虹吸排水系統(tǒng)在鐵路站房中的應用

陳文通 中國鐵路上海局集團有限公司杭州房建公寓段

交通強國，鐵路先行，伴隨著長三角地區(qū)鐵路基礎建設的不斷加碼，近幾年正式開通運營的新線、新站房數(shù)量日趨增多。鐵路站房作為典型的高大空間建筑，其屋面排水系統(tǒng)也越來越多采用虹吸排水系統(tǒng)，而房寓段作為房建專業(yè)的設備管理單位，承接了越來越多的鐵路站房的維修任務。為了確保后期車站開通運營期間屋面虹吸排水系統(tǒng)的便捷維修、運行可靠，實現(xiàn)車站運營期間的穩(wěn)定和安全，房寓段必須提前介入該系統(tǒng)的設計，嚴格監(jiān)督施工過程質量，主動配合完成后期竣工資料的移交。本文就虹吸排水在鐵路站房中的應用作一探討，希望能對鐵路房建專業(yè)有所幫助。

1 虹吸排水系統(tǒng)的概念和水流特點

虹吸排水系統(tǒng)是利用建筑物的自身高差位置勢能，克服管道的局部和沿程阻力，實現(xiàn)提高管道通水效率和快速排放屋面雨水的功能。鐵路車站屋面虹吸排水系統(tǒng)一般由壓力流雨水斗、連接管、懸吊管、立管、出戶管組成，如圖1所示，屋面雨水排放過程如圖2所示。

圖1 虹吸雨水系統(tǒng)組成部分

圖2 屋面雨水排放過程

在排水過程中，對于管道任一截面，水力學性質均能滿足經(jīng)典伯努利方程：

根據(jù)圖1 可得，虹吸系統(tǒng)是通過設計使雨水懸吊管內(nèi)壓力小于大氣壓，懸吊管形成負壓區(qū)狀態(tài)，管道中形成局部真空，大氣壓將屋面雨水擠入管道，從而產(chǎn)生懸吊管的抽吸作用；同時立管底部和末端出現(xiàn)正壓區(qū)，加速末端出流效果，系統(tǒng)整體產(chǎn)生虹吸效果。

利用虹吸原理須滿足三個條件:

（1）管道流態(tài)為滿管流

虹吸排水系統(tǒng)要形成虹吸現(xiàn)象，第一要素是虹吸雨水斗必需要有足夠的斗前水深；由于虹吸雨水斗特殊的制造工藝，使其具有氣水分離、防渦流的功能，可有效隔絕空氣的進入，當檐溝內(nèi)雨水液面滿足斗前水深要求時，排水管內(nèi)充滿雨水，形成封閉的空間，產(chǎn)生虹吸效應。經(jīng)調(diào)查可得，每個廠家的雨水斗的排水量和高度均不相同，因此在設計階段就要求實現(xiàn)檐溝深度、寬度與虹吸雨水斗的完美配合。

（2）雨水斗與懸吊管安裝高度差值需滿足要求

當雨水斗出口與懸吊管高差過小時，會影響懸吊管虹吸的形成，當高差小于0.8 m 時，無法保證懸吊管內(nèi)的虹吸形成。故懸吊管中心線與雨水斗出口應有一定的高差[1]，根據(jù)《建筑給水排水設計標準》（GB50015-2019）第5.2.3 條中規(guī)定，“懸吊管中心線與雨水斗出口的高差宜大于1.0 m”。

（3）系統(tǒng)整體高程差的應用

虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)是利用建筑物檐溝與地面的高程差值所產(chǎn)生的水頭，經(jīng)過嚴格的計算來調(diào)節(jié)管道的配置，鋪以平衡管網(wǎng)壓力及流速，使管道中充滿水進而產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象，最終實現(xiàn)快速排放屋面雨水的目的，其實質是一種多斗壓力流雨水排水系統(tǒng)，遵循經(jīng)典伯努利方程。

根據(jù)收集資料可得，虹吸排水系統(tǒng)在形成的過程中分別依次形成波浪流、脈沖流、活塞流、泡沫流、滿管壓力流等五個階段，水流形成過程如圖3所示。

圖3 虹吸管道內(nèi)水流各狀態(tài)

