淺議建筑屋面雨水排水

雷 國 柱

(貴州省遵義市供水有限責(zé)任公司，貴州 遵義 563000)

1 對(duì)建筑屋面雨水問題的理解與分析

關(guān)于建筑屋面雨水排水設(shè)計(jì)的討論由來已久，不同的人有不同的觀點(diǎn)。不同時(shí)期的設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)建筑屋面雨水排放也存在不同的理解。然而，對(duì)于建筑屋面設(shè)計(jì)，尤其是大跨度建筑屋面，雨水排水設(shè)計(jì)尤為重要。

根據(jù)現(xiàn)行GB 50015—2003建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2009年版)第4.9.26條提出：“雨水排水管材選用應(yīng)符合下列規(guī)定：1)重力流排水系統(tǒng)多層建筑宜采用建筑排水塑料管，高層建筑宜采用耐腐蝕的金屬管、承壓塑料管；2)滿管壓力流排水系統(tǒng)宜采用內(nèi)壁光滑的帶內(nèi)襯的承壓排水鑄鐵管、承壓塑料管和鋼塑復(fù)合管等，其管材工作壓力應(yīng)大于建筑物凈高產(chǎn)生的靜水壓。用于滿管壓力流排水的塑料管，其管材抗環(huán)形外壓力應(yīng)大于0.15 MPa?！?/p>

根據(jù)本規(guī)范的條文解釋：“屋面設(shè)計(jì)排水能力是相對(duì)的，屋面溢流工程不能將超設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的雨水及時(shí)排除，屋面積水，斗前水深加大，重力流排水管系一定會(huì)轉(zhuǎn)為滿管壓力流。因此，高層建筑屋面雨水排水管材宜采用承壓塑料管和耐腐蝕的金屬管?！绷硗?，結(jié)合現(xiàn)行GB 50015—2003建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范(2009年版)對(duì)高層建筑雨水管的有關(guān)規(guī)定，可以將其重點(diǎn)問題歸結(jié)為以下三個(gè)方面：1)隨著斗前水深加大，重力流管系會(huì)轉(zhuǎn)化為滿管壓力流。2)高層重力流雨水管承壓能力應(yīng)大于建筑物凈高產(chǎn)生的靜水壓。3)高層建筑雨水管可采用排水鑄鐵管、承壓塑料管或鋼塑復(fù)合管等。

規(guī)范做了上述規(guī)定，但是有兩個(gè)問題業(yè)內(nèi)尚存爭議，實(shí)有探討的必要：1)隨著較為常用的87型屋面雨水斗斗前水深加大，原本作為重力排水的重力流管系，是否一定就會(huì)轉(zhuǎn)化為滿管壓力流。2)高層建筑、超高層建筑屋面雨水管管材的承壓能力是否需要根據(jù)建筑高度確定。

結(jié)合第一個(gè)問題，筆者曾多次在暴雨季節(jié)，對(duì)本地區(qū)一些高層建筑外排雨水管道進(jìn)行現(xiàn)場觀測，根據(jù)筆者在現(xiàn)場觀測時(shí)的直接感受，當(dāng)屋面排水天溝存在一定程度積水的時(shí)候，雨水立管在室外散水的出口處(水簸箕處)，水流并不是連續(xù)的，基本上屬于汽—水兩相流，不時(shí)伴有水塞出現(xiàn)。

對(duì)多層或高層建筑屋面雨水而言，國內(nèi)、外雖然做過一些雨水立管的模擬排水實(shí)驗(yàn)，在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，對(duì)指導(dǎo)建筑雨水排水設(shè)計(jì)發(fā)揮了一定的積極作用。但是，有關(guān)雨水立管內(nèi)部的水流狀態(tài)的判斷，以及建筑雨水立管的水力計(jì)算模型的選擇等，從目前來看，還缺乏一個(gè)令人信服的結(jié)論。

首先，當(dāng)屋面天溝出現(xiàn)一定程度的積水，雨水立管的排水能力達(dá)到飽和。那么，在極限狀態(tài)下，雨水立管內(nèi)部的水流，是斷續(xù)流，還是連續(xù)流，還是如現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范所說的滿管壓力流。另外，是否可以沿用水力學(xué)的能量方程，能量方程是否適用于建筑屋面雨水立管，如果不適應(yīng)的話，是否需要進(jìn)行專門的實(shí)驗(yàn)測試，換個(gè)角度看問題，從而建立適合建筑屋面雨水管道的水力計(jì)算模型或經(jīng)驗(yàn)公式。

從目前來看，對(duì)于雨水立管的最大排水能力分析，大多仍然參照水力學(xué)的能量方程。但是，如果按照能量方程進(jìn)行分析，根據(jù)《水力學(xué)》的有關(guān)理論，能量方程(伯努利方程)應(yīng)用的前提條件，流體必須為連續(xù)流。換句話說，只有當(dāng)雨水立管內(nèi)的水流為連續(xù)流的時(shí)候，方可使用伯努利方程進(jìn)行計(jì)算。反之，如果管內(nèi)流體不連續(xù)，則不能使用伯努利方程。

