（市政工程专业论文）建筑屋面雨水排水系统研究.pdf

中文摘要 摘要 随着近年来我国经济和社会的快速发展，建筑屋面的造型千姿百态丰富多彩， 各种大面积的场馆、现代工业厂房在全国各地大量兴建，这些建筑往往气势宏伟、 美观实用，但随之也带来了大或超大屋面雨水排水系统设计的问题。此前，我国 的屋面排水系统按重力流设计，但是，重力流雨水排水系统受其水力特性的限制， 已经不能适应这些工程的需要。近些年在欧洲发展起来了新兴的压力流( 虹吸式) 屋面雨水排水系统。本文通过对重力流雨水排水系统和压力流( 虹吸式) 屋面雨 水排水系统在技术和经济方面的比较，论证了压力流( 虹吸式) 屋面雨水排水系 统对于超大型、大型和中小型建筑屋面的优越性。 压力流( 虹吸式) 屋面雨水排水系统作为一种新型的雨水排放系统，在该系 统的水力工况、降雨的设计重现期及适用的计算公式等问题上仍然争议较大，本 文就其中一些热点问题进行了探讨。压力流( 虹吸式) 雨水排水系统的关键之一 是精确地进行水力计算，水力计算的目的是充分利用系统提供的可利用水头，减 小管径，降低造价，并保证系统安全、可靠、正常地工作。本文论述了压力流( 虹 吸式) 屋面雨水排水系统的工作原理和水力计算方法，并用c + + 语言编制了计算 机程序，使压力流( 虹吸式) 屋面雨水排水系统的设计计算实现了自动化，大大 减少了计算工作量，提高了计算精度，并使该系统能够更可靠地运行。 对于压力流( 虹吸式) 雨水系统，经济合理地设计雨水管道，使之具有合理 的和最佳的排水能力，最大限度地及时排除雨水，又不使建设规模超过实际需求， 合理而经济地进行设计具有重要的意义和价值。在对雨水管道进行优化计算时， 最终的优化计算结果是通过寻求费用最低而得出来的，即最终决策与费用函数密 切相关。本文通过最小二乘法原理将单位长度管段的造价c ，i 拟合为函数形式，从 而求出了对雨水管道进行优化的目标函数。但是，在优化设计中，必须根据实际 设计要求，对设计变量的取值加以种种的限制，一般表达为设计变量的不等式约 束函数或等式约束函数。为了适应目标函数和约束条件的非线性特征，本文建立 了非线性规划模型。然后，用罚函数法构造出带参数的辅助函数，将约束问题转 化为求解无约束的最优化问题，从而得到最优的管径组合。 关键词：屋面雨水排水系统，压力流( 虹吸式) 雨水系统，适用性，水力计算， 计算机程序，系统优化 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n ds o c i e t yi nr e c e n ty e a r s ， b u i l d i n g sr o o f sd i f f e ri nt h o u s a n d so fw a y sa n db e c o m er i c ha n dc o l o r f u l ，t h e r ea r e v a r i o u sb i ga r e ar o o fe x h i b i t i o nh a l la n dm o d e r ni n d u s t r i a lw o r k s h o pb e i n gc o n s t r u c t e d i ne a c hp l a c e ，t h e s ec o u s t r u c t i o n sa t eg r a n d i o s ea n da r t i s t i cp r a c t i c a lg e n e r a l l y , b u th a s a l s ob r o u g h tt h ep r o b l e m si nd e s i g no fb i ga r e ar o o fr a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e ma l o n g 1 i t h i t d e s i g no fr o o fr a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e mi no u rc o u n t r ya c c o r d i n gt o g r a v i t a t i o n a lf l u i df o r m e r l y , b u tg r a v i t a t i o n a lr a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e mi sl i m i t e db y i t s h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c ，a l r e a d yc o u l dn o tm e e tt h ed e m a n d so ft h e s ep r o j e c t s n e w l y e m e r g i n gs i p h o n i cr o o fr a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e di ne u r o p e t h i s p