虹吸式雨水排水技術在建筑施工中的應用

李 輝

（晉中市城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，山西 晉中 030600）

0 引言

虹吸式雨水系統(tǒng)排水管泄流量較大，由于負壓抽吸作用，雨水懸吊管內(nèi)的水發(fā)生高效的流動，并且增強懸吊管的適用性，可做到水平無坡度敷設。根據(jù)建筑排水需求，靈活調(diào)整懸吊管接入雨水斗的數(shù)量，在保證排水效果的同時減少雨水立管的數(shù)量，可根據(jù)建筑建設需求更加有效地利用建筑空間。相比普通重力流雨水斗，虹吸式雨水斗的排水量明顯更大，可高效排出屋面的雨水，由于雨水的快速外排，還有利于減輕建筑物所受的荷載，集多重效果于一體。本文簡述虹吸式雨水排水技術的原理，再引入工程實例，著重對具體的技術應用要點、設計計算、關鍵施工內(nèi)容等方面進行分析，以期起到拋磚引玉的作用。

1 虹吸式雨水排水技術的原理

虹吸式雨水排水系統(tǒng)集虹吸雨水斗、懸吊管、雨水立管等多部分于一體，其結構如圖1所示。

圖1 虹吸式雨水排放系統(tǒng)示意圖

在降雨初期，累積雨水量相對較少，雨水斗內(nèi)的水量有限，此時排水系統(tǒng)的功能類似于傳統(tǒng)的重力流雨水系統(tǒng)；隨著雨水累積量的增加，雨水斗內(nèi)的水量超過設計標高，此時導流罩發(fā)揮出作用，能夠分隔雨水和空氣，通過應用該設施，促使排水管道內(nèi)產(chǎn)生負壓，實現(xiàn)對雨水的抽吸處理，產(chǎn)生具有較高排水效率的虹吸式排水現(xiàn)象。

2 虹吸式雨水排水技術在工程實例中的應用

2.1 工程概況

某工程項目建筑內(nèi)容包含商場、辦公樓、住宅等，施工設計暴雨強度為6.78L/（s·100m2），排水設施建設中采用虹吸式雨水排水系統(tǒng)，用于高效排出屋面的雨水，實現(xiàn)向集水井的快速轉移，減少雨水堆積量，減輕雨水對屋面的侵蝕和荷載作用。

2.2 施工準備

（1）加強對設計圖紙的審核，評估各項設計內(nèi)容的可行性，例如垂直度、標高等各方面均要達到要求。

（2）確定套管采取固定、密封措施，保證套管足夠穩(wěn)定且無泄漏現(xiàn)象。

（3）根據(jù)現(xiàn)場施工條件，確定排水管道的鋪設順序，基本流程是依次完成埋地管道、垂直立管、支管和排水管的鋪設作業(yè)。

（4）管道專業(yè)施工人員注重與土建及其他相關專業(yè)的協(xié)調(diào)，避免發(fā)生施工沖突。

2.3 設計要點及關鍵參數(shù)的計算

（1）合理布設雨水斗，經(jīng)過位置優(yōu)化后，使其頂面至懸吊管管中的高差不少于1m，具體布設情況如圖2所示。

圖2 雨水斗結構

（2）根據(jù)立管管徑，合理控制雨水斗頂面至過渡段的高差，其中該管徑不超過DN75時高差以3m以上為宜，在DN90及以上時將高差增加至5m。

（3）立管、懸吊管的設計流速分別不低于2.2m/s、0.75m/s，同時要求立管的流速不超過10m/s。

（4）排水管系過渡段下游的流速需得到有效地控制，應滿足不超過2.5m/s的要求，以削弱雨水流動時的沖刷作用，若流速超過該值，需配套消能設施[1]。

（5）雨水斗至過渡段的水頭損失允許誤差ΔP(kPa)也屬于虹吸式雨水排水系統(tǒng)的重點設計指標，要求該誤差在5kPa以內(nèi)，具體計算方法如下：

式中：

hver——雨水斗至出戶管過渡段的幾何高差，m；

ρ——水的密度；

g——重力加速度；

∑（L×R+Z）——雨水斗至計算點的總水頭損失（其中，L×R——沿程水頭損失，Z——局部水頭損失），kPa。

（6）排水系統(tǒng)最大負壓不低于90kPa，具體根據(jù)工程建設現(xiàn)場的海拔、管材特性等條件而定。對于虹吸式雨水排水系統(tǒng)中的懸吊管，其壓力Px(kPa)按如下方式計算：

