虹吸雨水技术分析

1、虹吸雨水排放系统原理及应用虹吸雨水排放系统原理及应用1 1 传统重力排放系统存在的问题传统重力排放系统存在的问题 屋面雨水排放系统包括以下几个环节：屋面雨水排放系统包括以下几个环节： 天沟；雨水斗；尾管；水平管；立管；埋地管。天沟；雨水斗；尾管；水平管；立管；埋地管。 天沟：希望天沟在正常排水过程中保持适当的天沟水深。天沟：希望天沟在正常排水过程中保持适当的天沟水深。 由于重力排水系统的雨水斗是按溢流堰方式进水，天沟水深和雨由于重力排水系统的雨水斗是按溢流堰方式进水，天沟水深和雨水斗进水口直径决定了雨水斗的排水量；水斗进水口直径决定了雨水斗的排水量； 过大的天沟水深会加大天沟负荷，或者在建筑结

2、构上不允许；过大的天沟水深会加大天沟负荷，或者在建筑结构上不允许；重力雨水斗进水示意图重力雨水斗进水示意图HDVV=（2gH）1/2 Q=0.45DHV旋涡旋涡,气水混流气水混流,较大的天沟水深较大的天沟水深重力雨水斗重力雨水斗 进水是气水混流，流速完全取决于天进水是气水混流，流速完全取决于天沟水深沟水深H，排水量则又和雨水斗进口直，排水量则又和雨水斗进口直径径d成正比。成正比。 天沟水深是重力排水系统的瓶颈之一。天沟水深是重力排水系统的瓶颈之一。 临界水深临界水深:形成一相流的水深。一般的形成一相流的水深。一般的天沟不能满足临界深度要求天沟不能满足临界深度要求。尾尾 管管 尾管是直接和雨水斗

3、喉部连接的管道。尾管是直接和雨水斗喉部连接的管道。 尾管直径一般和雨水斗喉管直径相等。在尾管直径一般和雨水斗喉管直径相等。在重力排水系统中，尾管只起到雨水斗和水平重力排水系统中，尾管只起到雨水斗和水平管之间的连接作用（如果有水平管）。管之间的连接作用（如果有水平管）。 但在虹吸雨水排放系统中，尾管却起着极但在虹吸雨水排放系统中，尾管却起着极其重要的作用。其重要的作用。悬吊管（水平管）悬吊管（水平管） 水平管用来把雨水斗的落水转移到远水平管用来把雨水斗的落水转移到远离雨水斗的立管处，并同时汇集多个雨离雨水斗的立管处，并同时汇集多个雨水斗的落水。水斗的落水。 动力：水面落差或者管道坡度。动力：水面

4、落差或者管道坡度。 坡度会严重妨碍其他管道的安装，而坡度会严重妨碍其他管道的安装，而且也影响美观。且也影响美观。 当水平管很长时，管内水流动力不足，当水平管很长时，管内水流动力不足，成为重力排水另一个难点成为重力排水另一个难点。 立立 管管 立管用来将一个或多个雨水斗的汇水从立管用来将一个或多个雨水斗的汇水从高处排下。高处排下。由于重力排水系统本身是按水气两相流设由于重力排水系统本身是按水气两相流设计，所以流速受限于附壁流，单位面积计，所以流速受限于附壁流，单位面积平均流量较小，同样的流量，重力排水平均流量较小，同样的流量，重力排水系统需要较大的立管直径。系统需要较大的立管直径。过过 渡渡 段

5、（埋地管段（埋地管） 立管水流经埋地管排入窨井或区域排水管网。立管水流经埋地管排入窨井或区域排水管网。 动力；动力； 坡度；坡度； 管径。管径。 大流量时如果埋地管内的水流条件和水平管相大流量时如果埋地管内的水流条件和水平管相似，也同样需要一定的坡度和很大的管道直径。似，也同样需要一定的坡度和很大的管道直径。 实例实例：排量是：排量是400升升/秒，地沟长度是秒，地沟长度是50米，地沟米，地沟宽度宽度B取取0.4米，按照曼宁公式，米，按照曼宁公式，Q=Av=A*C（RJ）0.5式中，式中，A-过流面积，过流面积，m2 C-谢才系数谢才系数，C=R1/6/n R-水力半径，水力半径，m n-对混

