水系統(tǒng)用管道有高密度聚乙烯管、鋼管、鑄鐵管、不銹鋼管等多種，在進(jìn)行管道安裝工作時應(yīng)根據(jù)管材的特性和設(shè)計要求進(jìn)行固定和安裝，當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的是高密度聚乙烯管。為方便安裝，可根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況選擇合理的管節(jié)尺寸進(jìn)行預(yù)制加工，一般管節(jié)長度不宜超過10m。管道的安裝遵循“先地下再地上”的原則進(jìn)行，即先鋪設(shè)埋地管道，再連接和安裝立管、懸吊管和雨水斗連接管。從虹吸式壓力流雨水排水系統(tǒng)的原理來看，可以不設(shè)置管道的排空坡度，但實際工程應(yīng)用中均采用0.003的坡度，可防止管段局部倒坡導(dǎo)致(管道變形)積水或泥沙堆積的現(xiàn)象，保證雨水排水系統(tǒng)的安全運行。

4 結(jié)束語

相比傳統(tǒng)重力流式雨水排水系統(tǒng)，虹吸式雨水排水系統(tǒng)的雨水斗具有防漩渦功能，可提高屋面雨水的排水效率，在建筑工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。虹吸式壓力流雨水排水系統(tǒng)可采用專業(yè)的軟件進(jìn)行計算和設(shè)計，但應(yīng)根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的特點及當(dāng)?shù)氐慕涤昵闆r確定水力計算參數(shù)。在虹吸式壓力流雨水排水系統(tǒng)的施工中，應(yīng)做好雨水斗和管道的固定、密封工作，并合理設(shè)置管道的排空坡度。

［1］郭林．壓力流(虹吸)排水系統(tǒng)在鄭州某酒店大面積屋面的應(yīng)用［J］．建筑·建材·裝飾，2013(3):35 －36．

［2］邢燕麗，趙世明．87型雨水斗排水系統(tǒng)存在問題的研究［J］．給水排水，2013，39(7):105 －111．

［3］王善永．壓力流(虹吸式)屋面雨水排水系統(tǒng)在鐵路建筑中的運用［J］．上海鐵道科技，2015(1):83 －85．

［4］黃波，肖睿書，趙宇．某鑄造車間屋面長天溝大雨水斗設(shè)計探討［J］．中國建筑金屬結(jié)構(gòu)，2014(8):83 －84．

［5］經(jīng)晶，沈致和，張丹汝．淺議虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)［J］．建筑節(jié)能，2014(7):87－90．