a p e rd e m o n s t r a t e sa d v a n t a g e so fs i p h o n i cr o o fr a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e mf o rd i u m - a n dl a r g e - s c a l er o o f sb yc o m p a r i s o no hg r a v i t a t i o n a lr a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e ma n d s i p h o n i cr a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e mi nt e c h n i c a la n de c o n o m i c a la s p e c t s a sa n e w - - s t y l er a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e m , s i p h o n i cr o o f r a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e m h a ss o m ed i s p u t a b l ei s s u e ss u c ha sh y d r a u l i co p e r a t i n gm o d e , r e a 町瑚c cp e r i o do f d e s i g na n ds u i t a b l ec a l c u l a t i o nf o r m u l a e , s ot h i sp a p e rw i l ld i s c u s st h e s ei s s u e s o n eo f t h ek e y so fs i p h o n i cr a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e mi sh y d r a u l i c sc a l c u l a t i o n sa c c u r a c y , t h e g o a lo fh y d r a u l i c sc a l c u l a t i o ni st a k i n gf u l la d v a n t a g eo fh y d r a u l i ch e a dt h a ts y s t e m o f f e r s ，m i n i s h i n gp i p e sd i a m e t e r , r e d u c i n gc o s t sa n de n s u r i n gs y s t e mw o r k i n gs a f e l y , r e l i a b l ya n dn o r m a l l y t h i sp a p e re x p o s i t st h ew o r kp r i n c i p l ea n dh y d r a u l i c sc a l c u l a t i o n m e t h o do fs i p h o n i cr o o fr a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e m , a n du s 鹤t h ec + + l a n g u a g et o e s t a b l i s ht h ec a l c u l a t o rp r o c e d u r e , w h i c hm a k e sh y d r a u l i c sc a l c u l a t i o no fs i p h o n i c r a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e mr e a l i z ea u t o m a t i o n , a l l a y st h ew o r k l o a dg r e a t l y , i m p r o v e s h y d r a u l i c sc a l c u l a t i o n sa c c u r a c ya n dm a ：k e st h es y s t e mw o r km o r es t a b l e l y s i p h o n i cr a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e mi san e w s t y l er a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e m ，i ti s v e r ys i g n i f i c a n tt od e s i g nr a i n w a t e rp i p e se c o n o m i c a l l ya n