6、凝土表面，对混凝土表面，n=0.017 J坡度坡度 如取水深和沟宽如取水深和沟宽B相等，则相等，则 R=B/3=0.133mC=0.1331/6/0.017=15 A=0.4*0.4=0.16m2 J=(Q/A/C) 2/R=(0.4/0.16/42) 2/0.133=0.0266 地沟两端落差需要地沟两端落差需要50*0.0266=1.33m 这在实现上是非常困难的，尤其是在厂房内部。这在实现上是非常困难的，尤其是在厂房内部。例：采用虹吸排水的埋地管例：采用虹吸排水的埋地管 埋地管通径埋地管通径400mm，内径，内径380mm，截面，截面积积A=0.113m2，管内流速，管内流速3.54m/

7、s，取沿，取沿程阻力系数为程阻力系数为0.015，则沿程压力损失为，则沿程压力损失为 h=0.015*50/0.38*3.542/(2*9.8)=1.26m 这样的压力水头在虹吸系统中很容易实这样的压力水头在虹吸系统中很容易实现，即布置一条直径现，即布置一条直径400mm的水平埋地的水平埋地管就能够实现管就能够实现400升升/秒流量的排放。秒流量的排放。 小小 结结重力排水系统中，重力排水系统中， 大排量时天沟水深难以控制；大排量时天沟水深难以控制； 管内流速（尤其是水平管和埋地管或地管内流速（尤其是水平管和埋地管或地沟内）无法加快。沟内）无法加快。 这是制约重力排水系统排水能力的根本这是制约

8、重力排水系统排水能力的根本矛盾。究其根本原因，是在雨水斗进口矛盾。究其根本原因，是在雨水斗进口处和水平管道内缺乏必要的动力处和水平管道内缺乏必要的动力。2 虹吸屋面排水系统的基本原理虹吸屋面排水系统的基本原理2.1 虹吸现象虹吸现象ACOH1H2右方水头高度右方水头高度H2在在C点产生负压点产生负压Pc=hj+Pvo-H2左方靠左方靠Pa-Pc-H1-hj1-Pvc将水流压向将水流压向C点，点，Pa=0，Pc为负值为负值关键词：水头差关键词：水头差H2-H1；大气压力；最大虹吸高度；满管流；大气压力；最大虹吸高度；满管流；2.2 虹吸屋面排水虹吸屋面排水总水头总水头=尾管高度尾管高度H1+立管

9、高度立管高度H2AC的水力平衡：的水力平衡：PA+H1=hac+Pvc+Pc按表压计算，按表压计算， PA =0，AC间应满足阻力间应满足阻力hachj2，所以Pc-9m 立管高度：决定了立管提供的最大势头 立管直径：影响立管阻力 埋地管长度和直径：影响阻力 临界压力（饱和蒸汽压）：限制C点的最低压力 立管最小流速：限制某一流量下的最大管径 小结：利用总水头高度在C点形成负压，为水平管水流提供动力，形成有压流动。2.4 虹吸排水的基本优势虹吸排水的基本优势 采用虹吸雨水斗，低天沟水深下获得大排水量采用虹吸雨水斗，低天沟水深下获得大排水量 水平管为压力流，从而：水平管为压力流，从而： 完全水平布

10、置；完全水平布置； 允许长距离铺设允许长距离铺设 布斗灵活布斗灵活 少挖地沟少挖地沟 流速高，管径小流速高，管径小2.5 .5 主要影响因素主要影响因素 大气压力降低对虹吸系统的影响：大气压力降低对虹吸系统的影响： 降低了系统的最大排水能力降低了系统的最大排水能力 立管流速和立管阻力、临界压力的矛盾立管流速和立管阻力、临界压力的矛盾 为临界压力而减小管径以加大流阻和流速上限有矛盾，为临界压力而减小管径以加大流阻和流速上限有矛盾，限制了最小管径。对长立管，可管径分段限制了最小管径。对长立管，可管径分段 上小下大：限制上小下大：限制C点压力（长立管）。点压力（长立管）。 为减小立管阻力（短立管）为

