建筑排水技术进展(20100621济南)

南京市建邺区庐山路128号新锐国际大厦裙楼601-608室Tel水/污水排放系统专家给你一个完美的解决方案1重力屋面排水系统存在的主要问题长的水平管或长的天沟排水需要坡度，给管道和天沟的铺设带来困难；

重力排水一般为单斗系统，大量的立管可能需要开挖排水沟，某些建筑内排水沟被禁止；

雨水斗不能远离落水点，立管不能灵活布置；同样的排量和允许的天沟水深下，重力排水需要大得多的管道直径。

存在的这些问题就形成了一种需求：

能否铺设一种紧凑的排水系统，它有少量的立管，水平管不需要坡度，能够把大屋面汇水排放到希望的落水点

一、屋面虹吸排水系统hPoCH条件：

a）管道内为充满状态（不被大气所贯通）；

b）管道出口低于液面；

c)C点与液面的高差小于大气压力形成的水头。在虹吸状态下，池中的水被大气压力压到点C后顺立管流出。问题：将池水压到C点的动力能否被用于排水系统？

Po2虹吸现象给我们的启示3虹吸原理在屋面排水中的应用图中的条件可以满足产生虹吸的三个要求，但要形成虹吸，还必须具备管道自动充满的能力。如果将水池抬高，把天沟当成水池，就形成了如图的雨水排放系统。这个系统的特点是在水平管内水流以有压方式流动，即水平管左端和右端存在压力差，水流可以在没有坡度的条件下快速流动。这个压力差来源主要来自于立管高度。4屋面排水中虹吸的形成过程小雨状态：雨量超过1/3设计排量：雨量超过1/2设计排量：天沟内有足够的雨水使流量上升：虹吸生成过程描述水平管充满后能否向立管充满过渡，取决于流量QS和立管直径的配合。这是一个理想化的过渡过程，不管实际过程如何，在尾管和立管充满这些关键点上，存在着必须满足的条件。尾管充满段水平管充满段立管充满段最大流量QS5虹吸排水要解决的根本问题是什么？

利用大气压力（这个压力有限，和高度有关）将远离立管的雨水斗汇水经水平铺设的横管输送到立管顶端

解决了这个根本性问题，就会看到虹吸排水的许多优点，同时也可以看出在什么样的情况下才适合于应用虹吸排水系统：

要有高度（条件），大的汇水量且存在横管，或者希望减小管道尺寸（需求）6实际排水过程

理想的虹吸排水过程只是一种临界状态，因为汇水量不可能始终恰恰等于排水量。当雨量大于排水能力时，天沟水位会持续上升；当雨量小于最大排水能力时，首先出现的是气水混合流，随后过渡到重力流状态。虹吸排水和重力排水之间的主要不同点是，虹吸排水达到设计排水能力有一个过渡过程，而达到设计排水能力后就进入明显的饱和状态。虹吸排水系统设计必须考虑这两个因素。7虹吸屋面排水的主要优点和适用范围7.1优点流速，管径小，便于隐蔽安装。水平管可无坡度长距离延伸，雨水斗和立管布置自由；免去了大量的地沟开挖工作。专用雨水斗有效限制天沟水深。7.2适用范围总水头在3米以上的建筑，以形成必要的负压；大屋面公共建筑；现代工业厂房，不允许室内开挖地沟；屋面下方须有架设水平管的空间，一般的住宅和办公房会受到限制。8尾管在虹吸形成过程中的作用

利用尾管水头，获得了一个起始流量，这个流量形成的流速必须能够使立管达到充满程度，有效势头进一步增加，从而使流速进一步上升。尾管过短，起始流量很小，立管顶端达不到充满的程度，虹吸过程也无法形成。规程中建议尾管高度不小于1米，是一种安全建议。实际工程中由于吊顶高度或管道布置的限制，可能要求缩短尾管。在工程实例中，500mm长的尾管依然能够正常工作。