式中：

Δhx——雨水斗頂面至懸吊管管中的幾何高差，m；

Vx——計算點的流速，m/s；

ρ、g、∑（L×R+Z）的意義同公式（1）。

（7）管道的沿程阻力。

式中：

R——水力坡降；

λ——摩阻系數(shù)；

Dj——管道的計算直徑，m；

V——流速，m/s；

g―重力加速度，9.81m/s2。

2.4 虹吸雨水排水系統(tǒng)中關鍵組成部分的安裝

不銹鋼雨水斗和管道屬于本建筑工程虹吸雨水排水系統(tǒng)的重點施工內(nèi)容，合理安裝到位是系統(tǒng)得以正常運行的重要前提。安裝中，天溝需保持平直，布設在同一天溝內(nèi)的雨水斗的高度需一致，同時安裝到位的雨水斗應有足夠的穩(wěn)定性。主體結構施工時，充分考慮雨水斗的安裝要求，在主體結構上預留300mm的空洞，后續(xù)可經(jīng)由該處將底盤安裝到位，對于安裝后存在的空隙，對其做有效的封堵，保證該部位有足夠的嚴密性。防水卷材施工時間安排在封堵作業(yè)完成后，嚴格控制防水層的厚度，充分發(fā)揮出該結構的防水作用[2]。而后組織夾圈的安裝作業(yè)，再安排找平，配套空氣擋板和防護罩，共同增強防護效果。對于虹吸管道的安裝，技術細節(jié)較多，需注重如下幾點：

（1）管道與管件需緊密連接，同時連接部位不可殘留油污以及其他雜質。

（2）測量熔體深度時，選用游標卡尺或其他精度較高的工具，規(guī)范操作，根據(jù)實測結果判斷熔體深度的實際情況。

（3）焊接彎頭時，作業(yè)人員嚴格依據(jù)設計圖紙的要求操作，必須遵循圖紙中的指示方向，同時設置清晰的位置標記。

（4）管道連接時，向加熱套筒內(nèi)將虹吸管道的末端直接插入，全程不對虹吸管道做旋轉處理；將管件推至加熱頭處，直至其達到規(guī)定位置為止；為保證熱熔效果，作業(yè)人員需嚴格依據(jù)規(guī)范要求控制加熱時間，經(jīng)過加熱處理后，從加熱頭上取下管件，直接插入，使其達到預先設定的標記處即可，插入時不旋轉管件，以免影響管道的密封性。

2.5 排水管道的排水性能試驗

排水管道安裝完成后，組織灌水試驗，根據(jù)試驗情況判斷管道是否具有足夠的嚴密性和順暢性。在現(xiàn)階段的虹吸式排水系統(tǒng)建設中，應用較為廣泛的排水性能試驗方法有如下三種：

（1）水容積增減的方法。對排水系統(tǒng)的立管出口部位做密封處理，根據(jù)排水區(qū)域的面積予以劃分，形成獨立的儲水區(qū)；經(jīng)過分區(qū)處理后，向出水區(qū)內(nèi)加水，水深控制在0.5m以內(nèi)；開啟排水出口5s，并及時記錄在隨后30s內(nèi)的屋面水面高度，根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)展開計算，進而評估排水能力。

（2）管道流量計測量的方法。為測定水的流量，配套流量計，將其布設在排水系統(tǒng)出口干管的位置，再對出口做密封處理；根據(jù)排水區(qū)的面積劃分出獨立的儲水區(qū)，向其中加水并使水深控制在0.5m以內(nèi)；開啟排水出口5s，及時記錄30s的流量，根據(jù)儀表顯示的數(shù)據(jù)進行計算，以所得結果為參考，評估排水能力。