2 對(duì)虹吸雨水排水系統(tǒng)的理解與分析

隨著大跨度建筑屋面越來越多，如高鐵站、機(jī)場航站樓、大型會(huì)展中心等。此類建筑屋面的雨水排水系統(tǒng)，較多采用虹吸式雨水排水系統(tǒng)。那么，就以屋面虹吸雨水系統(tǒng)為例，根據(jù)國家現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)程的有關(guān)要求，需要采用專用的虹吸雨水斗，從而減少或杜絕空氣摻入；另外，虹吸雨水排水系統(tǒng)的懸吊管(雨水橫干管)可以不設(shè)坡度，根據(jù)虹吸需要，調(diào)整不同管段管徑，采用伯努利方程進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證(這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的多頭懸吊重力式雨水排水系統(tǒng)不同。多斗懸吊的重力式雨水排水系統(tǒng)，其懸吊管需要設(shè)置一定的排水坡度，從而滿足重力排水需要)。那么，當(dāng)采用虹吸雨水系統(tǒng)的時(shí)候，既然計(jì)算采用伯努利方程，管內(nèi)水流狀態(tài)必須滿足連續(xù)流這么一個(gè)水流狀態(tài)。然而，如果管道內(nèi)為滿管連續(xù)流的話，那么，受連續(xù)水流影響，雨水管道內(nèi)勢(shì)必處于正壓裝填，其虹吸，或者說負(fù)壓，又是從什么地方來。要想形成負(fù)壓，管內(nèi)水流必然是不連續(xù)的。換句話說，只有當(dāng)管道內(nèi)水流處于不連續(xù)的狀態(tài)，前后水流流速不同，方可在管內(nèi)呈現(xiàn)出負(fù)壓狀態(tài)。此外，早期的虹吸雨水排水系統(tǒng)，曾經(jīng)出現(xiàn)過由于管內(nèi)負(fù)壓超出管道的承受能力，造成HDPE虹吸雨水管道被吸扁的案例。后來，為了解決這個(gè)問題，當(dāng)設(shè)計(jì)采用HDPE雨水管道時(shí)，有意識(shí)的提高管道的環(huán)剛度。也有的采用熱浸鍍鋅鋼管，或者薄壁不銹鋼管道。

另一方面，還可以做個(gè)假設(shè)：假定某高層建筑雨水管，在出現(xiàn)暴雨的時(shí)候，管內(nèi)水流從重力流狀態(tài)(非連續(xù)流，或稱水塞流)轉(zhuǎn)化為滿管壓力流(連續(xù)流)。根據(jù)水流連續(xù)性方程，Q=A0V0=AnVn(假設(shè)A0和V0為雨水立管頂端過水?dāng)嗝娴拿娣e和流速，An和Vn為雨水立管內(nèi)任意高度過水?dāng)嗝娴拿娣e和流速)。由于雨水立管管徑通常情況下是不變的，那么，管道內(nèi)任意高度的水流斷面的流速也應(yīng)該是一樣的。如果能量方程適用于屋面雨水立管計(jì)算的話，那么，雨水立管的高度將直接影響到立管出口處的管內(nèi)流速。那么，立管頂部的流速(V0)該由誰決定，立管頂部水流的能量又由何轉(zhuǎn)化而來。

水力學(xué)的有關(guān)公式或方程，多為經(jīng)驗(yàn)公式，或理想狀態(tài)下的理論推求。在具體應(yīng)用過程中，也有一定的局限性。同時(shí)，也有其嚴(yán)格的使用前提。早些年，國內(nèi)實(shí)驗(yàn)條件比較簡陋，缺乏一定高度的排水試驗(yàn)塔。如今，實(shí)驗(yàn)條件大為改善，國內(nèi)已建起多座從幾十米到一百多米高的排水試驗(yàn)塔，如湖南大學(xué)的排水試驗(yàn)塔、山西高平的泫氏排水試驗(yàn)塔、廣東東莞的萬科塔等。不過，從目前來看，這些排水試驗(yàn)塔主要用于開展建筑生活排水的有關(guān)實(shí)驗(yàn)。試想，如能利用這些實(shí)驗(yàn)設(shè)施，在原有的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，增加一個(gè)建筑屋面雨水排水較為常用的87型雨水斗(或其使用一些專用的虹吸雨水斗)，根據(jù)不同的雨排水系統(tǒng)，結(jié)合市面現(xiàn)有排水管道材質(zhì)(如PVC-U，排水鑄鐵管，球墨鑄鐵排水管，HDPE管，薄壁不銹鋼管，PP管等)，開展一些雨水排水實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證不同的管道材質(zhì)、不同的雨水斗安裝高度，最大泄流量(排水量)究竟怎樣，有什么變化規(guī)律。此外，也可以測試最大排水狀態(tài)時(shí)管壁所承受的最大壓力(正壓或負(fù)壓)，以及立管內(nèi)部出現(xiàn)最大壓力的部位，立管內(nèi)部壓力的變化情況，進(jìn)而對(duì)建筑屋面雨水排水管材的選用做出更為科學(xué)合理的規(guī)定。

3 結(jié)論與建議

本文針對(duì)伯努利方程是否適用于屋面雨水系統(tǒng)計(jì)算的問題，建議充分利用國內(nèi)現(xiàn)有不同高度的排水試驗(yàn)塔，開展一些雨排水實(shí)驗(yàn)，研究其變化規(guī)律，補(bǔ)充完善現(xiàn)有設(shè)計(jì)規(guī)范。