不同雨水斗和尾管高度所形成的起始流量

规格流量高度TY-56TY-90TY-110TY-125流速（m/s)流量（m/s)流速（m/s)流量（m/s)流速（m/s)流量（m/s)流速（m/s)流量（m/s)0.5m2.364.652.4312.52.4519.32.4725.20.7m2.725.352.9214.62.8622.52.8829.41.0m3.136.103.3917.03.3428.33.3834.59如何处理短尾管系统对规程中提供的短尾管安全性的验算方法，既不实用，也缺少资料。我们在实践上采用的是验算无立管最大流量能否充满立管的方法。假定没有立管而只有尾管、连接管和水平管以及水平管末端的弯头、变径，可以求得此时系统充满状态的最大流量，此流量主要和尾管高度、水平管长度、直径有关。此流量只要能够超过立管上段的充满临界流量，虹吸过程就能够顺利发展下去。

如果工程中遇到必须设置短尾管的情况，解决的主要方法有三点：加大雨水斗尾管直径（相当于采用较大规格的雨水斗）；加大水平管直径；适当减小立管上段的直径。如果水平管很短（3米以内），或者水平段有明显的坡度，短尾管对虹吸生成不会产生明显影响。

此图是德国标准VDI3806中对不同立管-横管连接方式下立管充满流量的实验结果。显然，第三种连接方式的充满流量会更小些。

在实践中，为了提升立管顶端的水头，防止过低的负压，会把立管上的第一个变径向下移动，这时尽管立管顶端直径会较大，但立管内仍有一段细管，在此段细管被充满后能够使虹吸过程发展下去。负正正负10虹吸状态下管道内的压力分布虹吸状态下，管道内呈负压11虹吸过程中管道内的压力限制设计规程中要求最低压力不低于-9kPa。管道中出现过低的压力（低于水的空化压力，即常温下的饱和蒸汽压力），水中就会迅速产生大量蒸汽泡，从而降低了水的密度，大大影响系统的排水能力。计算表明，虹吸系统中的最低压力一般出现在立管顶端，但是也可能出现在立管上的其他管径突然缩小的部位，这要看上游管道水头损失的大小以及流速的大小。最低压力的限制也说明虹吸系统可用的水头最大也超不过10米，系统设计中在各个环节必须特别关注降低阻力。管道内存在负压要求管道必须具有足够的环刚度。环刚度不足（材质，壁厚，均匀度）是造成管道被吸瘪的根本原因。如果建筑结构允许，加长尾管是充分利用建筑高度的有效办法。降低水平管可充分利用建筑水头：AB

在这个例子中，无论水平管是走上边，还是走下边，A点或B点最低允许压力都是-9kPa。但由于尾管加长，B点和雨水斗之间却可以有更大的压力差，从而同样的流量水平管也可以更细点。12无悬吊管虹吸排水系统方案：尾管延长直接落地，将横管埋入地下。优点如下：能够快速形成有压排水状态地沟的开挖量比重力排水大大减少地沟不需要坡度，能够明显抬高市政排水管线的入口高度系统综合成本比传统虹吸系统低适合于外天沟屋面，或者允许在室内铺设管道的情况造价比悬吊系统降低15%到40%

下面两个例子的成本相差25%4横管埋地的虹吸排水系统

实例总流量：151L/s最低水头:--8.17m最高水头：0.32m成本：43099元总流量：151L/s最低水头:--5.54m最高水头：10.5m成本：32588元节约25%如果更换重力排水系统的雨水斗，并将雨水斗尾管和立管连成一体，重力排水系统就能以虹吸排水方式工作。进入虹吸状态后，管道内的压力出现根本性变化，单斗系统的上部会出现明显的负压，常用的PVC排水管将不能承受这一负压，故而必须更换管道。由于PE管材进入排水领域，虹吸排水应当摆脱原有的应用模式，可以向住宅建筑推广，即采用无水平管的方式设计有压排水系统。尽管住宅建筑不适合铺设水平管，但可以用小管径的立管排放大流量的雨水。13将重力排水系统变成虹吸排水系统雨水斗：75尾管：0.1m,de=75小横管：0.5m,de=75立管：30m,de=75过渡段：2m,de=125流量：24L/s出口流速：2.3m/s对应于大约600平米的屋面作用：在斗前水深下获得足够的进口流量；实现水流从边缘向中心的加速；抑制漩涡生成。空气挡板外径和进口高度保证了进口截面积，这是限制斗前水深的主要手段；充分利用从边缘到中心的压力差，保证了水流在喉部能加速到预期值，实现大排量。盖板的封闭作用：保持喉部负压。盖板结构应有助于防堵塞和防漩涡，也要流畅的通道。雨水斗的实际流量取决于系统结构14虹吸雨水斗sosoon