dr a t i o n a l l y , w h i c hm a k e st h e s y s t e mh a v eo p t i m a lc a p a b i l i t yo fd r a i n a g e ，d r a i nf u r t h e s ti nt i m eb u tn o to _ 2 t u s e t h e c o n s t r u c t i o ns c a l et os u i p a s st h ea c t u a ld e m a n d 1 t v h e nc a l r i e so no p t l m a lc a l c u l a t i o no f t h e r a i n w a t e rp i p e l i n e ，t h ef i n a lo p t i m i z a t i o nc o m p u t e dr e s u l ti sr e s o l v e dt h r o u g h s e e k i n g t h ec o s t st ob el o w e s t ，n a m e l yf i n a ld e c i s i o n - m a k i n ga n de x p e n s ef u n c t i o na r e c l o s e l yr e l a t e d t h i sp a p e rs t u d i e st h ec u r v e f i t t i n go ft h eu n i tl e n g t ho fp i p ec o s tc 舀b a n de x t r a c t so b j e c t i v ef u n c t i o na c c o r d i n g l yt h a to p t i m i z e st h er a i n w a t e rp i p e l i n e b u t , i n 1 1 1 重庆大学硕士学位论文 o p t i m a ld e s i g n ，w em u s ta c c o r d i n gt ot h ea c t u a ld e m a n da n dg i v es o m er e s t r i c t i o n so n d e s i g np a r a m e t e r , w h i c hi se x p r e s s e da si n e q u a l i t yc o n s t r a i n tf u n c t i o no re q u a l i t y c o n s t r a i n tf u n c t i o no fd e s i g nv a r i a b l e i no r d e rt oa d a p tn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co f o b j e c t i v ef u n c t i o na n dt h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n ，t h i sp a p e r h a se s t a b l i s h e dt h en o n l i n e a r p r o g r a m m i n gm o d e l t h e n ，t h i sp a p e r e s t a b l i s ha c c e s s o r i a lf u n c t i o nb yp e n a l t yf u n c t i o n m e t h o dt ot u r nc o n s t r a i n tp r o b l e mi n t on o n r e s t r a i n tp r o b l e m ，o b t a i no p t i m a lp i p e s d i a m e t e rc o m b i n a t i o na c c o r d i n g l y k e y w o r d ：r o o f r a i n w a t e rd r a i n a g es y s t e m ，s i p h o n i cd r a i n a g es y s t e m ，a p p l i c a b i l i t y , h y d r a u l i c sc a l c u l a t i o n ，c a l c u l a t o rp r o c e d u r e ，s y s t e mo p t i m i z a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆盍堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 呵 签字日期：妒7 年每月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆塞堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( t ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名： 王巧 导师签名： 祆嘞 签字日期：7 年f 月荔日签字日期：秒7 年矿月衫日 1 建筑屋面雨水排水系统概述 1 建筑屋面雨水排水系统概述 1 1 引言 我国地域广闼，气候差异大，年降雨量分布很不均匀，大体上从东南沿海的 年平均1 6 0 0 r a m 向西北内陆递减至2 0 0 m m 以下。