1、1论虹吸式屋面雨水排水系统工作原理及设计要点摘要:本文主要对虹吸式屋面雨水排水系统设计及应用方面进行了探讨，可供同行工程人员参考。 关键词:虹吸式；排水系统；设计；应用 Abstract: This paper mainly discusses the design and application of siphonic roof rainwater drainage system, for the reference to engineering staff. Keywords: siphon drainage system; design; application; TU823.6 1 虹
2、吸式屋面雨水排水系统的工作原理 虹吸式屋面雨水排水系统利用虹吸原理，在降雨过程中，当屋面积水达到一定高度时，雨水通过能有效防止漩涡的虹吸式雨水斗进入管道，该雨水斗能减少雨水进入排水系统时所夹带的空气量，使得系统中排水管道呈满流状态，利用建筑物的高度和落水具有的势能，在管道中形成局部真空(负压)，从而快速排出屋面雨水。 1.1 工作原理 压力流虹吸式屋面雨水排水系统的计算基础是不可压缩流体的能量守恒定律伯努利方程。虹吸式雨水排水系统水力分析(系统排出管为自由出流)如图 1 所示，系统最高处 BB 断面为屋面雨水斗进水口，XX 断面为计算断面，可定在系统任意高度处，系统最低处 AA 断面为2排出管
3、出水口。 图 1 虹吸式屋面雨水排水系统 根据图 1 列出 BB 和 XX 断面的伯努利方程，具体如下: 式(1)中 hj(BX)、hy(BX)分别为雨水斗 BB 断面到 XX 计算断面的总的局部损失和的沿程损失，PB=0，VB=0，PX 为管道 XX 断面处的压力水头，令 h=HhX，代入式(1)得: 式(2)是计算管道中任一断面处压力水头的基本公式，它表示管道中任一点的压力水头等于雨水斗与该点的高度差减去该点的速度水头及相应的总的局部损失和沿程损失。如果式(2)计算结果 PX0，则管道内为正压;若 PX0，则管道内为负压。 1.2 虹吸式系统的压力分析 以虹吸式雨水排水系统的主管道为分析对
4、象，以雨水斗为起点，雨水检查井为终点，管道沿程长度为横坐标，管道内流体的压力水头为纵坐标，绘制压力水头变化，结果见图 2。 3图 2 虹吸式屋面雨水排水系统压力水头分析 当系统在设计工况运行时，在雨水斗的连接管上一般虹吸式雨水斗的 hj(BX)较大，加上雨水斗的出水管较细，则 V2X/2 较大，而可利用的水头 h 不大，通过式(2)计算可知，雨水斗前通常有较小的压力水头，在雨水斗连接管上通常呈较小的负压。 雨水悬吊管(34 段) 随着计算断面 XX 沿水平悬吊管由雨水斗一侧向雨水立管一侧偏移，由于虹吸式系统的雨水悬吊管一般为水平安装，因此 h 维持不变，管道内的 hy(BX)增加，V2X/2
5、变化不大，则按式(2)计算可得，管内负压将不断增大，并在其与立管的交叉处负压达到最大。 雨水立管(45 段) 从立管与悬吊管的交叉点向下，h 迅速增加，大大超过因管道长度增加而增大的 hy(BX)，而 V2X/2 和 hj(BX)保持不变，通过式(2)计算可知，立管内的负压值将减小至零，继而出现逐渐增加的正压值，在立管底部正压值达到最大值。 雨水排出管(56 段) 压力水头在该管段内逐渐被消耗，至排水井处与大气相通，管道的压力水头降为零，雨水斗的进水水面至排出口的总高度差，即有效作用水头全部用尽。为了保证系统的可靠运行以及便于后续对设计的修改，一般保留系统有一定的余量(节点 6 处)，而非将压
