高鐵金屬屋面虹吸系統(tǒng)技術(shù)分析及優(yōu)化措施

龔紅勇

中國鐵路南昌局集團有限公司 江西 南昌 330002

引言：隨著我國高速鐵路的不斷發(fā)展，大跨度、大空間的高鐵站房不斷投入運營，站房屋面排水普遍采用虹吸排水系統(tǒng)。這種新技術(shù)實際應用過程中，因部分設計、施工單位對虹吸系統(tǒng)機理理解不透，造成大雨天氣下部分高鐵站房排水不及，大面積漏雨的問題?，F(xiàn)結(jié)合泉州站工程實例，對高鐵站房金屬屋面虹吸系統(tǒng)問題及改進方案進行技術(shù)分析如下：

一、虹吸系統(tǒng)形成原理

利用屋面與地面高差產(chǎn)生的能量，在屋面積水達到一定高度時，使得管道內(nèi)不進入空氣，以滿管流狀態(tài)（即虹吸狀態(tài)）排水時產(chǎn)生負壓，管道內(nèi)形成抽吸作用將雨水迅速排掉。

基于形成原理，利用“伯努利”方程，經(jīng)過周密計算，有效控制和平衡管道內(nèi)雨水的流速、壓力，使得雨水管道在短時間內(nèi)達到滿管流狀態(tài)（即虹吸狀態(tài)），快速將雨水排出室外。

二、虹吸系統(tǒng)的優(yōu)勢

虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)由防漩渦雨水斗、雨水懸吊管、雨水立管、埋地管、雨水出戶管、45度彎頭、偏心異徑短束節(jié)、Y型順水三通以及一些輔料組成。系統(tǒng)采用特殊設計的具備良好氣水分離裝置雨水斗，在降雨初期，虹吸式雨水管未達到滿流狀態(tài)，利用雨水重力進行排水。當降雨量加大，天溝中的水位達到一定高度時，雨水斗會自動隔空氣，立管中形成負壓，從而產(chǎn)生虹吸，系統(tǒng)也轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝У呐欧畔到y(tǒng)，抽吸雨水向下排放。

相比傳統(tǒng)重力式雨水系統(tǒng)，虹吸屋面雨水系統(tǒng)橫管不需要坡度，相同排水量下斗前水深小于重力流系統(tǒng)，所用管徑比重力流小，所用管道及配件數(shù)量更少，可減少室外地面開挖工作量、對建筑空間影響小、管道布置靈活便于建筑處理、可節(jié)省工程費用。

三、工程案例

2018年5月2日，泉州地區(qū)出現(xiàn)了8-10級短時大風以及大暴雨，氣象部門雨量監(jiān)測系統(tǒng)顯示泉州站5月2日17：00～18：00降雨量為62.4mm。造成泉州站房屋面雨水流量過大，屋面天溝及虹吸排水不及時，導致雨水從屋面天溝溢出造成候車室內(nèi)出現(xiàn)嚴重漏水現(xiàn)象。

高鐵泉州站房屋面兩頭翹起，南北呈兩端高中間低，形似船型，面積為21982m2。其中高屋面面積12324m2，東側(cè)屋面面積6474 m2，西側(cè)屋面面積5850m2。屋面板為鋁鎂錳合金直立鎖邊板，高低屋面中部均設有雙層玻璃采光窗，采光窗四周設環(huán)形不銹鋼天溝，高低屋面沿采光窗2兩側(cè)共設有9道橫向不銹鋼天溝，天溝相互貫通，南北走向也形似船型，高處與低處的虹吸口高差達500mm。每道天溝寬0.5m，高0.34m。本次屋面漏雨主要集中在站房高屋面弧形天溝最低處及站房高底跨連接處天溝，天溝滿溢后從屋面連接處流入站房內(nèi)。其余位置為零散的飄雨漏水。