长江以南地区，雨量充沛，年降 雨量均在1 0 0 0 m m 以上。全年雨水绝大部分多集中在夏季降落，且常为大雨或暴 雨，从而在极短时间内形成大量的积水，因此，建筑屋面需要设置雨水排水系统， 有组织、有系统的将屋面雨水及时排除，否则会造成四处溢流或屋面漏水形成水 患，影响人们的生活和生产活动。 在确定雨水排放方案时，首先要以安全目标为根本依据，起码要做到一般暴 雨不积水，特大暴雨、历史上罕见的大暴雨，即使积水。也要在最短时间内退水。 在实际设计时，应根据建筑物的类型、建筑结构形式、屋面面积大小、当地气候 条件及生产生活的要求，经过技术经济比较来选择排除方式。但是，随着现代建 筑日新月异的发展，建筑屋面的造型千姿百态丰富多彩，随之也带来了屋面雨水 排水系统设计的问题。 1 2 建筑屋面雨水排水系统的划分 1 2 1 按设计流态划分 给水排水工程中，水从高位处( 暴露于大气中) 用管道输送到低位处的大气 中，且其间没有能量输入，这样的水体流动通常习惯性地称做重力流动，比如重 力流供水、重力流排水等。随着管道进口顶部水面深度的变化，输水管道中会出 现几种流态：无压流态( 水在流动过程中，全过程暴露于大气中，即：明渠流状 态) 、过渡流态、有压流态( 水在流动过程中，不暴露于大气中，即：压力流状态) 。 过渡流态在某些情况下可表现为半有压流态。 重力排水系统 1 ) 重力流( 半有压流8 7 型斗) 雨水系统 即国内工程实践中通常采用的传统排水系统，使用6 5 型、8 7 型雨水斗，流态 是半有压流。由普通雨水斗、悬吊管、立管、埋地管及出户管等组成。其工作原 理是利用屋面雨水本身的重力作用，由屋面雨水斗经排水管道自流排放雨水。该 系统工作时，屋面雨水由雨水斗进入排水系统的过程中，过水断面收缩形成漩涡， 水流夹带着空气进入排水系统，使整个系统呈气液两相流，空气占据了大约l ，3 的 管道空间。随着流量增加，斗内出现负压。系统排除设计重现期的雨量时，即在 非满流负压下运行；当超过设计重现期时，斗的泄水量增加，管道系统可过渡到 重庆大学硕士学位论文 满流排水，可排除超过设计重现期的雨量。其管道的水流特点是附壁膜流、气水 混合流以及水一相流的交替出现。 2 ) 重力流( 无压流) 雨水系统 指使用自由堰流式雨水斗的系统，设计流态是无压流态，系统的流量负荷、 管材、管道布置等忽略水流压力的作用。超过设计重现期的雨量须通过溢流排除， 否则超量水进入会产生压力，损坏系统。其管道的水流特点是附壁膜流范围内。 这是新推出的一种雨水系统，国内暂时还没有使用。 本文中的重力流雨水系统均指6 5 、8 7 斗重力流系统【”。 压力流( 虹吸式) 雨水系统 近些年在欧洲发展起来的新型雨水系统，由防漩涡雨水斗、雨水悬吊管、雨 水立管和雨水出户管组成。该系统排水管均按满流有压状态设计。其工作原理是： 降雨初期，屋面雨水高度未超过雨水斗高度时，整个排水系统工作状态与重力排 水系统相同。随着降雨持续，雨量增加，当屋面雨水高度超过雨水斗高度时，由 于采用防漩涡雨水斗，通过控制进入雨水斗的雨水流量和调整流态，可减少漩涡， 从而极大地减少了雨水进入排水系统时所夹带的空气量，使系统中排水管道呈满 流状态。利用建筑物屋面的高度和雨水所具有的势能，在雨水连续流经雨水悬吊 管转入雨水立管跌落时形成虹吸作用，并在该处管道内呈最大负压。屋面雨水在 管道内负压的抽吸作用下以较高的流速被排至室外。当超过设计重现期时，再提 高系统的流量须升高屋面水位，但升高的屋面水位与原有总水头( 建筑高度) 相 比仍然很小，系统的流量增加亦很小，因此，超重现期雨水须由溢流设施排除。 其管道的水流特点是附壁膜流、气水混合流以及水一相流的交替出现。 1 2 2 按其他标准划分 按管道的设置位置划分 可分为内排水系统和外排水系统。 内排水系统是指屋面设雨水斗，系统的雨水管道( 立管、横管等) 设置在建 筑物内的雨水排水系统。 外排水系统又分为檐沟外排水和天沟外排水：檐沟外排水系统由檐沟和水落 管组成，降落到屋面的雨水沿屋面集流到檐沟，然后流入到隔一定距离沿建筑物 外墙设置的水落管排至地面或雨水口；天沟外排水系统由天沟、雨水斗和排水立 管组成，降落到屋面上的雨水沿坡向天沟的屋面汇集到天沟，顺天沟流至建筑物 两端( 山墙、女儿墙) ，入雨水斗，经立管排至地面或雨水井【2 1 。 按出户横管( 渠) 在室内部分是否存在自由水面划分 可分为敞开系统和密闭系统。 敞开系统是重力排水，雨水经排出管进入室内普通检查井。若设计和施工不 2 1 建筑屋面雨水排水系统概述 善，当暴雨发生时，会出现检查井冒水现象，雨水漫流室内地面，造成危害。但 是该系统可接纳生产废水，省去生产废水埋地管。