6、力水头耗尽。 2 虹吸式雨水排水系统的设计与应用 目前，虹吸式屋面雨水排水系统设计主要参考的技术规程和规范包4括:建筑给水排水设计规范(GB 500152003，2009 年版，以下简称设计规范)、 虹吸式屋面雨水排水系统技术规程(CECS183:2005，以下简称技术规程)和建筑与小区雨水利用工程技术规范(GB 504002006，以下简称技术规范)，在具体的系统设计和计算中还存在一定的争议，为此就以下设计与计算问题进行分析和讨论。 2.1 关于总有效水头的确定 通过原理分析可知，在虹吸式排水系统设计时，管道内压力水头的计算是通过总的有效水头扣减总的局部损失、总的沿程损失和速度水头得到。目前
7、关于总有效水头的计算还存在争议，总有效水头的计算最高点是指雨水斗高度，但技术规程中最低点计算断面为过渡段的高度1 ，而技术规范中为排出口室外地面的高度2 ，两者在虹吸式系统的总有效水头的计算上存在一定差异。从法律效力来分析，两者都是系统设计时需要遵守的技术文件。从设计的保守性分析，按技术规程中的计算方法进行设计更为保守。以下从合理性角度对上述两者进行比较和分析:由于虹吸式雨水排水系统的设计重现期(一般大于 10 年，有的甚至达到 50 年以上)一般都大于室外雨水排水系统的设计重现期(一般小于 5 年)，当虹吸式排水系统达到其设计工况时，室外雨水系统包括雨水管、雨水检查井都已超负荷运行，此时室外
8、的雨水井一般都是满水的，通过式(2)分析可知，此时的压力水头 PX 的计算应该由总的有效水头(雨水斗到室外地面的高差)扣减总的沿程损失、总的局部损失和速度水头(淹没出流的损失)。可见，在一般情况下， 技术规范中的计算结果更接近于实际情况。如果屋面雨水排水系统的设计重现期小于或等于5室外雨水系统(如部分核电厂厂房的屋面雨水系统设计)，则技术规程的计算方法更为合理。因此，虹吸式排水系统的设计需要依据具体的设计工况来确定有效水头的计算方法。 全国民用建筑工程技术措施/给水排水(2009 年版)3要求总有效水头同时满足技术规范和技术规程中的相关条款，以保证系统设计的安全性。为了更好地指导设计，建议将来
9、修订相关规范时，对以上两种总有效水头计算方法的具体适用条件进行相关的规定和说明，便于设计人员选用。 另外，关于多斗式虹吸式雨水系统设计的校核计算， 设计规范要求满管压力流排水管系各节点的上游不同支路的计算水头损失之差，在管径DN75 时，不应大于 10 kPa;在管径DN100 时，不应大于 5 kPa。而在技术规范中则没有就管径大小进行区分，而是统一要求系统中节点处各汇合支管间的水压差值不应大于 001 MPa，这也是目前采用比较多的校核方法。两者在校核标准上存在一定差异，不利于设计人员的校核计算。建议进一步进行分析研究，将来修改相应规范时进行统一，以便于设计人员进行设计和校核。 2.2 关
10、于虹吸式排水系统设计重现期的确定 在计算屋面雨水的排水量时，降雨强度是一项重要参数，设计降雨强度应根据当地的雨量公式计算确定。按室外排水设计规范(GB 500142006)4的规定，设计暴雨强度计算公式为: 式中 q设计暴雨强度，L/(shm2) 6t降雨历时，min P设计重现期，a A1、C、b、n参数，根据统计方法进行计算确定 由于 A1、C、b、n 由当地气象资料统计确定，因此，降雨历时 t 和设计重现期 P 两个参数的确定对于雨水设计的影响最大。关于降雨历时t， 设计规范中规定应按 5 min 计算5 。在最新修订的设计规范以及技术规范 、 技术规程中对屋面汇水区域的设计重现期的规定
11、基本相同，具体见表 1。 表 1 各种屋面汇水区域的设计重现期 由表 1 可知，相关规范没有就重力流和虹吸式系统两种不同的屋面雨水排水方式分别规定设计重现期，而两者的设计却有很大的差异。在重力流系统中，以雨水斗为研究对象，国内曾做过相关的研究，在一定工况下 DN100 的 87 型雨水斗其泄水流量达 30 L/s，而规范规定的设计泄水量仅为 12 L/s，远远小于实际泄水流量。以雨水排水系统的悬吊管为研究对象， 设计规范规定重力流屋面雨水排水管系的悬吊管应按非满流设计，其充满度不宜大于 08。由于不是按可能发生的满管流设计，因此其设计流量也小于实际排水流量。以雨水立管为分析对象，按照条文说明，