11、加大立管直径，受流速为减小立管阻力（短立管）为加大立管直径，受流速下限限制：过低影响虹吸生成。下限限制：过低影响虹吸生成。3 雨水斗设计雨水斗设计3.1 设计要点设计要点 空气挡板直径和间隙与设计流量的协调空气挡板直径和间隙与设计流量的协调 雨水斗喉部直径与雨水斗起始流量的协雨水斗喉部直径与雨水斗起始流量的协调调 流道阻力尽量小流道阻力尽量小 防止杂物和漂浮物堵塞雨水斗防止杂物和漂浮物堵塞雨水斗3.2 虹吸雨水斗工作原理虹吸雨水斗工作原理天沟水深的控制；天沟水深的控制；空气挡板下水流从边缘向中心的加速；空气挡板下水流从边缘向中心的加速；尾管的作用：形成喉部负压；尾管的作用：形成喉部负压；空气挡

12、板的作用：保持喉部负压。空气挡板的作用：保持喉部负压。TY-56TY-56雨水斗雨水斗 设计排量：设计排量：1212升升/ /秒秒.TY-90TY-90雨水斗雨水斗 设计排量：设计排量：2424升升/ /秒秒TY-110雨水斗雨水斗 设计排量设计排量 50升升/秒秒4 虹吸的形成过程虹吸的形成过程 雨水斗的淹没雨水斗的淹没 雨水斗喉部的充满雨水斗喉部的充满 尾管的充满和流速的加快，形成虹吸起尾管的充满和流速的加快，形成虹吸起始流量始流量 水平管的充满或不充满，不起重要作用水平管的充满或不充满，不起重要作用 立管顶端开始充满，起始流量和立管顶立管顶端开始充满，起始流量和立管顶部直径的协调部直径的

13、协调 立管充满高度向下延伸，直至全部充满立管充满高度向下延伸，直至全部充满 过渡管的充满过渡管的充满5 5 虹吸状态下管道内的压力分布虹吸状态下管道内的压力分布负 正正负系统内的压力分布系统内的压力分布 雨水斗喉部的负压使水流能够在雨水斗盖板下加速雨水斗喉部的负压使水流能够在雨水斗盖板下加速 水平管两端的压力差使水流在水平管内能快速流动水平管两端的压力差使水流在水平管内能快速流动 立管内的动力来自立管水头高度立管内的动力来自立管水头高度 扣除管道阻力和过渡段阻力，立管剩余水头形成顶部扣除管道阻力和过渡段阻力，立管剩余水头形成顶部负压负压 过渡段水流靠部分立管水头推动。过渡段水流靠部分立管水头推

14、动。结论：结论： 充分利用了屋面雨水的总水头高度，形成管道内的压充分利用了屋面雨水的总水头高度，形成管道内的压力流。力流。 管道内基本呈负压状态，对管道刚性、密封有要求管道内基本呈负压状态，对管道刚性、密封有要求6 关注虹吸过渡过程关注虹吸过渡过程6.1 虹吸生成需要一个时间过程虹吸生成需要一个时间过程 QthQ1Q2Qth设计排量 Q1落雨量 Q2实际排量6.2 6.2 虹吸生成过程带来的影响虹吸生成过程带来的影响 排出流量的变化落后于落雨量 落雨量上升段，天沟内会有相当的雨水累积，累积深度和雨量变化速度正相关 短时超过设计排水量的落雨量也积累在天沟内 雨量减小时，累积的雨水会迅速排出 天沟

15、容积必须考虑这种排水滞后现象6.36.3 影响滞后量的主要因素影响滞后量的主要因素 雨水斗的排量雨水斗的排量 水平管的直径和长度水平管的直径和长度 立管的直径和高度立管的直径和高度7 雨水斗及各个管段规格确定的原则雨水斗及各个管段规格确定的原则 雨水斗雨水斗：可大不可小，但不能过大：可大不可小，但不能过大 尾尾 管：管：应与雨水斗喉管一致，必要时可缩小，应与雨水斗喉管一致，必要时可缩小， 不得过短不得过短 水平管水平管：尽可能短，管径可适当大于立管：尽可能短，管径可适当大于立管 立管立管：限制流速，限制顶点负压：限制流速，限制顶点负压 埋地管埋地管：限制出口流速：限制出口流速8 结论结论 虹吸排水可以保证小的天沟水深；虹吸排水可以保证小的天沟水深； 虹吸排水可以采用很少的立管；虹吸排水可以采用很少的立管； 虹吸排水便于把雨水斗的汇水传送到远虹吸排水便于把雨水斗的汇水传送到远离雨水斗的落水点，并可水平布管；离雨水斗的落水点，并可水平布管； 虹吸排水管道内的设计流速远高于重力虹吸排水管道内的设计流速远高于重力排水流速