敞开式内排水系统也有在室内 仅设悬吊管，埋地管和检查井在室外的做法，这种做法虽可避免室内冒水现象， 但管材耗量大且悬吊管外壁容易结露。 密闭系统即室内设密闭埋地管，保证封闭、严密、不漏水，埋地管在室内检 查井内用密闭的三通连接，当雨水排泄不畅时，室内不会发生冒水现象，管道系 压力排水，排水能力较大。其缺点是不能接纳生产废水，需另设生产废水排水系 统，因此造价较高，施工较繁且维护不便。但目前该系统的使用呈逐步上升趋势， 相信随着经济的发展，使用要求的不断提高，密闭系统会越来越普及【3 1 。 按雨水斗数量划分 分为单斗系统、双斗系统和多斗系统。 1 2 3 新型雨水排放系统简介 随着社会发展，城市原有可用土地紧张，大量的农田、池塘、河流等湿地被 占用。由于大量地表硬化，导致径流量增加，洪峰流量加大，洪峰时间提前，地 下水补给量减少，城市的脆弱性凸显出来。解决暴雨引起洪水最有效办法是扩大 雨水管径和城市河道断面、减少粗糙率或开挖分洪渠道来改善现有渠道的过永能 力，使雨水得到合理的控制而不造成洪涝灾害，这无疑得到了较高的排水率【】。 但是，目前有些城市雨季水涝现象严重，虽然采取了多项治理措施，先后投入大 量资金治理河道、修建和改建排水设旌，但城市的水涝灾害也没多大改善，在部 分低洼地区经改造后得到改善的同时又有许多新的积水点出现。究其原因，从生 态学系统整体性原理看，城市水环境系统是由自然循环系统和人工循环利用系统 所组成。在自然循环系统中水体通过蒸发，将水和地面径流和大气联系起来；另 外，城市运行中，除了有部分水量消耗外，主要发生的是水质变化，水体与地下 水通过土壤渗透和地下水补给运动联系起来。城市人工循环利用系统由城市给水 系统、排水和水处理系统组成。由于城市水环境系统是整个流域的一部分，参与 整体的水文循环过程，因此，城市水环境系统是个复杂的、开放的生态系统。针 对这些情况，很多国家都从完善城市水文生态系统的新理论入手，积极探讨新的 城市暴雨管理系统，并取得成熟的经验【6 1 。 目前许多发达国家从雨水的地下渗透与滞留、贮存、净化处理与中水利用入 手，积极探索新型的排水系统。雨水排放系统已由传统的雨水单独排放转变为以 渗为主，贮蓄排相结合的排放系统；以储为主，渗排相结合的排水系统以及其他 形式的排水方式。 在城市开发建设中，对适宜雨水下渗的地区应采用多种雨水渗透设施，让尽 可能多的雨水回灌地下，补充涵养地下水源、缓解地面沉降、减少水涝灾害。雨 f 3 重庆大学硕士学位论文 水渗透技术是由许多渗透设施如渗水罐、渗水沟、渗水路面渗水u 型沟和渗水井 相连组成的一个系统。该系统除具有一般排水系统的排水功能外，还具有渗水功 能。降落在屋顶和路面的雨水，先汇集到附近的渗水罐，当达到规定的水位时就 渗入下一个渗水罐；超过规定水位时，通过多孔的雨水管道流进渗水沟。最后超 过各种渗透设施入渗能力的雨水通过排水沟排掉。这样大大减少了雨水滞留时间， 减少雨水径流量，达到削减河道洪峰流量的目的。另外，屋面和道路雨水还可以 分散地流入渗渠中，经过渗渠渗透、滞留后，多余的雨水进入人工洼地，雨水经 洼地的植被和人工土壤的沉淀、吸附、生物降解等多重作用，净化后的雨水作为 小区杂用水。暴雨期间多余雨水可通过溢流管排如市政管网( ”。 1 3 国内屋面雨水系统的研究现状和发展趋势 1 3 1 国内雨水排水系统的发展 对屋面雨水排水技术的认识，决定了屋面雨水排水工程的设计方法。我国对屋 面雨水排水技术的认识，经历了一个从重力流起步，转变为压力流，再进展为更 为实质性的重力流，直至现阶段的压力流( 虹吸式) 。这是一个完全符合否定之否 定规律的一个循回。这一循回经历了半个世纪的时间，与建筑给水排水范畴别的 技术问题相比，这也是少有的。对屋面雨水排水技术的认知，分为以下四个阶段嗍： 认知的第一阶段 1 9 5 3 年至1 9 5 7 年第一个五年计划期间兴建了很多大面积厂房，采用苏联规范 的重力流理论来设计屋面雨水排水工程，典型的例子是计算方法采用4 3 8 公式， 小时降雨量采用苏联规范的5 0 、6 0 和7 5 m m 三项参数。造成的后果是这些厂房在 五十年代末、六十年代初相继出现车间内雨水检查井冒水，造成地面被淹，停工 停产的严重事故。专业人士有鉴于此，确定：1 ) 应按我国的降雨量计算雨水量； 2 ) 着手进行雨水试验，探索屋面雨水排水的正确方法。 认知的第二阶段 当年有关单位有关人员在雨水试验的基础上提出屋面雨水排水系统压力流计 算公式。公式以斗前水面标高和雨水管系出口端标高差的位能为动力，按孔口出 流公式为基础演绎出压力流计算公式。当时的压力流系统雨水斗采用以少掺气或 不掺气为指导思想而设计的6 5 型雨水斗；强调提高斗前水深，以减少掺气量；有 意识缩小雨水立管管径，以平衡立管和埋地排出管的通水能力：按密闭系统布置 管道；强调单斗系统。压力流计算方法符合雨水排水水力工况，但由于当年未重 视事故溢流1 ：3 的设置，也由于立管管径缩小后导致瓶颈现象，造成天沟雨水排水 受阻，从天窗满溢进入车间的事敌。 认知的第三阶段 4 1 建筑屋面雨水排水系统概述 七十年代由室内给水排水和热水供应设计规范国家标准管理组申报立项， 由建设部全额拨款的新一轮的雨水试验项目正式启动。试验由清华大学、机械工 业部第一设计院和第八设计院等单位参加。