壓力流屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計分析

(江西省贛州市上猶縣城投公司，江西 贛州 341200)

0 引言

歐洲在80年代初期就已經(jīng)研發(fā)全新屋面雨水排放技術(shù)，也就是虹吸雨水系統(tǒng)，也稱之為壓流雨水系統(tǒng)，此技術(shù)主要在大型屋面建筑雨水排放中使用。通過多年發(fā)展，此技術(shù)逐漸的成熟，并且在各國使用。我國在90年代開始研究此技術(shù)，通過多年調(diào)整和完善，該技術(shù)已經(jīng)處于世界先進(jìn)的行列。

1 壓力流屋面雨水排水系統(tǒng)的優(yōu)勢

屋面在降雨過程中所承接的雨水順著屋面坡到天溝與檐溝匯集，通過懸吊管、雨水溝、排出管和立管排出。將水力學(xué)觀點作為基礎(chǔ)劃分排水系統(tǒng)，主要包括2種，分別為壓力流與重力流。雨水斗為自由堰流排水，雨水流入到雨水斗中結(jié)合空氣，構(gòu)成水汽混合流，雨水斗設(shè)計的流量比較小，根據(jù)重力流對懸吊管計算，不能夠超過0.8的充滿度與5%的坡度，所以使用大管徑與坡降。為了保證在同個懸吊管中的雨水斗正常的工作，要求和雨水斗連接數(shù)量不能夠超過4只，從而提高了雨水立管根數(shù)[1]。

2 系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1 虹吸雨水斗

對比傳統(tǒng)雨水斗，虹吸雨水斗中具備整流器，所以在淹沒水深比較淺的時候避免生成漩渦，并且能夠避免空氣被抽吸摻入。相關(guān)試驗表示，淹沒的水深在4 cm的時候，虹吸雨水斗能夠在不摻氣時完全滿流，普通雨水斗淹沒水深要在40 cm。根據(jù)材質(zhì)劃分雨水斗，包括不銹鋼、鑄鋁、鑄鐵3種雨水斗，排出管管徑包括DN100、DN50與DN75 3種規(guī)格，以工程實踐表示，實際排水能力能夠達(dá)到實驗排水能力的2倍以上[2]。

2.2 懸吊管

在虹吸雨水系統(tǒng)中，懸吊管尤為重要，在立管與懸吊管連接的地方產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象，并且懸吊管能夠連接雨水斗，節(jié)約立管。因為系統(tǒng)中的雨水通過負(fù)壓推動才能夠流動，具備壓流。那么，懸吊管不需要設(shè)置坡度，以相應(yīng)的計算表示懸吊管大部分都是DN50與DN75的小管，能夠節(jié)約屋面空間。

2.3 立管

虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)立管要比重力流系統(tǒng)有所減少，由于雨水斗數(shù)量降低，而且使用懸吊管在立管中匯集。但是虹吸雨水系統(tǒng)立管管徑比較大，要在管徑中隱藏。重力流系統(tǒng)大部分都是單斗系統(tǒng)，導(dǎo)致建筑中立管比較多，影響了裝修[3]。

3 系統(tǒng)的設(shè)計方法

3.1 設(shè)計原理

伯努利穩(wěn)定水流能量為壓力流屋面雨水排水系統(tǒng)計算的基礎(chǔ)，此方程式滿足穩(wěn)定單向流滿流的原理。管道系統(tǒng)每段距離壓力損失的計算公式為：

其中ΔP指的是壓力余量，PK指的是虹吸值，HK指的是虹吸雨水斗頂面到系統(tǒng)臨界點的高度差，HR指的是虹吸雨水斗頂面到系統(tǒng)出口的高度差[4]。

計算之后要滿足的標(biāo)準(zhǔn)為：鑄鐵管壓力余量不能夠超過1.5 mWC，HDPE管道壓力余量在1 mWC以下；鑄鐵管允許最大虹吸值與HDPE管道設(shè)置為-9 mWC、8 mWC。

在設(shè)計實際工程過程中，充分考慮計算的誤差，通過安全與其他因素對可以使用總水頭留有余量進(jìn)行考慮[5]。

3.2 確定雨水設(shè)計量

屋面雨水設(shè)計能力為相對的，通過雨水斗數(shù)量與雨水管管徑設(shè)計雨水流量，其也是雨水系統(tǒng)合理設(shè)計的基礎(chǔ)。不僅是雨水系統(tǒng)及時將屋面雨水排除室外的需求滿足，還要使工程成本和運行成本得到降低。雨水設(shè)計流量指的是在單位時間中暴雨強(qiáng)度的屋面匯水面積降水量，通過當(dāng)?shù)乇┯陱?qiáng)度的計算公式進(jìn)行計算。設(shè)計的重現(xiàn)期指的是一定數(shù)量中余量資料要比暴雨強(qiáng)度降水時間間隔要大。設(shè)計的雨水流量關(guān)系著取值，重現(xiàn)期越長，就能夠提高設(shè)計流量，安全性較高。

