屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計分析

1、屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計分析摘要：從水力學的角度分類，屋面雨水排水系統(tǒng)一般可分為重力流和壓力流虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)兩類。文章在分析壓力流虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，對該排水方式與傳統(tǒng)重力流雨水排水方式進行了比較，討論了壓力流虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢并對壓力流虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用中的幾個問題進行了分析。關(guān)鍵詞： 屋面排雨水； 壓力流虹吸式；設(shè)計0 前言隨著近年來我國經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，建筑屋面的造型千姿百態(tài)豐富多彩，各種大面積的場館、現(xiàn)代工業(yè)廠房在全國各地大量興建，這些建筑往往氣勢宏偉、美觀實用，但隨之也帶來了大或超大屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計的問題。近10年來，

2、虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，如上海世博會主題館、浦東國際機場航站樓、首都機場T3A航站樓以及部分核電廠的常規(guī)島主廠房等都采用了虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)。與重力流排水系統(tǒng)相比，虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)有其優(yōu)勢，但也存在一定的局限性，有必要對其設(shè)計和應(yīng)用進行分析和探討。1 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的工作原理虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)利用虹吸原理，在降雨過程中，當屋面積水達到一定高度時，雨水通過能有效防止漩渦的虹吸式雨水斗進入管道，該雨水斗能減少雨水進入排水系統(tǒng)時所夾帶的空氣量，使得系統(tǒng)中排水管道呈滿流狀態(tài)，利用建筑物的高度和落水具有的勢能，在管道中形成局部真空(負壓)，從而快速排出屋面雨水。11

3、工作原理壓力流虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的計算基礎(chǔ)是不可壓縮流體的能量守恒定律伯努利方程。虹吸式雨水排水系統(tǒng)水力分析(系統(tǒng)排出管為自由出流)如圖1所示，系統(tǒng)最高處BB斷面為屋面雨水斗進水口，XX斷面為計算斷面，可定在系統(tǒng)任意高度處，系統(tǒng)最低處AA斷面為排出管出水口。圖1 虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)根據(jù)圖l列出BB和Xx斷面的伯努利方程，具體如下： (1)式(1)中、分別為雨水斗BB斷面到XX計算斷面的總的局部損失和總的沿程損失，PB=O，VB=0，PX為管道XX斷面處的壓力水頭，令h=H-hX，代入式(1)得： (2)式(2)是計算管道中任一斷面處壓力水頭的基本公式，它表示管道中任一點的壓力水頭等于雨

4、水斗與該點的高度差減去該點的速度水頭及相應(yīng)的總的局部損失和沿程損失。如果式(2)計算結(jié)果PX0，則管道內(nèi)為正壓；若PX0，則管道內(nèi)為負壓。12虹吸式系統(tǒng)的壓力分析以虹吸式雨水排水系統(tǒng)的主管道為分析對象，以雨水斗為起點，雨水檢查井為終點，管道沿程長度為橫坐標，管道內(nèi)流體的壓力水頭為縱坐標，繪制壓力水頭變化，結(jié)果見圖2。圖2虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)壓力水頭分析雨水斗及其連接管(13段)當系統(tǒng)在設(shè)計工況運行時，在雨水斗的連接管上一般虹吸式雨水斗的較大，加上雨水斗的出水管較細，則較大，而可利用的水頭h不大，通過式(2)計算可知，雨水斗前通常有較小的壓力水頭，在雨水斗連接管上通常呈較小的負壓。雨水懸吊管(

5、34段)隨著計算斷面XX沿水平懸吊管由雨水斗一側(cè)向雨水立管一側(cè)偏移，由于虹吸式系統(tǒng)的雨水懸吊管一般為水平安裝，因此h維持不變，管道內(nèi)的增加，變化不大，則按式(2)計算可得，管內(nèi)負壓將不斷增大，并在其與立管的交叉處負壓達到最大。雨水立管(45段)從立管與懸吊管的交叉點向下，h迅速增加，大大超過因管道長度增加而增大的，而和保持不變，通過式(2)計算可知，立管內(nèi)的負壓值將減小至零，繼而出現(xiàn)逐漸增加的正壓值，在立管底部正壓值達到最大值。 雨水排出管(56段)壓力水頭在該管段內(nèi)逐漸被消耗，至排水井處與大氣相通，管道的壓力水頭降為零，雨水斗的進水水面至排出口的總高度差，即有效作用水頭全部用盡。為了保證系統(tǒng)