试验历时八年，取得大量数据，得出 雨水流态为重力压力流的结论，即小流量时为重力流，大流量时为压力流； 雨水立管的下部为正压区，上部为负压区；压力零点随流量的变化而变动，流量 增大时压力零点向上移动：悬吊管的末端近立管处为负压，始端为正压；负压造 成抽吸和进气，因此立管顶端不设置雨水斗，但其他部位采用不同型式的雨水斗 时，掺气现象仍难以避免；管系内水流为气水双相流或称掺气流，而其中的气系 处于压缩状态；由于雨水斗在悬吊管位置的不同，近立管的雨水斗泄流量大，远 立管的雨水斗泄流量小，因此提倡对称布置的多斗系统。 雨水试验组根据重现率很高的大量数据，推导出多元因子的雨水排水计算公 式。由于公式计算繁复，需要试算，在当时的计算工具条件下，未被采用。在该 试验基础上而制订的规范条文采用以下技术措施：1 ) 对管系留有足够余地，以防 检查井冒水和天窗溢水事故重现；2 ) 对于超重现期的雨量采用事故溢流口来解决； 3 ) 强调外排水系统，强调密闭系统，强调单斗系统或对称布置的双斗系统，以尽 可能地发挥系统的优势；4 ) 禁止立管顶端设雨水斗，限制多斗系统，禁用高低跨 雨水系统，以尽可能消除隐患。 这些技术措施一直延续到2 0 0 3 年9 月1 日建筑给水排水设计规范 g b 5 0 0 1 5 - 2 0 0 3 施行为止。这个认识阶段就其实质是重力流，但不同于第一阶段的 重力流，属于有足够安全度、不致出现事故的重力流。 认知的第四阶段 1 9 6 8 年，虹吸式屋面雨水系统的概念首次在欧洲提出，1 9 7 2 年在瑞典建成首 个商业化的虹吸式屋面雨水排水系统，经过国际上水力学和工程学方面专家的努 力，近2 0 年来虹吸排水技术发展迅速。虹吸式屋面雨水系统的设计流态为压力流， 但与认识第二阶段的压力流一个主要不同点在于不把负压抽吸看成负面因素，而 是将它作为积极因素予以充分说明，与认识第二阶段的压力流区别在于：1 ) 可用 于多斗系统；2 ) 系统计算不单纯计算总水头和总水头损失的平衡，而需分段计算 流量和压力的平衡，这就是所谓的精确计算；3 ) 配置相应的雨水斗；4 ) 重视溢 流口的设置。自2 0 世纪八、九十年代开始，虹吸式屋面雨水排水系统在国内逐渐 采用，如东莞国际会展中心、上海科技馆、浦东国际机场、北京世贸商城等一大 批项目相继建成，且投入使用多年后，系统运行良好。 1 3 2 国内雨水排水系统存在的主要问题 在我国投入使用的虹吸式屋面雨水排水系统已经很多，但该系统还是一种新 型的排水方案，而重力系统在多年的应用中积累了丰富的经验。与传统的重力式 5 重庆大学硕士学位论文 雨水排水系统完全不同，虹吸式雨水系统由于规模比较大，各个部件紧密相连。 该系统需要保证水力上的平衡才能使其正常工作，而且其施工安装也必须精确地 按照系统的水力计算与应用规定才能实施。目前国内缺少相关的设计规范和资料， 各种规范中关于该系统的主要内容多是一些原则上的规定，有诸多技术条件及注 意事项尚在进一步摸索中： 设计降雨强度的计算 降雨强度是设计屋面雨水系统的重要参数，但我国城市暴雨强度公式编制方 法不一，有用数理统计法的、有用解析法的、还有湿度饱和差法、图解法和c r a 法等，有的方法并不完全符合设计规范要求，有待统一。而且，大部分暴雨强度 公式是根据1 9 8 3 年前实测资料推导而得出的，还有不少沿用1 9 7 3 年版给水排 水设计手册公式，乃至1 9 6 4 年版给水排水设计手册，那就更为滞后，更为 陈旧了。有的公式资料年代过短，只依据8 年、6 年乃至5 年的资料统计而成，缺 乏1 9 7 5 年河南省暴雨和近年来的厄尔尼诺现象的反常雨量资料。公式严重滞后的 现象有待有关方面重视，这种情况急待改变。在工程设计有条件时应收集当地降 雨量资料重订公式，使雨水排水工程有一个坚实的基础和前提【6 】。 设计重现期的取值 对于设计重现期，建筑给水排水设计规范中，g b 5 0 0 1 5 2 0 0 3 版本将g b j l 5 - 8 81 9 9 7 版本中的重现期1 年改为“一般性建筑物a 不宜小于2 5 年，重要公共建筑a 不宜小于l o 年”，0 3 版规范的条文说明中对此的解释是“原规范设计重现为1 年，是 因为当时未能解决压力流排水问题，对于大型建筑屋面排水，当选用的设计重现 期大于1 年时，工程实施存在困难。目前，压力流排水技术已基本成熟，提高 了各类建筑屋面排水重现期的设计标准”。上海科技馆屋面雨水排水系统按压力流 设计，无溢流设施，设计重现期取1 0 0 a ，设计降雨强度为0 0 9 l ( s 1 1 1 2 ) ，已使用多 年；由德国设计的北京国际机场维修机库平屋虹吸排水系统设计重现期采用1 a ， 亦无溢流设施，设计降雨强度0 0 3 i , ( s m s ) ，已使用十多年。以上两个工程实例说 明，重现期的实际标准还需要深入研究。建议设计重现期应根据建筑物的重要程 度、汇水区域性质、气象特征等因素确定1 9 - - 1 1 1 。 设计流态的确定 屋面雨水排水系统按哪种流态设计需要考虑的因素较多。除屋面面积外，还 有建筑形式、屋顶结构、排水沟和雨水斗布置情况都可能成为决定性条件。在综 合考虑了各方面因素的情况下，大型建筑屋面雨水排水系统有时也可按重力流设 计，屋面构造比较复杂的中小型建筑屋面可用虹吸式雨水系统来解决重力式系统 本身所无法处理的问题。