虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)施工技術(shù)研究

文／王佳 中鐵建大灣區(qū)建設(shè)有限公司 廣東廣州 511455

引言：

上世紀六十年代在歐洲建筑行業(yè)內(nèi)第一次提出屋面雨水利用虹吸效應(yīng)進行排水，十年后便建成第一個“虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)”。對于一座大型屋面建筑，在確定使用虹吸排水時，應(yīng)在屋面排水設(shè)計階段做好各類準備工作及設(shè)計參數(shù)，如當(dāng)?shù)貧v年雨水降水量，選取管材的阻尼系數(shù)，屋面匯水面積，天溝的收水量等，并結(jié)合給排水施工中易出現(xiàn)的問題，在屋面雨水排水系統(tǒng)施工安裝時，結(jié)合質(zhì)量控制要點，提高虹吸排水的有效性和科學(xué)性，保證施工質(zhì)量，發(fā)揮出虹吸排水的最大優(yōu)勢，在完成它的功能性作用下與建筑外觀有效融合，提高建筑美學(xué)觀感。

1、工程概況及系統(tǒng)組成

本工程為陜西秦龍現(xiàn)代生態(tài)智能創(chuàng)意農(nóng)業(yè)園展覽館工程，屋面為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，主體為鋼框架結(jié)構(gòu)，鋼桁梁最大跨度為43m，建筑總長為266m，建筑面積為10255m，建筑層數(shù)為一層，建筑高度為27.5m，為不規(guī)則結(jié)構(gòu)。屋面采用PTFE 雙膜結(jié)構(gòu)，屋面排水采用虹吸式雨水排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含雨水天溝、防漩渦雨水斗、雨水平管、雨水立管。經(jīng)過科學(xué)的計算，利用防漩渦裝置控制斗前水流狀態(tài)，在雨水斗的水位達到一定界值時，管道內(nèi)會自然產(chǎn)生“壓力差”，由此該系統(tǒng)會自動形成“虹吸壓力流”；因此屋面虹吸排水系統(tǒng)具有排水速度快的特點，從而使雨水平管的安裝不需要放坡，在虹吸狀態(tài)下為滿管流。該系統(tǒng)對安裝空間要求不高，且用材節(jié)省，可以多個雨水口合用一根排水立管，并且排水功能相較傳統(tǒng)重力式而言更加強大。但因該系統(tǒng)既要防漩渦，又會產(chǎn)生壓力差，所以對雨水斗和管材要求較高，雨水斗經(jīng)過特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計需防止水流渦旋，且能夠進行水氣分離。管材要求能夠抗壓抗沖擊，穩(wěn)定耐腐蝕，并且自重越輕越好。本工程選用高密度聚乙烯類管材。

2、虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的工作原理

2.1 工作原理

屋面虹吸排水系統(tǒng)其工作本質(zhì)為“壓力流排水法（負壓法）”。具體原理為在初降雨階段，天溝內(nèi)水面高度未漫過雨水斗時，水和空氣可同時進入管道，此時整個系統(tǒng)工作狀態(tài)同重力排水系統(tǒng)，該流態(tài)為“重力流”；若降雨持續(xù)增大，屋面積水越來越多，天溝內(nèi)匯水即將沒過雨水斗時，吊管內(nèi)滿管狀態(tài)尚不穩(wěn)定，仍有少許空氣進入，此流態(tài)為“二相流”；若降雨繼續(xù)增大，天溝內(nèi)水深完全沒過雨水斗，此時防漩渦雨水斗發(fā)揮作用，其特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計讓進入水斗中的雨水流態(tài)穩(wěn)定持續(xù)，且不會產(chǎn)生旋渦現(xiàn)象，此時完全杜絕了空氣進入，并且吊管內(nèi)呈現(xiàn)滿流，該流態(tài)為“滿管壓力流態(tài)”。屋面雨水在向下排出時本身具有勢能，通過懸吊雨水平管在雨水立管中下落時產(chǎn)生“虹吸效應(yīng)”。此時懸吊平管與立管接口處的負壓力為最大值，該區(qū)域為“負壓區(qū)”。因為屋面虹吸排水系統(tǒng)運行時存在有壓狀態(tài)下工作，所以懸吊雨水平管可以水平布置，節(jié)省空間；并且雨水在“虹吸狀態(tài)”下流速很大，對管道還能起到自然清潔的作用。在相同管徑排水管下，“虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)”的排水量遠遠大于“傳統(tǒng)重力式排水系統(tǒng)”。 （圖1）

