屋面雨水虹吸式排水系統(tǒng)施工技術(shù)

屋面雨水虹吸式排水系統(tǒng)施工技術(shù)摘要：虹吸排水應(yīng)用于大型建筑屋面雨水排水系統(tǒng)較之重力流排水系統(tǒng)顯示出較大的優(yōu)越性，虹吸式屋頂雨水系統(tǒng)的原理就是依靠特殊的雨水斗的設(shè)計，實行汽水分離，從而使雨水立管中為滿流狀態(tài)，當立管中的水達到一定的容量時，虹吸作用就產(chǎn)生了。在降雨過程中，由于連續(xù)不斷的虹吸作用，整個系統(tǒng)得以令人驚奇的快速排除屋頂上的雨水。本文通過工程實踐提出相關(guān)技術(shù)問題，以供借鑒。關(guān)鍵詞：重力流、虹吸排水、施工技術(shù)1.前言目前，絕大部分屋面雨水排水基本采用重力流排放技術(shù)排水，但隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，超大型建筑不斷涌現(xiàn)，強對流的災(zāi)害型天氣頻發(fā)，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或屋面面積超大的建筑，這種技術(shù)就難以滿足。目前國際上虹吸式雨水排放技術(shù)已經(jīng)很成熟。對于工業(yè)廠房、貨運站、購物中心、體育場館、物流中心、會展中心、火車站、飛機場等各類大空間、大跨度的大型屋面的建筑形式，采用虹吸式雨水排水系統(tǒng)更具科學性和先進性。虹吸工作原理虹吸現(xiàn)象我們在日常生活中經(jīng)?？梢钥吹?。如下圖所示，我們把一根灌滿水的塑料管用手指堵住兩端分別放入魚缸和水杯中，同時放開手指，由于兩個液面存在高差hl，此高差部分水在重力作用下流向水杯，從而使上部塑料管內(nèi)產(chǎn)生負壓，魚缸內(nèi)水就會被吸入塑料管，水就會不斷的從魚缸流向水杯，這就是虹吸現(xiàn)象。當魚缸與水杯液面高差越大時，塑料管內(nèi)水流速度越大，排水越迅速。虹吸式雨水排放系統(tǒng)正是利用這一原理，利用建筑物屋面高度所形成的水頭來實現(xiàn)虹吸排水。降雨來臨時，屋面逐漸形成積水，由于采用了科學設(shè)計的防漩渦雨水斗，當屋面積水達到一定高度，通過控制進入雨水斗的雨水流量和調(diào)整流態(tài)減少漩渦，從而極大地減少了雨水進入排水系統(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)，當雨水通過管道變徑時，在此處產(chǎn)生負壓，加速雨水的排放速度。虹吸形成過程及其優(yōu)勢分析對大型屋面可“分區(qū)排水”，整個屋面排水系統(tǒng)可由數(shù)個子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)設(shè)一個天溝，這樣天溝可避開伸縮縫。系統(tǒng)的設(shè)計是當天溝內(nèi)雨水深度達到一定深度時，首先是尾管充滿水達到虹吸條件，繼而使整個系統(tǒng)產(chǎn)生虹吸，即可使天溝雨水快速排放。因虹吸排水流速很大，要通過消能井再排入市政雨水排水系統(tǒng)。而當雨量較小時，該虹吸系統(tǒng)也只有做為重力流系統(tǒng)使用。這樣，虹吸排水系統(tǒng)可用比重力流排水系統(tǒng)小得多的管線能排出幾十年一遇的暴雨雨水。此外，在相同排水量的情況下，虹吸排水系統(tǒng)所需的斗前水深要小于重力流系統(tǒng)。比如，計算表明排水量為40L/s時，用直徑300mm的重力流雨水管，其斗前水深需100mm，而直徑100mm的虹吸雨水管，其斗前水深僅需73mm，這對屋面的建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計都非常有利。虹吸系統(tǒng)所用管徑不僅比重力流小，而且可比重力流“少”。即一個橫管，一個立管，可以上接十余個雨水斗，而重力流系統(tǒng)則需要多根立管。此外，虹吸系統(tǒng)的橫管可以水平安裝，而重力流系統(tǒng)其橫管必須有不小于5%。的坡度，將使橫管末端降低，從而影響使用空間或影響建筑結(jié)構(gòu)處理。虹吸系統(tǒng)的立管因數(shù)量少，可利用樓梯間、立柱旁等處敷設(shè)，不占用更多的使用空間，橫管也可以敷設(shè)在非敏感的公共走廊等處?？傊?，虹吸排水系統(tǒng)能給建筑設(shè)計一個非常有利的條件。