（3）降雨觀測的方法?？紤]現(xiàn)場天氣條件，選擇降雨天氣安排觀測，根據(jù)測定結果計算，從而評估虹吸式雨水排水系統(tǒng)的排水能力。為保證計算結果的準確性，降雨量選用的是工程所在地區(qū)的氣象部門監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.6 虹吸式雨水排水系統(tǒng)的施工注意事項

（1）在虹吸式雨水排水系統(tǒng)的結構組成中，雨水斗的斗前深度不超過5mm較為合適，雨水斗離墻距離不少于1m，相鄰兩雨水斗布設間距不大于20m。

（2）根據(jù)建筑各部分結構適配合適規(guī)格的雨水斗，其中設有天溝、檐溝屋面，優(yōu)先采用的是DN50～DN150的雨水斗，平屋面排水選用DN50或DN60型即可。

（3）于屋面或天溝的最低點布設虹吸式雨水斗。若排水系統(tǒng)連接多個雨水斗，需要將彼此間的連接管穩(wěn)定接在懸吊管處。

（4）管道的連接方法根據(jù)管道類型而定，其中HDPE管采取焊接連接的方法；鑄鐵管可選擇的連接方式主要有節(jié)套式連接和機械式接口連接；鋼管施工中，諸如溝槽式連接、焊接連接等均是可選擇的方法。無論采取何種管道連接方法，均要滿足管道連接緊密、穩(wěn)定的基本要求。

（5）天溝雨水斗安裝期間，需要在建筑主體結構施工中設置的預留孔處將底盤安裝到位，產(chǎn)生的縫隙用混凝土封堵，保證嚴密性。此外，雨水斗邊緣與屋面的連接部位也應保持密封狀態(tài)。在各項密封措施均落實到位后，安排防水施工，按設計要求控制防水層的厚度。為實現(xiàn)對管路系統(tǒng)的防護，在其安裝完成后配套隔柵防護罩。

（6）施工人員嚴格依據(jù)圖紙要求施工管道，將合適規(guī)格的管道布設至指定位置，其中以變徑部位的位置較為特殊，與設計值的偏差需在±0.20m以內(nèi)。在確認管道所處位置無誤后，予以固定。

（7）管道轉彎和交匯處的角度達到90°時，可能會由于角度較大而影響管道的流通狀態(tài)，為此在轉彎部位設雙45°彎頭，以此來保證水的高效流動。此外，密封性是排水系統(tǒng)實現(xiàn)虹吸功能的重要前提，因此需要嚴格依據(jù)要求將管道安裝到位，再做全面的檢查，保證各處均有足夠的嚴密性。

3 提高虹吸式雨水排水系統(tǒng)高效排水的技術要點

3.1 保證水的持續(xù)流動

虹吸式雨水排水系統(tǒng)內(nèi)的水流應有持續(xù)性，否則易影響到虹吸作用，抑制排水效果。而部分管道轉彎部位的角度較大，不利于水的正常流動，管道流速的降低可能會導致虹吸作用被削弱?？紤]到該問題，若水流存在90°的方向轉變，需要注重對彎頭部位的平順處理，例如增設銜接管道，避免流速在短時間內(nèi)大幅下降。若系統(tǒng)中存在90°的T型支管，此管道布設條件下若橫管內(nèi)的水高速流動，將由于管壁的阻礙而導致水的流速急劇降低，此時管壁將遭到過強的水流沖擊作用，同時在水流撞擊管壁后還將產(chǎn)生水流回流的現(xiàn)象，進而衍生出水塞問題，不利于排水管的正常運行，使虹吸作用受到嚴重的影響。為解決該問題，可適當增加管道的管徑，也可在支管匯集部位設斜45°三通，此類措施均有利于調(diào)節(jié)管道內(nèi)的水體流動狀態(tài)，保證虹吸作用的有效性。