12、在最新修订的设计规范中提到的重力流雨水立管的最大泄流量是充水率为 035 的水膜重力流理论计算值，而实际上雨水立管可能出现的充水率可达 80%以上。最新修订的设计规范的条文说明中提7到将最大泄流量改为原值的 08 倍，从而使系统的保守性进一步得到了提高。因此，重力流雨水系统能够排除一定的超设计重现期的雨水，其设计是有富余的，设计重现期可以取较小值。 虹吸式雨水排水系统的设计则与重力流系统完全不同，虹吸式排水系统是按极限排水流量设计的，即暴雨强度大于设计重现期时，虹吸式雨水排水系统将失去平衡。因此，在设计虹吸式雨水排水系统时，其设计重现期应取较大值。表 1 中给出了 10 年重现期的下限值，在实
13、际工程设计中，有的则采用将计算所得的雨水流量乘以 15 倍作为设计雨水流量，而部分工程的虹吸式雨水系统的设计重现期达到了 50 年甚至更高，在核电厂中部分厂房的虹吸式屋面雨水排水系统的重现期达到了 100 年。由于虹吸式排水系统在国内的应用和研究还不是很成熟，设计重现期具体的参数取值还有待进一步研究确定。建议在以后修订规范时，有必要将重力流和虹吸式屋面雨水排水系统的设计重现期分别予以规定和说明，适当增大虹吸式排水系统的设计重现期，对其取值加以明确，或者规定将计算所得雨水量乘以一定的安全系数作为系统的设计输入值，或者提高降雨历时取值的标准。 2.3 审慎采用虹吸式排水系统 虽然虹吸式雨水排水系统
14、与传统的重力流排水系统相比有其独特性，但虹吸式排水系统有其自身的局限性和适用条件，因此并非所有类型的建筑屋面雨水排水都适合采用虹吸式系统。由虹吸式排水系统工作原理分析可知，当系统设置的高度较小时，可利用的势能很小，将不能满足系统的要求，所以屋面高度较低的建筑不推荐采用虹吸式系统。对于建8筑高度很大且建筑屋面非大跨度、大面积的建筑(如高层商用写字楼、酒店建筑等)，由于在立管最顶端的管道内为负压，高度 h 值很大，而式(2)中其余三项之和的增加量很少，则立管底部的 PX 值很大，对管道的连接质量有较高的要求，需要对该段管道进行加固设计，势必导致整个虹吸式排水系统的造价大大提高。因此对于该类建筑物，
15、从系统设计的经济性和安全性考虑，选择虹吸式雨水排水系统时应审慎考虑。 3 结论 在设计屋面雨水排水系统时，应根据建筑设计布局，并结合各种屋面排水系统的特点，选择适当的雨水排水系统及管材，以确保屋面雨水排水系统的排放能力满足设计规范的要求。建议修改与虹吸式雨水系统相关的规程、规范中关于有效水头的计算方法的部分条款，对两种方法的具体适用条件做相关的规定和说明，以及对多斗式的虹吸雨水系统设计的校核计算的水压差值的标准进行统一。从设计的安全性和经济性考虑，也为了便于设计人员在设计中就设计重现期的参数进行选用，建议将来修订规范时，对重力流和虹吸式排水系统的设计重现期分别进行讨论，适当提高虹吸系统的设计重
16、现期和安全系数。与重力流系统相比，在大面积、大跨度工业厂房与公共建筑物中，选用压力流虹吸式雨水排水系统具有明显的优势，但对于屋面面积较小的建筑以及高层建筑，建议仍然采用重力流雨水排水系统。 参考文献: 1CECS 183:2005，虹吸式屋面雨水排水系统技术规程S 北京:中国计划出版社，2005 92GB 504002006，建筑与小区雨水利用工程技术规范S 北京:中国建筑工业出版社，2006 3中国建筑标准设计研究院全国民用建筑工程技术措施(2009年版)M 北京:中国计划出版社，2009 4GB 500142006，室外排水设计规范S 北京:中国计划出版社，2006 5GB 500152003，建筑给水排水设计规范(2009 年版)S 北京:中国计划出版社，2009