圖1

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)是一種“多斗壓力流排水系統(tǒng)”，其力學(xué)原理為“伯努里方程”。

“伯努里方程”:

系統(tǒng)中每點的“壓力計算公式”：

L-“管長”，R-“單位長度的阻力損失”，L×R-“沿程阻力損失”

依據(jù)《給水排水設(shè)計規(guī)范》壓力流方程式：

Q-“流量”， C-“摩阻系數(shù)”，dj-“管道計算內(nèi)徑”

∑hj-“局部阻力損失”

關(guān)于“沿程水頭損失摩阻系數(shù)C”：因為不同材質(zhì)的表面摩擦阻力系數(shù)不同，甚至同一材質(zhì)因等級的區(qū)別、生產(chǎn)的批次不同，表面摩擦阻力系數(shù)也會變化；此外路徑越長，摩擦阻力越大，特別是“屋面虹吸排水系統(tǒng)”布設(shè)管路靈活，路徑一般都比較長，這些都會影響“摩阻系數(shù)”的計算結(jié)果。

2.3 天溝設(shè)計

目前在我國建筑設(shè)計行業(yè)內(nèi)對屋面虹吸雨水排水系統(tǒng)天溝的設(shè)計規(guī)范尚有欠缺，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準和規(guī)定，有時甚至出現(xiàn)不同的設(shè)計人員計算出來的結(jié)果大相徑庭。在天溝設(shè)計方面，我們整個建筑行業(yè)仍有待提高。

天溝設(shè)計計算公式：

當(dāng)天溝坡度＞0.003 時，天溝的排水量應(yīng)根據(jù)《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB50014-2006，2011年版）。

當(dāng)天溝坡度≤0.003 時，宜采用《建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB50400-2006）。給出的以下公式計算：

式中Qdg—短溝設(shè)計排水量，L/s；

Qlg—長溝設(shè)計排水量，L/s；

kdg—安全系數(shù)；kdf—斷面系數(shù)；

ω —水流有效斷面面積，mm；

S—深度系數(shù)；X—形狀系數(shù)；

Lx —長溝容量系數(shù)。

3、施工工藝流程和施工方法

3.1 工藝流程

具體工藝流程如下：

3.2 施工方法

3.2.1 測量計算

在進行現(xiàn)場實際測量時，要嚴格落實專項施工方案和規(guī)范標(biāo)準，從施工圖紙并結(jié)合現(xiàn)場提取所需材料的數(shù)量及規(guī)格，根據(jù)工期計劃和進度需求，配備所需的人員和機具設(shè)備。

3.2.2 預(yù)埋預(yù)留

在進行屋面結(jié)構(gòu)混凝土澆筑前，應(yīng)提前埋設(shè)鋼套管，套管應(yīng)高出設(shè)計樓面標(biāo)高至少5cm，排水管道在穿過地下室外墻位置應(yīng)在地下室結(jié)構(gòu)施工時提前埋置好防水套管。

3.2.3 管道預(yù)制安裝

因為屋面虹吸排水系統(tǒng)對材料有抗壓抗沖擊的要求，且自重越輕越好，所以高密度聚乙烯HDPE 材質(zhì)一般為常規(guī)首選材料。該材料一般采用“熱熔焊連接”方式。在熱熔焊接前應(yīng)對焊口表面進行削切清理，使管材焊口處對接嚴密。焊口固定在夾具上校準對中，并保證焊縫軸向誤差符合規(guī)范標(biāo)準。嚴格按照材質(zhì)本身特性選取適當(dāng)穩(wěn)定和界面壓力，當(dāng)管材焊口加熱到規(guī)定的時間和溫度后，將其取出并在規(guī)定的壓力下自然冷卻。

3.2.4 放線定位

為保證管道安裝整齊美觀、錯落有致，在安裝前要對整個排水系統(tǒng)路徑走向、預(yù)留洞口、管道轉(zhuǎn)向等進行定位放線，用墨斗彈出定位線，安裝雨水管網(wǎng)時嚴格按照定位線控制管路走向，以達到管道間距勻稱、橫平豎直。