降雨初期階段，屋面檐溝內(nèi)儲存水量未達到形成斗前水深要求的條件，即此時雨量不足以形成虹吸效應，因而初期降雨水量較小，雨水斗未能有效阻止空氣的進入，氣水逆向流動，管道內(nèi)為波浪流和脈沖流，此時系統(tǒng)整體處于重力流排水狀態(tài)；當雨量逐步增加，同時斗前水深逐漸加大，摻氣量進而減少，形成活塞流或泡沫流，此時系統(tǒng)整體仍舊處于重力流排水狀態(tài)；待后期降雨強度大于末端管道的重力流排放能力時，屋面檐溝內(nèi)水位不斷抬高至所需斗前水深要求時，整個系統(tǒng)均被水充滿，系統(tǒng)開始形成虹吸，迅速排放屋面雨水。

2 虹吸排水系統(tǒng)的優(yōu)缺點

2.1 虹吸排水系統(tǒng)的優(yōu)點

（1）單斗排水量大

相比于重力排水系統(tǒng)，虹吸雨水斗單斗排水量大的特點使鐵路站房屋面安裝的雨水斗數(shù)量大大減少，更加適宜鐵路站房屋面結構形式復雜、面積大的特點。

（2）管道通水效率高

虹吸式排水管道內(nèi)為滿流狀態(tài)，重力式排水管道內(nèi)為氣液混合狀態(tài)，前者泄流能力更強；因此在高鐵車站中采用虹吸排水系統(tǒng)時所需管道較少，管徑較小，安裝靈活，降低施工作業(yè)難度，可節(jié)省工程整體造價。

（3）懸吊管水平安裝

無需做坡度（但不能倒坡），布置靈活、施工方便，為鐵路車站提供更多的自由空間。

（4）自清潔能力

由于管道系統(tǒng)內(nèi)雨水流速很快，雨水管道具有很強的自我清潔能力，管內(nèi)不易結垢，便于后期維修管理。

（5）使用壽命長

虹吸雨水管常常采用如PE 管、HDPE 管、鑄鐵管、不銹鋼管、鍍鋅管等壽命較長的管材，正好匹配鐵路車站作為長久使用建筑的特點。

2.2 虹吸排水系統(tǒng)的缺點

（1）虹吸系統(tǒng)需要特制的雨水斗

單只雨水斗造價高于普通重力式雨水斗，后期更換維修費用較高。

（2）設備日常檢查維保難度大

虹吸雨水斗、管道損壞時若不及時更換，則系統(tǒng)隔阻空氣能力減弱，鄰近雨水斗負壓不易形成，管道內(nèi)出現(xiàn)氣團狀態(tài)，破壞虹吸的能力，大大降低系統(tǒng)排水能力；同時系統(tǒng)具有“養(yǎng)兵千日、用兵一時”的性質，若等到發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)未按虹吸狀態(tài)運行時，已對鐵路站房的使用積累了嚴重的安全隱患，因此會額外增加日常巡檢工作量。

（3）工程質量需嚴格把控

虹吸排水系統(tǒng)部分管道是處于負壓狀態(tài)，對負壓形成的前提條件要求較多；但在工程建設過程中破壞真空穩(wěn)定形成的因素較廣，若系統(tǒng)一旦未形成有效的虹吸狀態(tài)，其排水能力驟減，進而影響系統(tǒng)的可靠性，危及建筑物的安全與穩(wěn)定，因此需嚴控設計、施工、日常運營等各階段的工作質量。

（4）噪音問題

管道排水時，因為流速較大，會產(chǎn)生比較大的噪音，若管道未結合車站裝修設計或懸吊支架安裝不合格，會產(chǎn)生嚴重的噪音問題。

3 虹吸排水系統(tǒng)在鐵路站房中的應用注意事項

（1）嚴控管材質量

虹吸系統(tǒng)部分管道采用負壓形式，因此虹吸排水管道應能滿足在負壓狀態(tài)下保持足夠的剛度的要求，普通市面上的管材一般標稱的是正向壓力，管道負壓承載能力易被忽視。因此在設計階段應對管材的負壓承載力提出要求，在施工過程中必須出具供應商提供管材耐正壓和負壓的檢測報告，確保虹吸排水系統(tǒng)的安全，后期工程移交階段保存好各類資料，便于后期維保。

（2）嚴控施工質量

首先系統(tǒng)所需支、吊架與土建結構固定如果不牢固，由于雨水流動時虹吸系統(tǒng)產(chǎn)生的震動較大，這將會造成支、吊架的脫落，發(fā)現(xiàn)不及時可能會造成嚴重后果。其次，嚴格控制連接管的高度，若現(xiàn)場條件不允許做到雨水斗頂面與懸吊管中心高差1 m以上時，應控制好虹吸雨水口的負壓，設計應做好水力計算工作，施工應嚴格按照設計要求，保證連接管的高度。