对于一些很特殊的建筑，甚至可以采用重力和虹吸系统 相结合的方式。 6 1 建筑屋面雨水排水系统概述 提高计算精度 虹吸式雨水系统的关键是精确地进行水力计算。计算的目的是平衡不同管段 的流量和压力，使管道总摩阻等于雨水斗面与临近点( 排出横管虹吸状态终止点) 的高度差。阻力降公式本身就存在着较大的误差，若只作粗略估算，则可能使计 算结果与实际阻力降相差很大，导致工程上造成不必要的浪费或排水能力达不到 要求。软件计算目前仍依赖境外生产厂商。 7 2 课题的提出 2 课题的提出 2 1 课题研究的目的和意义 建筑屋面雨水系统作为建筑给水排水工程的重要组成部分，直接影响到建筑 的可靠性和造价以及社会效益。近些年来，随着我国经济的高速发展，建筑物的 体量、外形及功能发生了巨大变化，传统的重力式雨水系统( 6 5 、8 7 型雨水斗) 的设计概念和装置已经不能很好地解决一些超大屋面及复杂结构建筑的屋面雨水 排放，尤其是一些对雨水出户管的数量、位置及标高由特别要求的建筑物，以及 一些由于建筑物室内功能所限制，采用重力式雨水系统不能处理或很难处理的建 筑，用虹吸式屋面雨水排水系统来处理，往往是容易解决的。但是，虹吸式雨水 排水系统作为引进的技术，还有很多具体问题需要解决，因此通过分析该系统存 在的一些问题，提出解决措施，进一步改善和推广该系统是十分必要的。 2 2 课题研究的内容 对重力流( 6 5 、8 7 型雨水斗) 雨水排水系统和虹吸式雨水排水系统进行适用性 分析。 提出虹吸式雨水排水系统较合理的水力计算方法，编制水力计算程序，进一步 简化计算，确保系统设计的合理性和准确性。 研究虹吸式雨水排水系统中的限定条件以及有待解决的问题，提出解决方法。 提出虹吸式雨水排水系统的优化措施。 2 3 课题研究的技术路线 搜集相关资料、调研，总结大量的设计、施工经验。 从技术性、经济性等方面对重力流雨水系统和虹吸式雨水系统进行比较。 编制虹吸式雨水系统的水力计算程序，取代繁琐的手工计算。 从经济性等方面对虹吸式雨水系统进行优化。 结合实际工程应用计算方法和优化措施。 9 3 重力流雨水系统与压力流( 虹吸式) 雨水系统的适用性分析 3 重力流雨水系统与压力流( 虹吸式) 雨水系统的适用性分析 3 1 引言 随着经济的发展，业主对建筑屋面雨水系统设计的安全性要求越来越高。而 雨水系统设计看似简单，实际需要考虑的因素很多，包括结构形式、气候条件、 经济水平等各方面，这就要求我们认真对待，仔细分析，确定合理方案。目前屋 面雨水排水系统设计可采用的有两种系统：一种为国内通常采用的重力流雨水排 水系统，另一种为近三十年来国际上迅速发展起来，国内正在逐渐推广的压力流 ( 虹吸式) 雨水排水系统。究竟哪一种系统在现代建筑的屋面雨水排放中更具优 势，下面对这两种类型雨水排水系统技术、经济等方面进行比较。 3 2 建筑物雨水系统的选择原则 选择的雨水系统应尽量迅速、及时地将屋面雨水排至室外地面或管渠。屋面雨 水是指以小于建筑物设计使用年限为重现期的降雨。 选择系统应做到既安全又经济。安全的含义首先包括：室内地面不冒水、屋面 溢水频率低、管道不漏水冒水。经济是指：在满足安全的前提下，系统的造价低、 寿命长。在保证安全性和经济性的同时要兼顾施工方便。 不轻易增加溢水频率。2 0 世纪8 0 年代以来，工业与民用建筑已很少发生屋面 溢水，民众对此亦成习惯，选择雨水系统时应充分顾及这些即成事实。 雨水从屋面溢流口溢流不符合第条的精神，属于非正常排水，应尽量减少或 者避免【1 1 。 3 3 重力流雨水系统与压力流( 虹吸式) 雨水系统的技术比较 3 3 1 管道系统中的水流概况及工作原理 重力流雨水系统 国内的重力流雨水系统一般采用6 5 型及8 7 型雨水斗，构造较为简单，一般 都直接设在天沟或屋面较低处。在降雨初期，天沟水深很浅，斗前水位较低，水 流通过斗的拦污整流栅后，顺利地流入斗中，水流在斗内形成漏斗状水舌，斗内 为大气压；水下流通过较短的连接管排入悬吊管内，在管中形成较薄流层，水流 平稳，压力仍为大气压，水流为以管坡流动的重力流；水继续下流入立管后，沿 管壁下落形成附壁流，管内仍为大气压；水再下流入排出管后进入埋地管检查井 中。 重庆大学硕士学位论文 当流量增加，天沟雨水斗前水位增高，水流在斗内水舌的空心部分逐渐缩小， 直至封闭，斗内出现负压，水流开始掺气，在悬吊管内可以看到水流中含有气泡， 水流开始波动，流速加快，水流动一段后，气泡溢出水面，成为水气分层流；水 流入立管后，附壁流层增厚，逐渐脱离管壁下落，流速增大，水流波动，随即通 过排出管流入检查井中。 水量再行增加，斗前水位继续升高水位波动加剧，水面出现旋涡，并伴有抽 气声，斗内负压增大，掺气加大；水下流入悬吊管，水中夹带大量气泡，管内负压 继续加大，流速加快，水流波动紊流，并时有水气冲击流；水流入立管后，出现 水气段相问下落的柱塞流，流速继续增加，水流波动剧烈，管内上部为负压，下 部为正压，交替处的过渡点为大气压，即所谓压力零点；水流通过排出管受阻碍， 流速降低，产生水跃后流入检查井 2 】o 当流量再增加，斗前水位上升很快，流速增大，管内负压也加大，掺气减小， 水流含有大量极小气泡，水流呈现乳白色的气泡流，立管和排出水流情况也类似。 