經(jīng)現(xiàn)場查勘，分析漏水原因如下：

1.該天溝內(nèi)高處與低處的虹吸口高差達500mm，同一系統(tǒng)的雨水斗設計不同的高差，各個雨水斗啟動虹吸時間不一致，破壞了虹吸形成的機理，導致負壓管段失效，管道始終不能呈滿管流狀態(tài)，形成不了虹吸作用，只能始終以重力式排水，大大降低了排水能力。遇到瞬間大暴雨時，天溝高處雨水流入低處，從最低的天溝與屋面連接處溢出，造成屋面漏水。本次漏水最嚴重的地方就是站房高屋面弧形天溝最低處及站房高底跨連接處天溝。

2.設計未明確連接管滿流流量與雨水斗斗前水深值對應關(guān)系，未對各個雨水斗斗前水深值的一致性進行驗算，造成各雨水斗虹吸啟動時間不一致，同一系統(tǒng)中的雨水斗不能同時工作，形成不了虹吸。

3.虹吸雨水斗未按照雨水立管做對稱布置，造成了虹吸形成有時間差，難以形成虹吸。

4.天溝有效深度不足，經(jīng)實際測量，天溝深度為0.34m，不滿足金屬屋面天溝規(guī)范構(gòu)造要求。

5.未按規(guī)定設置溢流系統(tǒng)，造成天溝滿溢后從邊緣流入站房。

6.站房中間屋面板坡度較小，施工誤差在屋面形成了凹坑，局部積水，在大風的作用下，部分雨水被吹進金屬波浪形屋面板下層，進而漏到候車室內(nèi)，在候車室內(nèi)部形成零散的飄雨漏水。

7.施工不規(guī)范，虹吸排水口未按設計數(shù)量施工，虹吸排水口共設計135個，實際設置88個。排水口的減少，再次降低了排水能力。

8. 虹吸排水管道設置混亂。不同位置的虹吸排水系統(tǒng)應獨立設置水平懸吊管和立管，但施工中將各獨立的排水系統(tǒng)串接，高位雨水斗空氣進入低位系統(tǒng)中，破壞了低位系統(tǒng)的水密性，形成不了虹吸作用。比如：站房石闕（炮樓）原設計虹吸排水系統(tǒng)是獨立的，施工將其與橫向天溝立管混接，雨水斗高差大，系統(tǒng)不能密閉形成負壓。

9.排水管道設置混亂。經(jīng)現(xiàn)場查勘，系統(tǒng)排水道管徑設置混亂，隨意變換管道口徑大小，多處下游管徑小于上游管徑，形成瓶頸，導致水流通過能力達不到設計要求。

10.瞬時降雨量較大，氣象計錄為62.4mm/小時。加上虹吸作用失效后，只能依靠管徑較小的虹吸排水管道進行重力式排水，排水不及造成天溝滿溢。

四、優(yōu)化方案

1.針對屋面弧形天溝將不同高度的匯水區(qū)域雨水合用同一虹吸系統(tǒng)排水，造成不能有效產(chǎn)生虹吸效應情況，對屋面進行 “分區(qū)排水”，弧形天溝分設三段，合理設置擋板，使天溝內(nèi)雨水不至于馬上流到最低處，各系統(tǒng)獨立設置水平吊管及立管，每個系統(tǒng)的雨水斗都在同一標高，同時產(chǎn)生虹吸效應，使各匯水區(qū)域內(nèi)虹吸系統(tǒng)獨立排水。

2. 弧形天溝設置集水槽，在雨水初期使雨水斗處及時集水，提前達到雨水斗虹吸條件時的斗前水深。

3.原屋面石闕單設排水系統(tǒng)，并增設天溝集水槽。

4.在縱向天溝的低處增設溢流系統(tǒng)，增強大雨天氣排水能力。溢流系統(tǒng)采用虹吸式雨水系統(tǒng)，溢流系統(tǒng)按照100年進行校核，超50年設計重現(xiàn)期的雨水通過溢流雨水系統(tǒng)排除。

五、設計計算

1.設計重現(xiàn)期選?。涸夹陆ㄈ莞哞F站房施工圖設計時，是按屋面雨水排水工程與溢流設施總排水能力達到50年重現(xiàn)期設計的?？紤]高鐵站房的重要性及新規(guī)范對虹吸雨水系統(tǒng)設計的安全性要求提高，設計重現(xiàn)期按照50年，同時按照100年重現(xiàn)期進行溢流校核。