6、的可靠運行以及便于后續(xù)對設(shè)計的修改，一般保留系統(tǒng)有一定的余量(節(jié)點6處)，而非將壓力水頭耗盡。13特點和優(yōu)勢與傳統(tǒng)的重力流屋面雨水排水系統(tǒng)相比，虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)具有以下特點：虹吸式系統(tǒng)內(nèi)呈負壓狀態(tài)，懸吊管管內(nèi)為壓力流，無需坡度，管道布置靈活，占用空間小。就相同的雨水排水量而言，虹吸式排水系統(tǒng)所需雨水立管的數(shù)量和管徑遠小于重力流系統(tǒng)，但為了保證虹吸作用的實現(xiàn)，對排水管道的剛性和密封性有較高要求。此外，虹吸式排水系統(tǒng)的設(shè)計較為復雜，其系統(tǒng)設(shè)計需要由專業(yè)的廠家進行計算，其設(shè)計計算軟件要獲得國家的專業(yè)認證，虹吸式雨水斗是各個廠家的專利，需要有專門的性能測試報告，其雨水斗的價格要遠遠高出常規(guī)的雨水

7、斗。通過技術(shù)經(jīng)濟分析比較可知，雖然虹吸式系統(tǒng)自身造價較高，但該系統(tǒng)可以有效提高建筑的空間利用率，從而減少整個工程投資造價。2虹吸式雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用目前，虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計主要參考的技術(shù)規(guī)程和規(guī)范包括：建筑給水排水設(shè)計規(guī)范(GB500152003，以下簡稱設(shè)計規(guī)范)、虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程(CECS183：2005，以下簡稱技術(shù)規(guī)程)和建筑與小區(qū)雨水利用工程技術(shù)規(guī)范(GB 50400-2006，以下簡稱技術(shù)規(guī)范)，在具體的系統(tǒng)設(shè)計和計算中還存在一定的爭議，為此就以下設(shè)計與計算問題進行分析和討論。21 關(guān)于總有效水頭的確定通過原理分析可知，在虹吸式排水系統(tǒng)設(shè)計時，管道內(nèi)壓力

8、水頭的計算是通過總的有效水頭扣減總的局部損失、總的沿程損失和速度水頭得到。目前關(guān)于總有效水頭的計算還存在爭議，總有效水頭的計算最高點是指雨水斗高度，但技術(shù)規(guī)程中最低點計算斷面為過渡段的高度，而技術(shù)規(guī)范中為排出室外地面的高度，兩者在虹吸式系統(tǒng)的總有效水頭的計算上存在一定差異。從法律效力來分析，兩者都是系統(tǒng)設(shè)計時需要遵守的技術(shù)文件。從設(shè)計的保守性分析，按技術(shù)規(guī)程中的計算方法進行設(shè)計更為保守。以下從合理性角度對上述兩者進行比較和分析：由于虹吸式雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計重現(xiàn)期(一般大于10年，有的甚至達到50年以上)一般都大于室外雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計重現(xiàn)期(一般小于5年)，當虹吸式排水系統(tǒng)達到其設(shè)計工況時，室