图3 1 是由实测资料绘制的，从中可以看出：悬吊管起端呈正压，悬吊管末端 和立管上部呈负压，立管下部呈正压。压力变化曲线近似呈线性关系，其斜率随 泄流量增加而减小，零压点随泄流量增加而上移，满流时零压点在最高位置【1 2 】。 缸- = 打扣1 压力( k p a ) 图3 1 单斗重力流雨水系统压力变化曲线 f i g3 1p r e s s u r em u t a t i v e c u l v e so f s i n g l ef u n n e lg r a v i t a t i o n a lr o o f d r a i n a g es y s t e m 在试验中量测到：悬吊管除较小流量时，管中水流是重力流外，一股都是处 于半压力流状态，水流极不稳定，无法应用理论计算。有专家曾用d u k l e r 两相流 方法计算结果误差较大；又用量纲分析法，结果虽较好，但计算参数多，计算方 1 2 3 重力流雨水系统与压力流( 虹吸式) 雨水系统的适用性分析 法复杂，且水气比值也不好确定，应用不便，最后采用较为简便的重力流计算方 法，即现在设计中应用的计算法一充满度为0 8 的有压非满流方法，给水流掺气 留通路，给超过设计重现期的雨量留有余地，并设有溢流管以策安全【”】。立管顶 部连接悬吊管的终端，正处于各种不同流量下负压的最大点。立管排除悬吊管的 掺气水流，流速较高，水流波动剧烈，难用理论式计算。曾用量纲分析方法，也 是存在着影响参数多，计算复杂且水气比不好确定的问题。最后还是简化为用最 大允许排水量法来确定立管的管径，根据试验及参考有关资料，并留有一定余量。 压力流( 虹吸式) 雨水系统 国产化的压力流( 虹吸式) 屋面雨水系统开发了具有良好整流功能的下沉式 雨水斗( 如图3 2 所示) 。雨水斗上部盖有进水格栅，降雨过程中，通过格栅盖进入 雨水斗的屋面雨水落入深斗内，斗内带孔隙的整流罩使处于涡流状态的雨水平稳 地以淹没泄流进入排水管。在设计降雨强度下雨水斗不掺入空气，降雨过程中相 当于从屋面上一个有稳定水面的小水池向下泄水，经屋面内排水管系，从排出管 排出，管道中是全充满的压力流状态，屋面雨水的排水过程是一个虹吸排水过程。 所以，把具有虹吸排水能力的屋面雨水排水系统称之为压力流( 虹吸式) 屋面雨 水系统是比较贴切的【 i n 。 一 壁出篁纠l 图3 2 压力流( 虹吸式) 雨水斗结构示意图 f i g3 2s k e t c hm a po f s i p h o n i cf u n n e l ss l n l c t u m 压力流( 虹吸式) 屋面雨水排水系统内管道的压力和水的流动状态是变化的。 在降雨初期，雨水排水系统悬吊管内的雨水为非满管流，以波浪流和脉冲流为主， 系统处于重力流状态。随着雨量的增大则斗前水深逐步增大，水流逐步过渡到活 塞流和泡沫流并间隙性地产生虹吸满管流流态，悬吊管内出现较明显的负压。虹 吸的形成使系统排水能力突然增大，斗前水深又会回落，系统重新回到重力流方 式。这种变换会来回持续一段时间，直到降雨量进一步增大，斗前水深趋向稳定， 系统掺气量减少，最终形成稳定的虹吸满管流。 此时尽管雨水可以充满管道，但水中仍会有少量掺气，只要水气比 9 5 ，就 可以假设：1 ) 水流是恒定流；2 ) 液体是不可压缩的均质液体；3 ) 考虑实际液体 的粘滞性，列出雨水斗顶面2 2 和管道中任意断面x - x 的伯努利方程( 如图3 3 ) ： 重庆大学硕士学位论文 日：+ 旦+ 立：鼠+ 墨+ 壁+ k ：一， ( 3 1 ) y2 9 y 2 9 式中，仍，巩一断面2 2 和x = x 的位置水头； 最 只 厂、y 断面2 2 和x x 的压强水头； 2 2 堕殳 2 9 、2 9 断面2 - 2 和x - x 的速度水头； 幻_ 一断面2 2 到x - x 的水头损失。 公式( 3 1 ) 中，p 2 = o ，v 2 = 0 ，7 = 1 ，级= - 2 一凤，得： r ：见一竺一h 2 一， ( 3 2 ) 2 9 p 。就是管道x 断面处的压力水头【1 8 】。通过公式( 3 2 ) 就可以计算出管道中任一断面 处压力水头的基本公式，它的物理含义是管道中任一点的压力水头等于该点与雨 水斗的高度差减去该点的速度水头及该点至雨水斗管段的总水头损失。通过改变 断面x 的位置，可以清楚地判明全系统的压力。在雨水斗的接出管上，由于一般的 虹吸式雨水斗都有较大的水头损失，加上雨水斗的出水管较细，管道内流速较快， 图3 3 压力流( 虹吸式) 雨水系统水力分析图 f i g3 3h y d r a u l i c sa n a l y s i so f s i p h o n i cd r a i n a g es y s t e m 图3 4 压力流( 虹吸式) 雨水排水系统 f i g3 4s i p h o n i cd r a i n a g es y s t e mo f r o o f 速度水头较大，两项之和与可利用的水头之差的绝对值不大，雨水斗以下的连接 1 4 3 重力流雨水系统与压力流( 虹吸式) 雨水系统的适用性分析 管内呈小的负压或正压。在悬吊管上，随着x 断面从悬吊管的最远端向立管一侧偏 移，管道的水头损失迅速增加，而可利用的水头维持不变，按式( 3 2 ) 计