（3）虹吸排水系統(tǒng)安全可靠性比重力流排水要小

近年來，惡劣極端的天氣頻頻出現(xiàn)，導致站房出現(xiàn)嚴重漏雨故障，影響旅客出行體驗，如紹興北站多次出現(xiàn)站房內(nèi)漏雨現(xiàn)象，給鐵路形象帶來了負面影響。所以應提高對高鐵站房屋面排水重要性的認識，充分考慮系統(tǒng)運行的安全可靠性，在規(guī)范要求的基礎上（虹吸排水系統(tǒng)和溢水系統(tǒng)的總排水能力，不宜小于重現(xiàn)期50年、降雨歷時5 min時的設計雨水流量），增加重現(xiàn)期的年限，以避免出現(xiàn)雨水漫灌進站房的事件，特別是站房采用內(nèi)檐溝結構的，更應考慮增加重現(xiàn)期年限。

（4）虹吸排水系統(tǒng)不適用于虹吸雨水口標高不在一個平面的屋面

雨水口標高不在同一水平面，會導致高位的虹吸雨水斗吸入空氣，破壞系統(tǒng)虹吸，當?shù)臀挥晁谝褲M足斗前水深要求，將形成虹吸狀態(tài)時，高位的雨水斗會將空氣帶入管道，嚴重影響系統(tǒng)的排水能力。

（5）管道的連接必須安全可靠

目前我局管內(nèi)高鐵站房虹吸排水系統(tǒng)使用最多的是普通PE 管（如寧波站等站），普通PE 管受施工條件和連接形式的制約，其管道連接強度質量不易把控，在前期介入過程中，已多次發(fā)現(xiàn)采用這種材質及連接形式的管道出現(xiàn)施工質量問題，建議在高鐵站房中采用鋼絲網(wǎng)骨架PE 管，并采用電熔接頭，以保證施工質量。

（6）防止溢流口設計遺漏

重點強調(diào)溢流系統(tǒng)不得與虹吸系統(tǒng)共用。溢流系統(tǒng)往往采用重力流的方式，當與虹吸系統(tǒng)共用時，會占用虹吸系統(tǒng)的排水能力，阻礙系統(tǒng)的虹吸狀態(tài)的產(chǎn)生。根據(jù)調(diào)查可得，設計院在進行虹吸系統(tǒng)設計時常依賴于專業(yè)虹吸雨水公司，專業(yè)公司設計完成返回設計院進行會簽時可能漏掉溢流口。后期建設單位、施工單位、監(jiān)理單位在進行圖紙會審工作時，應重點留意溢流設施是否到位，可避免后期二次施工對結構及防水層的破壞。

（7）選擇匹配合適的管件

為提高水流的水力條件，選用配件不得使用直角三通、直彎。管道在虹吸狀態(tài)下，流速較快，為提高水力條件，連接管與懸吊管的連接應采用45°的三通，懸吊管與立管、立管與排出管的連接應采用兩個45°的彎頭進行連接。其他有關管道的安裝注意事項可參照管道安裝的有關施工標準，本文不再贅述。

（8）應增加對管道負壓承載能力的試驗

《虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)技術規(guī)程》規(guī)定，在設計階段應對管道負壓進行了計算，但施工完成后，如何進行管道負壓承載力的驗收，未做出具體的規(guī)定，建議應按設計的雨水量，對虹吸系統(tǒng)進行模擬試驗，以確保實際運行工況與設計基本一致。

（9）日常清潔工作

雨水斗管徑小、屋面固體物多，且入水口裸露，很容易出現(xiàn)堵塞，因此必須做好維護管理。每年雨季到來之前或雨季期間，應重點做好屋面的清潔工作。

4 結束語

虹吸式雨水系統(tǒng)因其具有節(jié)省安裝空間、懸吊管無需坡度、管徑流量大等優(yōu)點更適合于匯水面積大、結構跨度大的屋面排水系統(tǒng)，最大限度解決了站房大面積屋面雨水排放的困難，在整體建筑美觀、節(jié)約空間、施工便利等方面有著種種優(yōu)勢；但我們也應看到虹吸排水系統(tǒng)的缺點，在實際站房中辯證地使用該技術，為鐵路建設帶來更好的經(jīng)濟效益和社會效益。