3.2.5 支架制作安裝

支架的制作安裝需嚴格按照施工圖紙及相關(guān)規(guī)范標(biāo)準執(zhí)行。支架構(gòu)件一般采用鍍鋅鋼材，吊桿一般選用φ12 鍍鋅圓鋼，懸吊雨水平管采用40＊40＊3 型角鋼加吊桿固定。吊桿間距可控制在2.5-3m 范圍內(nèi)，吊桿長度一般大于1m 以保證雨水斗與雨水平管的距離?；瑒庸芸ㄩg距一般保證在10 倍的管徑長度，且一般每間隔6m 設(shè)固定管卡。雨水立管管卡間距一般為20 倍管徑長度，且每隔8m 設(shè)固定管卡。雨水平管接入立管位置即在最大負壓力值處應(yīng)增設(shè)緊固點。在系統(tǒng)安裝時，為保持良好的水力狀況應(yīng)使用大曲率半徑的彎頭和順?biāo)甕 型三通， 嚴禁使用T 型三通。懸吊管與立管、立管與排出管的連接應(yīng)采用2 個45℃彎頭或大曲率半徑的彎頭。

3.2.6 雨水斗安裝

（1）對于未設(shè)計天溝的雨水斗安裝，在進行屋面工程施工時，要對雨水斗預(yù)留孔洞進行保護。

（2）在完成屋面保溫防水等一系列施工后，要先清理預(yù)留孔洞及周邊雜物，清理干凈后再進行防漩渦雨水斗安裝。安裝雨水斗分兩部分組成，先安裝斗體和落水口，再安裝防渦流裝置和防葉罩。雨水斗緣口處應(yīng)低于屋面1cm-2cm，用防水砂漿填充緊密壓實，SBS 防水卷材包裹落水口緣口不少于5cm，套上防渦流裝置和防葉罩，并緊固好螺絲，再用密封膏封邊處理，確保雨水斗水平牢固。

（3）虹吸式雨水斗與屋面或天溝和管路系統(tǒng)應(yīng)可靠連接。

（4）系統(tǒng)接多個虹吸式雨水斗時，雨水斗排水連接管應(yīng)接在懸吊管上，不得直接在雨水立管的頂部。

（5）接入同一懸吊管的虹吸式雨水斗宜在同一屋面標(biāo)高。

圖2

3.2.7 排水天溝與屋面接觸面處的密封處理

因金屬對熱脹冷縮較為敏感，為解決此問題，天溝與屋面接觸部位一般均為金屬天溝的脹縮留有間隙，并未完全密封，因此此處極易發(fā)生漏水現(xiàn)象。因此在設(shè)計、施工過程中一定要重視天溝與屋面接觸面的防水、密封處理。（三元乙丙柔性防水材料、丁基橡膠密封膠帶）。

3.2.8 管道系統(tǒng)灌水試驗

按照《虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》要求采用“灌水試驗”，在進行灌水試驗前，先用堵水氣囊試漏球?qū)⒂晁艹鏊谔幏舛聡缹?，再從屋面雨水斗處灌入清水，直到整個排水系統(tǒng)灌滿至天溝底面相平，滿水狀態(tài)保持“1h”無任何滲漏即為試驗合格。

4、虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)中常見問題及處理措施

4.1 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的運行

在虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)中，經(jīng)常會存在因為設(shè)計計算不全面或施工質(zhì)量不達標(biāo)，造成有些位置的雨水立管閑置，而有效位置的雨水管出現(xiàn)滿載或超負荷的現(xiàn)象。由于虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)自身特點：雨水立管較少，單根立管輻射屋面匯水面積大；所以一旦出現(xiàn)系統(tǒng)功能不能正常運行，造成的后果將會比傳統(tǒng)重力式排水系統(tǒng)更嚴重。因為虹吸式雨水斗超負荷容易出現(xiàn)滿溢現(xiàn)象；而如果大面積雨水不能有組織排出，很容易對建筑物本身造成侵蝕。所以，這就要求虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)在設(shè)計和施工時一定要結(jié)合建筑自身特點，滿足屋面排水需求。