3.3 水力計算圖繪制

在控制屋面雨水排水狀態(tài)中，主要是利用雨水斗實現(xiàn)，避免因為雨水斗使空氣進(jìn)入到排水系統(tǒng)中，那么就要通過能夠設(shè)計優(yōu)化的反渦流功能蓋罩壓力流專用的雨水斗。利用建筑物結(jié)構(gòu)、鋪設(shè)的管道、屋面匯水等因素對雨水斗布置的位置進(jìn)行確定。為了能夠有效保證雨水斗溫流性，相同系統(tǒng)和水要在相同水平面中布置。通過具體雨水斗型號和雨水流量、最大泄流量對雨水斗數(shù)量進(jìn)行計算和確定[6]。

3.4 水力校核

為了能夠使系統(tǒng)正常的運行，使?jié)M貫壓力流設(shè)計工況得到滿足，就要進(jìn)行水利校核。也就是以各個管段初選管長、管徑等，對管道位置水頭、局部損失、沿程損失、節(jié)點壓力等進(jìn)行計算，從而使系統(tǒng)最大負(fù)壓值能夠滿足實際設(shè)計需求，避免出現(xiàn)氣蝕的情況而對管道造成破壞。如果計算結(jié)果無法使規(guī)定需求得到滿足，要調(diào)整系統(tǒng)中部分管徑，必要的時候還要重新布置系統(tǒng)，之后重復(fù)以上過程，直到滿足校核需求[7]。

4 工程實例

某飛機(jī)維修機(jī)庫的屋面面積為A=5 000 m2，為壓力流屋面雨水排水系統(tǒng)。屋面設(shè)置為拱形，通過中線朝著兩側(cè)傾斜。一共設(shè)計24只雨水斗，每側(cè)12只劃分成為2個系統(tǒng)，每個系統(tǒng)中設(shè)置6只。

機(jī)庫設(shè)置在某省某市，重現(xiàn)期設(shè)置為P=5a，設(shè)計手冊r=5.38 L(s°100 m2)，機(jī)庫雨水量設(shè)置為：

使用DN75壓力流雨水斗，單斗排水量q=12 L/s，那么所使用雨水斗數(shù)量為：

N=Q/q=269/12=22.4 只

雨水斗設(shè)置為24 只，在取雨水斗排水量為12 L/s的時候，重現(xiàn)期設(shè)計比5a要大。

水力計算管系，利用Wxcel電子表格進(jìn)行計算，根據(jù)系統(tǒng)圖分段，將從雨水斗開始的各個管段的管長、流量、管段、管徑的局部阻力系數(shù)和斷面到雨水斗高度差進(jìn)行寫入，表中就會將單位長度阻力損失、管道流速、局部阻力損失、管段沿程阻力損失的壓力值進(jìn)行展現(xiàn)，并且對管件、管徑的規(guī)格進(jìn)行調(diào)整，還會對系統(tǒng)布置進(jìn)行改變，使水力計算的需求得到滿足。

其一，計算結(jié)果最遠(yuǎn)雨水斗到排水井口總壓力損失設(shè)置為1 338.33 mbar，速度水頭壓力設(shè)置為26.82 mbar，壓力余量ΔPr=230.93 mbar。

其二，在14斷面處出現(xiàn)系統(tǒng)最大的負(fù)壓值，壓力設(shè)置為-571.96 mbar，比容許值要小。

其三，系統(tǒng)管段流速。系統(tǒng)各個管段最小的流速為7～8，

8～9斷面中，流速設(shè)置為1.6 m/s，各個管段流速比1 m/s要大，自凈能力良好。立管流速設(shè)置為5.97 m/s，和推薦控制值接近，不會出現(xiàn)大噪音。出口管出口流速設(shè)置為2.32 m/s，比控制值要小[8]。

通過上述校核，結(jié)算結(jié)果成立。

5 結(jié)語

在建筑屋面形式越來越多樣化，壓力流雨水排水系統(tǒng)使用較為廣泛，通過多次降雨考驗，運行情況良好。壓力流雨水排水系統(tǒng)在此工程中成功使用，為今后設(shè)計提供了良好借鑒。