劲驰TM

基本型雨水斗TY-56雨水斗设计排量：8升/秒,接管直径56mmsosoon

劲驰TM

基本型雨水斗STY-75雨水斗设计排量：20升/秒,接管直75mmTY-90雨水斗设计排量：30升/秒,接管直径90mmTY-110/125雨水斗,设计排量40/80升/秒,接管直径10/125mm扩展盖板天沟当雨量急速上升时，由于虹吸形成的滞后，天沟内会有相当的雨水累积，累积速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天沟容积必须具备对以上两点的缓冲能力

虹吸生成的滞后现象

QthQ1Q2tQQth—设计排量Q1—落雨量Q2—实际排量影响滞后量的主要因素：雨水斗的排量尾管高度水平管的直径和长度立管的直径和高度雨量变化速度对钢结构屋面的长天沟（相应水平管很长），必须进行天沟缓冲能力验算，这种验算是一种近似的验算，即计算靠尾管起始流量充满水平管的时间。尾管的充满过程很快，可以忽略不计，而一旦立管上部被充满，虹吸发展过程非常快。16天沟溢流溢流属于非正常出流，溢流口或溢流系统不能明显增大排水系统成本。溢流过程肯定要利用天沟自身的排水能力。堰式溢流（溢流口，包括宽顶堰和薄壁堰）会明显抬高天沟水位，溢水流向屋外。正常排水和溢流是两种不同的状态。溢流系统溢流量从单独的立管流出，但溢流口仍然应当设在靠近立管处，否则就可能成为额外的虹吸系统，失去溢流系统的本来意义。无围堰虹吸溢流系统在天沟适当位置开出溢流口，通过溢流雨水斗和立管实现虹吸式溢流，溢流口周围不加围堰；工作状态由于溢流口的旁路作用，基本系统和溢流系统同时处于排水状态。随着雨量上升，溢流口排水量加大，天沟水深上升，基本系统进入虹吸排水状态由于没有围堰，溢流口水深可保持在100mm左右，这样可以明显降低整个天沟的水深。这种溢流方案把正常排水能力与溢流能力有机地结合在一起，把虹吸系统排水和溢流系统排水结合在一起，后者充分利用了天沟的宽度和深度。无围堰虹吸溢流系统基本分析方法溢流正常排水溢流流量正常排水流量合成流量最高水头点17虹吸系统的基本设计方法对一个排水系统可以有许多评价项目，如排水能力，造价，安全性，施工维护难度，建筑美观性等等，这里仅简要介绍一下满足排水能力的水力计算方法。假定已经进行了汇水分区，求得了汇水量，根据建筑结构和可能的落水点进行了管路走向的初步设计，选定了雨水斗，确定了管长。水力计算的目的是确定每个管段的直径，获得一份最终的排水系统图，提交一份水力计算书和材料清单。所设计的系统应当符合设计规程要求。水力分析的基础是伯努利方程，实际上是一个能量平衡方程。计算中的难点是确定沿程阻力系数和各种不同类型、规格的管件的局部阻力系数。对多雨水斗系统，要根据流量和结构计算管径本身就是无解的方程。但是我们可以建立起某些约束条件，获得一些初步的结果，然后再对这样的结果进行验算，观察它对预定要求的满足程度。