9、外雨水系統(tǒng)包括雨水管、雨水檢查井都已超負荷運行，此時室外的雨水井一般都是滿水的，通過式(2)分析可知，此時的壓力水頭P。的計算應(yīng)該由總的有效水頭(雨水斗到室外地面的高差)扣減總的沿程損失、總的局部損失和速度水頭(淹沒出流的損失)。可見，在一般情況下，技術(shù)規(guī)范中的計算結(jié)果更接近于實際情況。如果屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計重現(xiàn)期小于或等于室外雨水系統(tǒng)(如部分核電廠廠房的屋面雨水系統(tǒng)設(shè)計)，則技術(shù)規(guī)程的計算方法更為合理。因此，虹吸式排水系統(tǒng)的設(shè)計需要依據(jù)具體的設(shè)計工況來確定有效水頭的計算方法。全國民用建筑工程技術(shù)措施給水排水要求總有效水頭同時滿足技術(shù)規(guī)范和技術(shù)規(guī)程中的相關(guān)條款，以保證系統(tǒng)設(shè)計的安全性。為了

10、更好地指導設(shè)計，建議將來修訂相關(guān)規(guī)范時，對以上兩種總有效水頭計算方法的具體適用條件進行相關(guān)的規(guī)定和說明，便于設(shè)計人員選用。另外，關(guān)于多斗式虹吸式雨水系統(tǒng)設(shè)計的校核計算，設(shè)計規(guī)范要求滿管壓力流排水管系各節(jié)點的上游不同支路的計算水頭損失之差，在管徑DN75時，不應(yīng)大于10kPa；在管徑DNl00時，不應(yīng)大于5kPa。而在技術(shù)規(guī)范中則沒有就管徑大小進行區(qū)分，而是統(tǒng)一要求系統(tǒng)中節(jié)點處各匯合支管間的水壓差值不應(yīng)大于0.01MPa，這也是目前采用比較多的校核方法。兩者在校核標準上存在一定差異，不利于設(shè)計人員的校核計算。建議進一步進行分析研究，將來修改相應(yīng)規(guī)范時進行統(tǒng)一，以便于設(shè)計人員進行設(shè)計和校核。22關(guān)

11、于虹吸式排水系統(tǒng)設(shè)計重現(xiàn)期的確定在計算屋面雨水的排水量時，降雨強度是一項重要參數(shù)，設(shè)計降雨強度應(yīng)根據(jù)當?shù)氐挠炅抗接嬎愦_定。按室外排水設(shè)計規(guī)范(GB 500142006)的規(guī)定，設(shè)計暴雨強度計算公式為： (3)式中設(shè)計暴雨強度，L(Shm2)降雨歷時，minP設(shè)計重現(xiàn)期，a、C、b、n參數(shù)，根據(jù)統(tǒng)計方法進行計算確定由于、C、b、n由當?shù)貧庀筚Y料統(tǒng)計確定，因此，降雨歷時t和設(shè)計重現(xiàn)期P兩個參數(shù)的確定對于雨水設(shè)計的影響最大。關(guān)于降雨歷時t，設(shè)計規(guī)范中規(guī)定應(yīng)按5 min計算。在最新修訂的設(shè)計規(guī)范以及技術(shù)規(guī)范、技術(shù)規(guī)程中對屋面匯水區(qū)域的設(shè)計重現(xiàn)期的規(guī)定基本相同，具體見表l。項目設(shè)計重現(xiàn)期屋面一般性建筑

12、物屋面25重要公共建筑屋面10表1 各種屋面匯水區(qū)域的設(shè)計重現(xiàn)期由表1可知，相關(guān)規(guī)范沒有就重力流和虹吸式系統(tǒng)兩種不同的屋面雨水排水方式分別規(guī)定設(shè)計重現(xiàn)期，而兩者的設(shè)計卻有很大的差異。在重力流系統(tǒng)中，以雨水斗為研究對象，國內(nèi)曾做過相關(guān)的研究，在一定工況下DNl00的87型雨水斗其泄水流量達30Ls，而規(guī)范規(guī)定的設(shè)計泄水量僅為12Ls，遠遠小于實際泄水流量。以雨水排水系統(tǒng)的懸吊管為研究對象，設(shè)計規(guī)范規(guī)定重力流屋面雨水排水管系的懸吊管應(yīng)按非滿流設(shè)計，其充滿度不宜大于0.8。由于不是按可能發(fā)生的滿管流設(shè)計，因此其設(shè)計流量也小于實際排水流量。以雨水立管為分析對象，按照條文說明，在最新修訂的設(shè)計規(guī)范中提到