4.2 虹吸雨水斗的安裝

虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)不銹鋼材質(zhì)虹吸雨水斗和鋼板材質(zhì)天溝的焊口位置存在腐蝕現(xiàn)象，很容易出現(xiàn)滲漏。這是因為碳鋼和不銹鋼在進行焊接時，容易產(chǎn)生腐蝕電勢，這兩種金屬間出現(xiàn)導(dǎo)電連接體時，焊接處就易銹蝕。該現(xiàn)象在南方潮濕環(huán)境下尤為明顯，如果再讓酸雨侵蝕，更會加速焊口處的腐蝕性。要解決此類問題，只有將虹吸式雨水斗和天溝都選用不銹鋼（同材質(zhì)）材料，焊接過程中也要選擇同材質(zhì)的不銹鋼比（氬弧焊），焊接完成后及時用酸洗鈍化膏進行處理即可。

4.3 屋面虹吸排水管材的選用

隨著我國建筑行業(yè)的日益發(fā)展，雨水排水系統(tǒng)管材材質(zhì)選擇性也日益廣泛。市場上常見的有不銹鋼材質(zhì)、鑄鐵材質(zhì)和HDPE 材質(zhì)。虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)在考慮其路徑長和減少自重提高穩(wěn)定性的前提下，對于使用HDPE 管不失為最佳選擇。然而，虹吸效應(yīng)對雨水平管造成的負壓問題要予以一定的重視，虹吸系統(tǒng)在呈現(xiàn)滿管壓力流態(tài)時，在懸吊雨水平管和雨水立管交接處會出現(xiàn)最大負壓狀態(tài)。HDPE 管材對于正壓力承壓能力較好，但對于負壓力往往承壓能力較弱。在實際應(yīng)用中，經(jīng)常會出現(xiàn)HDPE 懸吊平管被吸扁凹陷而導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋，嚴重的甚至?xí)霈F(xiàn)漏水。所以，在選用HDPE 管材時，管件和管材強度不應(yīng)小于PE80 等級的，應(yīng)嚴格按高密度聚乙烯材料管。

5、虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)質(zhì)量控制關(guān)鍵點

（1）嚴格按照施工設(shè)計圖紙并結(jié)合建筑給排水質(zhì)量控制相關(guān)規(guī)范標(biāo)準來編制切實可行的專項施工方案；

（2）在專項施工方案審批完成后，以專項施工方案為依據(jù)，進行施工技術(shù)交底的編制，施工技術(shù)交底中應(yīng)詳細說明施工工藝流程、質(zhì)量控制標(biāo)準、施工方法措施、安全注意事項等工作內(nèi)容，務(wù)必做到能夠切實指導(dǎo)現(xiàn)場施工；

（3）嚴格把握好材料質(zhì)量關(guān)。對于質(zhì)量不合格的材料一經(jīng)發(fā)現(xiàn)堅決退場，對原材料的出廠合格證、質(zhì)檢報告進行鑒別，并對進場后的材料按量按批次進行取樣并送第三方質(zhì)檢單位進行復(fù)檢，出具合格檢測報告后，該批材料方可投入使用；

（4）在施工過程中要嚴把質(zhì)量關(guān)，嚴格檢查每一個施工環(huán)節(jié)，把控好每一道施工工序，保質(zhì)保量地完成施工任務(wù)；

（5）在施工完成后按照建筑給排水工程相關(guān)質(zhì)量驗收標(biāo)準進行規(guī)范驗收，確保施工質(zhì)量驗收合格。

結(jié)語：

經(jīng)過一個雨季的檢驗使用，展覽館虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)該建筑大面積屋面排水功能的使用要求。綜上所述，隨著我國建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，社會經(jīng)濟水平的不斷提高，各種大跨度大面積屋面地標(biāo)性建筑需求越來越大。因此，傳統(tǒng)重力式屋面雨水排水系統(tǒng)的缺點就被無限放大，如雨水平管需放坡、雨水立管安裝數(shù)量大、管道易堵塞、材料需求量大、空間占有率高，現(xiàn)場施工量大等各類缺陷；而虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)能夠很好地改善傳統(tǒng)重力式屋面雨水排水系統(tǒng)的各類缺陷，如排雨水速度快、不易堵塞、空間占有率低、材料用量少、成本節(jié)約、有自清潔功能、整套系統(tǒng)維護率低等優(yōu)點，其科學(xué)性、經(jīng)濟學(xué)、美觀性、安全性對比傳統(tǒng)重力式排水系統(tǒng)均有顯著優(yōu)勢。因此，虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的應(yīng)用必將成為大跨度大面積屋面建筑雨水排放的趨勢和方向。