3.2 高度關注氣水混合流的影響

系統(tǒng)管道存在虹吸作用時，管道內(nèi)部水中溶解的氣體會匯聚成氣泡，以由于此類氣泡的摻雜，并不能獲得理想化的液體單相流。隨著水的逐步流動，存在于其中的微小氣泡有釋放的跡象，但此時依然存在氣水混合流，因此虹吸作用持續(xù)存在，排水系統(tǒng)仍具有一定的排水能力。系統(tǒng)內(nèi)的負壓也是影響管道水流態(tài)的重要因素，在負壓過高的條件下，管道內(nèi)的水以較快的速度流動，即此時存在氣蝕現(xiàn)象，隨著該現(xiàn)象的持續(xù)發(fā)生，金屬管道易受到嚴重的損傷。不僅如此，較高的負壓將迫使小氣泡破裂，在此期間管道有強烈的震動現(xiàn)象，將對管道的耐久性造成不利影響。由于管道內(nèi)氣團的存在，將干擾系統(tǒng)的正常排水，虹吸作用減弱，充斥在管道內(nèi)的水流較少，即水流的充滿度不足，自然難以達到高效排水的效果。對比來看，管道內(nèi)的中間部位存在氣團時，水流主要沿管壁流動，此時建設的虹吸式雨水排水系統(tǒng)運行效果大打折扣，幾乎與傳統(tǒng)重力雨水排水系統(tǒng)相當，并不能取得良好的排水效果。

3.3 提升系統(tǒng)的完整性和嚴密性

雨水斗至管道系統(tǒng)間的各類排放系統(tǒng)應具有完整性，各組成部分需要保持緊密銜接的關系，在此前提下，才可以促進系統(tǒng)虹吸排水作用的持續(xù)發(fā)生，從而滿足高效排水的要求。若配套的雨水斗有敞開的入口，受水流旋轉的影響，空氣將經(jīng)由入口匯聚至排放系統(tǒng)內(nèi)，由于管道內(nèi)夾雜空氣，管道內(nèi)的虹吸作用削弱，雖然仍能夠虹吸排水，但顯然不具備過高的排水能力，甚至在進氣量較大時其排水效果與常規(guī)的重力式排水系統(tǒng)相當。

工程建設中，為提升常規(guī)重力式排水系統(tǒng)的運行能力，通常對懸吊管的布設方式有特定的要求，例如按照2%的最小坡度安裝到位，但對于虹吸式系統(tǒng)而言，其在此方面并無特定的要求，可以在坡度為0時進行安裝作業(yè)，在此布設方式下，不存在重力勢能的作用，系統(tǒng)難以正常排水。根據(jù)該虹吸式排水系統(tǒng)的管道布設特點可知，只有在雨水口的入口呈半敞開的狀態(tài)時，才可實現(xiàn)對空氣的阻隔，避免其進入系統(tǒng)內(nèi)，保證管道內(nèi)水的高效排放；斗前水深達到特定的要求后，才具備產(chǎn)生水封的條件，此時才能夠有效地隔斷空氣，以此來建立起排水系統(tǒng)的虹吸作用。

需注意的是，除了阻隔空氣進入入口外，還需要加強對系統(tǒng)管道的防護，避免空氣進入其中。由此看來，提升系統(tǒng)的密封性極具必要性，要求建設成型的各管道均無滲漏現(xiàn)象。之所以存在此方面的要求，是因為虹吸時管道中存在壓力流，管壁、承插口兩部分均要承受壓力作用，可能由于某處質量薄弱而出現(xiàn)滲漏；此外，若確實存在滲漏現(xiàn)象，將迫使管內(nèi)的壓力發(fā)生變化，進而干擾管道的虹吸作用，導致整個排水系統(tǒng)無法正常運行，虹吸作用減弱，排水效果變差。

4 結束語

綜上所述，在建筑工程建設中，除了主體結構的建設外，配套高效的排水系統(tǒng)也尤為關鍵。在現(xiàn)階段的建筑排水技術體系中，虹吸式雨水排水技術頗具代表性，其在解決屋面雨水排放問題方面有良好的效果，即便是在超高建筑中也依然具有可行性。虹吸式雨水系統(tǒng)的斗前水深較淺，在設計和施工得當?shù)那疤嵯?，能夠?chuàng)造較高的虹吸效率，同時由于雨水的高效排放，還可減輕對屋面的負荷。放眼技術發(fā)展趨勢，虹吸式雨水排水技術因其原理成熟、運行效果突出而得到廣泛的應用，工程技術人員應予以高度的重視，結合建筑工程實際環(huán)境靈活應用，切實提高建筑的排水效果。