13、的重力流雨水立管的最大泄流量是充水率為0.35的水膜重力流理論計算值，而實際上雨水立管可能出現(xiàn)的充水率可達80以上。最新修訂的設(shè)計規(guī)范的條文說明中提到將最大泄流量改為原值的0.8倍，從而使系統(tǒng)的保守性進一步得到了提高。因此，重力流雨水系統(tǒng)能夠排除一定的超設(shè)計重現(xiàn)期的雨水，其設(shè)計是有富余的，設(shè)計重現(xiàn)期可以取較小值。虹吸式雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計則與重力流系統(tǒng)完全不同，虹吸式排水系統(tǒng)是按極限排水流量設(shè)計的，即暴雨強度大于設(shè)計重現(xiàn)期時，虹吸式雨水排水系統(tǒng)將失去平衡。因此，在設(shè)計虹吸式雨水排水系統(tǒng)時，其設(shè)計重現(xiàn)期應(yīng)取較大值。表1中給出了10年重現(xiàn)期的下限值，在實際工程設(shè)計中，有的則采用將計算所得的雨水流量乘

14、以1.5倍作為設(shè)計雨水流量，而部分工程的虹吸式雨水系統(tǒng)的設(shè)計重現(xiàn)期達到了50年甚至更高，在核電廠中部分廠房的虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的重現(xiàn)期達到了100年。由于虹吸式排水系統(tǒng)在國內(nèi)的應(yīng)用和研究還不是很成熟，設(shè)計重現(xiàn)期具體的參數(shù)取值還有待進一步研究確定。建議在以后修訂規(guī)范時，有必要將重力流和虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計重現(xiàn)期分別予以規(guī)定和說明，適當增大虹吸式排水系統(tǒng)的設(shè)計重現(xiàn)期，對其取值加以明確，或者規(guī)定將計算所得雨水量乘以一定的安全系數(shù)作為系統(tǒng)的設(shè)計輸入值，或者提高降雨歷時取值的標準。23 審慎采用虹吸式排水系統(tǒng)雖然虹吸式雨水排水系統(tǒng)與傳統(tǒng)的重力流排水系統(tǒng)相比有其獨特性，但虹吸式排水系統(tǒng)有其自身

15、的局限性和適用條件，因此并非所有類型的建筑屋面雨水排水都適合采用虹吸式系統(tǒng)。由虹吸式排水系統(tǒng)工作原理分析可知，當系統(tǒng)設(shè)置的高度較小時，可利用的勢能很小，將不能滿足系統(tǒng)的要求，所以屋面高度較低的建筑不推薦采用虹吸式系統(tǒng)。對于建筑高度很大且建筑屋面非大跨度、大面積的建筑(如高層商用寫字樓、酒店建筑等)，由于在立管最頂端的管道內(nèi)為負壓，高度h值很大，而式(2)中其余三項之和的增加量很少，則立管底部的P。值很大，對管道的連接質(zhì)量有較高的要求，需要對該段管道進行加固設(shè)計，勢必導致整個虹吸式排水系統(tǒng)的造價大大提高。因此對于該類建筑物，從系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)濟性和安全性考慮，選擇虹吸式雨水排水系統(tǒng)時應(yīng)審慎考慮。3結(jié)論在設(shè)計屋面雨水排水系統(tǒng)時，應(yīng)根據(jù)建筑設(shè)計布局，并結(jié)合各種屋面排水系統(tǒng)的特點，選擇適當?shù)挠晁潘到y(tǒng)及管材，以確保屋面雨水排水系統(tǒng)的排放能力滿足設(shè)計規(guī)范的要求。建議修改與虹吸式雨水系統(tǒng)相關(guān)的規(guī)程、規(guī)范中關(guān)于有效水頭的計算方法的