2.匯水面積劃分及設計流量計算：根據(jù)《建筑屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》GECS183-2015規(guī)范規(guī)定，匯水面積大于2500m2的大型屋面，宜設置不少于2套獨立的虹吸式屋面雨水系統(tǒng)。結(jié)合屋面形狀、坡向、天溝布置、鋁鎂錳板直立鎖邊板排布方等因素，匯水面積劃分時按設計選用的暴雨強度、雨水設計流量綜合確定。

設計流量：設計降雨歷時時間按照5min，屋面徑流系數(shù)取1，對于坡度大于2.5%的屋面，雨水量乘以1.5的系數(shù)，其他屋面雨水量乘以1.1的系數(shù)。

暴雨強度公式：

根據(jù)以上公式得出，泉州地區(qū)50年暴雨重現(xiàn)期5分鐘暴雨強度q5=0.0617L/s.m2, 100年重現(xiàn)期5分鐘暴雨強度q5=0.0617L/s.m2。再按照各匯水面積計算出設計流量Q。

3.天溝容積校核及集水井布置：天溝尺寸需滿足3個方面要求，一是保證最大雨量下斗前水深的安全高度；二是最大雨量上升速度下虹吸形成所需的緩沖容積；三是系統(tǒng)最大溢流狀態(tài)下必要的天溝深度。天溝內(nèi)流速采用滿寧公式計算如下：

根據(jù)上述此公式計算方法：F軸-J軸橫縱向天溝所管的匯水面積均：436m2，按照100年暴雨年限，5分鐘流量均超出天溝流量123L/S，不能滿足容積要求。按照校核結(jié)果，為解決斜坡天溝初期儲存雨水量的需要，在斜坡天溝端部設置集水井，每個集水井設置一套虹吸排水系統(tǒng)，虹吸雨水斗集中設置在集水井內(nèi)。集水井統(tǒng)一為1種型式：1000*400*600.

4.對天溝有效容積計算引入了虹吸啟動時間的概念，并規(guī)定了虹吸雨水系統(tǒng)的啟動時間不宜大于60S，且不宜小于虹吸啟動時間的降雨量及如下計算公式：

Vp為過渡段上游管段容積，Qminf為虹吸啟動流量（按技術(shù)規(guī)程附錄A.3測得）；當懸吊管上接多個虹吸雨水斗時，為懸吊管上所有虹吸雨水斗虹吸啟動流量的總和。

5.虹吸雨水系統(tǒng)管道設置及系統(tǒng)水力計算：在專業(yè)系統(tǒng)供應商配合下，根據(jù)設計暴雨強度、匯水面積、設計雨水流量、雨水斗布置、管道路進行精確水力計算，以確定雨水斗選型及系統(tǒng)最佳管徑配置，并控制系統(tǒng)流速和負壓值，需配合虹吸專用計算軟件對排水管不同位置的管道管徑、壓力、流速、流量進行水力復核計算。

選取HYYL-1水力計算書如下：

g為重力加速度，H為虹吸管作用水頭（即虹吸管進口端 水面與出口端水面的高差），ζ為虹吸管局部阻力系數(shù)，λ為虹吸管沿程阻力系數(shù)，d為虹吸管內(nèi)徑。

通過計算，對泉州站金屬屋面虹吸系統(tǒng)進行改造，共設置了46套虹吸雨水排水系統(tǒng)（包含12套虹吸溢流管道系統(tǒng)），設置了10個下沉式不銹鋼集水槽，共采用不銹鋼虹吸雨水斗76個（其中TY90型48個，TY75型28個），HDPE虹吸雨水管道近7000m。從目前使用情況來看，情況良好。

六、結(jié)束語：

較大型復雜高鐵站金屬屋面應用虹吸雨水系統(tǒng)時，需要全面了解建筑內(nèi)部的空間特點和結(jié)構(gòu)做法，需要參建各方全過程緊密協(xié)調(diào)配合，通過對設計方案進行深入細致的探討和研究，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研情況，確定合理、優(yōu)化的虹吸排水方案，使虹吸雨水系統(tǒng)更高效、安全地排除屋面雨水，以解決屋面漏水問題。