虹吸排水系統(tǒng)與重力排水系統(tǒng)重要設(shè)計參數(shù)的比較兩種排雨水系統(tǒng)雨水斗和雨水立管的最大設(shè)計泄流量見表1和表2：表l雨水斗最大設(shè)計泄流量表2雨水立管最大設(shè)計泄流量通過上述比較可以看山，與重力雨水排水系統(tǒng)相比，虹吸雨水排水系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：①管徑??；②管道安裝所需空間??；③懸吊管道坡度小，可為管道安裝提供方便，節(jié)約建筑空間；④下水道連接管和理地管道少，地下工程量??；⑤系統(tǒng)流速大，有較好的自清作用。缺點是：兩系統(tǒng)取同樣的設(shè)計重現(xiàn)期時，虹吸雨水排水系統(tǒng)會出現(xiàn)溢流的可能性。虹吸排水的施工要點5.1雨水斗安裝雨水斗的安裝位置應(yīng)滿足以下要求：（1）雨水斗離墻至少1米。（2）雨水斗之間距離一般不能大于20米。虹吸系統(tǒng)的雨水斗與普通雨水斗的主要區(qū)別在于有結(jié)構(gòu)獨特的空氣擋板，空氣擋板不僅能有效地阻止空氣進入尾管，而且對由空氣擋板下面流入尾管的雨水具有整流作用。再有，即使天溝內(nèi)落葉等垃圾沒有及時清掃，空氣擋板的結(jié)構(gòu)也能使排水功能不受大的影響。雨水斗安裝在屋面的天溝里，混凝土屋面與金屬屋面用雨水斗，其主要構(gòu)件部分均相同，只是因安裝條件不同而略有差異。下面以混凝土屋面用雨水斗為例說明雨水斗的安裝要點。在屋面防水層施工前安裝不銹鋼底盤放在預(yù)留孔的正上方，確保底盤與面板頂面標高保持一致，同時用混凝土封堵尾管與預(yù)留洞之間的空隙。在混凝土封堵完成后，土建方開始進行防水施工，但要保證防水層不超過規(guī)定界限。防水施工完成后，安裝夾圈，防水保護層及找平層做到夾圈的邊緣。在屋面工程結(jié)束，管路系統(tǒng)安裝完畢后安裝空氣擋板或隔柵防護罩。雨水斗以不銹鋼底盤、夾圈、空氣擋板等幾個部件組成，不銹鋼底盤固定安裝在天溝，上面安裝空氣擋板，下面有接尾管的短節(jié)，因而雨水斗的定位安裝就是其不銹鋼底盤的定位安裝。不銹鋼底盤起“承上啟下”的作用，安裝前要注意核實定位尺寸及標高。5.2水平管與立管的安裝管線的安裝關(guān)鍵是定位準確，特別是彎頭、大小頭、三通等處的定位。要注意系統(tǒng)圖中標注的所有管道長度的度量均以管道中心為準，所有彎頭、三通、變徑接頭均以與聯(lián)接管中心交點為準。要特別注意水平管的標高不能任意變動，以免破壞虹吸條件。安裝時要特別注意管道的配置，因為液體在管道中沿著管壁流動，當條件具備產(chǎn)生虹吸時也有一個過程：由重力流發(fā)展為波浪流，再發(fā)展為氣泡混合流，最后為滿管流。因此，施工過程中要注意正確配置管道，采用“順水”方式，保證管道不進入空氣（同時，要注意尾管的有效長度）大小頭在水平管和立管上的連接如圖所示。5.3尾管的安裝關(guān)鍵是尾管的安裝時間應(yīng)放在“最后”，即必須在天溝全部土建施工完成、清潔后，與雨水斗的空氣擋板同步施工，以完成整個虹吸系統(tǒng)的施工。因為尾管過早的連接，會使虹吸系統(tǒng)的管線過早投入運行，而天溝的水泥砂漿等會隨雨水流入并在水平管與立管管壁凝固結(jié)塊，而使虹吸系統(tǒng)失去其功能，一旦造成這種情況，處理起來代價很高。因此，在施工合同中就應(yīng)與建設(shè)方說明，虹吸系統(tǒng)不可作為施工期間的雨水排水用。5.4抓好圖紙會審工作因虹吸系統(tǒng)是經(jīng)過精確計算而設(shè)計的，任何改動都需要經(jīng)計算確認。因此，要在施工前，通過圖紙會審，重點確認系統(tǒng)的定位與標高以及與其它專業(yè)安裝有無沖突，以盡量減少日后施工中的改動。其次，通過圖紙會審，確認土建圖紙上雨水斗預(yù)留洞及管線穿墻（或樓板）處預(yù)埋套管等位置是否準確，有無遺漏。這樣在土建主體施工過程中只派1人跟進檢查其預(yù)留與預(yù)埋是否正確即可，而當全面施工條件具備時才集中力量進場完成主要安裝工作量。之后，當具備竣工條件時再安排適當力量集中完成雨水斗的空氣擋板安裝及尾管的連接，從而提高工效。5.5安裝技術(shù)要點虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)，系統(tǒng)排水管道均按滿流有壓狀態(tài)設(shè)計，因為整個系統(tǒng)的正常運行依靠虹吸作用，所以確保產(chǎn)生并維持虹吸作用的技術(shù)要點是保證系統(tǒng)正常運行必要條件。5.5.1水的持續(xù)流動性在保證水流方向的持續(xù)流動性是維持虹吸作用的關(guān)鍵。特別是在管道轉(zhuǎn)彎角度相對較大，甚至呈90°的時候，很有可能因為管內(nèi)流速的突然下降而引起虹吸作用被破壞。因此，當水流有90°的方向改變時，此處彎頭的連接方式，必須注意設(shè)計一個銜接管段，以保證流速不會突然大幅下降，而是維持上升的狀態(tài)，從而整個虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)得以正常運行。當系統(tǒng)中出現(xiàn)90°T型支管時，當橫管內(nèi)水流以較快的速度沖向管壁突然遇到阻礙，在極短的時間內(nèi)速度降為零。一方面對于管壁形成極大的沖擊，另一方面，水流撞擊管壁后又以一個與初始方向相反的速度，迅速的在管內(nèi)形成回流，這樣，兩股方向相反的水流在管內(nèi)沖撞，很容易形成水塞，阻礙排水管排放，破壞虹吸作用。因此，在施工時可根據(jù)管道的空間和環(huán)境情況來進行選擇相應(yīng)的解決方式。例如在拐彎或支管匯集處可以采用相對較大的管徑起緩沖作用，或在拐彎彎頭處采用雙45°彎頭、支管匯集處采用斜45°三通以避免出現(xiàn)90°變化的銜接管段。5.5.2氣水混合流的影響當系統(tǒng)管道內(nèi)形成虹吸作用時，由于可供使用的管道管徑不一定恰好是計算所得的管徑尺寸，因此管道內(nèi)部會有很多溶解在水中的小氣泡，并不是完全理想化的液體單相流。這些微小氣泡在流動過程中會逐漸釋放，然而這種氣水混合流而非氣水兩相流的流態(tài)，仍可以被看作虹吸作用，是允許存在的狀態(tài)，并不影響虹吸作用的形成，也不影響系統(tǒng)的排水能力。影響管道內(nèi)水的流態(tài)的另一個重要因素是系統(tǒng)內(nèi)各部分的負壓，負壓過大時會導(dǎo)致管內(nèi)流速過快，發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，對于金屬管道產(chǎn)生極大傷害。同時負壓過高，系統(tǒng)內(nèi)小氣泡會在負壓作用下破裂使管道系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈震動，減少系統(tǒng)使用壽命。因此在虹吸式雨水管道計算時要求管道內(nèi)負壓不超過-0.08Mpa（氣蝕臨界值約為-0.092MPa）。但是，溶解在水中的氣泡并不意味著管道內(nèi)的氣團。如果排水管道內(nèi)，中間部分是氣團，沿壁部分是水流，這樣就是傳統(tǒng)重力雨水排放系統(tǒng)的管內(nèi)流態(tài)。管道內(nèi)氣團的存在，嚴重影響虹吸作用時管內(nèi)滿流狀態(tài)的形成，水流在管內(nèi)的充滿度相當?shù)?，大大減小了系統(tǒng)的排水能力。5.5.3系統(tǒng)的一體性和密封性為保證虹吸排水的產(chǎn)生和持續(xù)作用，就要求從雨水斗到管道系統(tǒng)的整套排放系統(tǒng)必須是一體的，各部分緊密相連。如果雨水斗有一個完全敞開的入口，空氣就會在水流旋轉(zhuǎn)作用的帶動下，從入口出進入整個雨水排放系統(tǒng)，這樣就根本無法形成滿流的虹吸狀態(tài)，整個系統(tǒng)也不再是高效的虹吸式排放系統(tǒng)了，實際上已經(jīng)作為一個傳統(tǒng)的重力式排水系統(tǒng)在工作了。但是，重力式排放系統(tǒng)為了達到比較好的排放效果，在安裝管道時要求懸吊管的最小坡度為2%。而虹吸式系統(tǒng)的懸吊管安裝坡度為零，沒有重力勢能的作用，整個系統(tǒng)無法有效進行排水。因此，只有當雨水口的入口處半敞開時，才能有效阻止空氣隨時進入系統(tǒng)，當斗前水深滿足一定要求時，能夠形成水封，完全隔斷空氣，迅速形成虹吸作用。除了必須保證入口處有效阻止空氣進入，還必須保證系統(tǒng)管道中沒有空氣進入。所以，另一個要求就是系統(tǒng)的完全密封性，要保證管道無滲漏。因為在虹吸作用時，管道內(nèi)的水流是壓力流的狀態(tài)，一方面管壁承受壓力，承插口處同樣受壓，容易發(fā)生滲漏；另一方面，一旦發(fā)生滲漏，則管內(nèi)壓力狀態(tài)改變，影響正常的虹吸作用。6.結(jié)束語屋面排水技術(shù)的發(fā)展史經(jīng)歷了重力流技術(shù)、重力一壓力流技術(shù)、虹吸一壓力流技術(shù)