虹吸系统水力分析中有如下假定：所有的管道长度以转折节点之间的长度为名义值，所有的局部阻力被认为是发生在一个点上，雨水斗进口流速为零。显然这一假定和水力实验的结果有不小差距，但是我们只有这样做，计算才是可行的。这样的计算结果虽然会偏离实际，但只要在我们许可的范围内，可能的偏差通过安全系数可以解决。

设计过程是一个反复的调整、验算过程，它既需要计算方法，更需要设计师的经验。面对一个既有的系统，我们可以通过计算它的剩余水头来考察它的排水能力和整个系统的平衡性。管件水头损失按达西公式计算，设管件内径为d,g为重力加速度，Q为过流量

沿程水头损失按下式计算：

Hy=λ

LV2/(2gd)=0.0827λLQ2/d5=RyQ2

局部水头损失按下式计算：

Hj=ζV2/(2g)=0.0827ζQ2/d4=RjQ2

从每个雨水斗到达过渡段出口，沿途每个管组上的流量是已知的，所有管件的Ry或Rj是已知的，总水头损失为每段损失之和。雨水斗的总水头高度减去总水头损失和过渡段出口的速度水头，就是该雨水斗子系统的剩余水头。在验算中，对PE管和钢管，可以选用以下参数进行近似计算：

λ

=0.025

雨水斗，ζ=0.545度弯头，ζ=0.390度弯头，ζ=0.5

三通顺向入口，ζ=0.3

三通侧向入口，ζ=0.5

扩大变径，ζ=（1-d12/d22)2,d1—小端内径，d2—大端内径缩小变径，ζ=0.5(1-d12/d22)

如果要求取剩余水头为零时的系统最大排量，则需要采用迭代法计算。

虹吸排水设计中有几个关键性的指标：压力，控制最低压力不低于-90kPa；流量，反映为剩余水头,大于零；平衡，各雨水斗间平衡，水头差不大于10kpa。公共管路影响每个雨水斗支路，而公共管路上游阻力直接影响系统最低压力。管路A是主管路的公共管路，在通过设计流量时，最低压力控制在适当数值上，这时流量肯定能满足要求；调整管路B使各雨水斗的剩余水头偏差保持在适当范围内；调整各雨水斗的尾管和小横管，使剩余水头偏差符合规程要求；调整立管和过渡段的直径，使剩余水头下降到合理值，系统内满管流状态下的最低压力值也符合规程要求。当对调整规则进行合理约束后，自动调整能够使绝大多数系统快速达到目标。下面用实例说明设计过程

ABB标高25+1=26mQ=25*6=150L/sQm=152L/sHmin=-6.08mHdif=0.57m标高15+1=16mQ=25*6=150L/sQm=156.2L/sHmin=-6.1mHdif=0.57m标高10+1=11mQ=25*6=150L/sQm=156.7L/sHmin=-6.4mHdif=0.57m结论：不同标高不会影响到水平管和尾管的参数；在设计流量下，系统最低压力受上游管道直径影响；通过调整公共管道的参数，在调整系统最低压力的同时，调整了总的流量，但不影响各雨水斗子系统之间的平衡；系统平衡靠水平管和尾管及小横管调整实现。 由于天沟本身具备一定的通流能力，所以各雨水斗之间的不平衡可以通过天沟弥补。当天沟截面积足够时，对雨水斗之间不平衡度不必太在意。不平衡并不会影响系统的最大排量。雨水斗尾管和小横管水平管立管过渡段（埋地管）二次悬吊系统18虹吸排水系统的基本构成雨水斗：

按排量分8L/s(TY-56),20L/s(TY-75),30L/s(TY-90),48L/s(TY110),60L/s(TY-125)5种规格按安装方式分：混凝土天沟，钢天沟和铝天沟三类尾管和小横管：

尾管是保证虹吸正常形成的必要条件，必须保证足够的高度。小横管既是建筑结构的需要，也有助于调整系统平衡。水平管：

水平管一般是悬空架设的管道，把雨水斗汇水输送到指定的立管位置，可以有多重转弯，可以没有坡度，但不允许倒坡立管：

立管一般设在建筑不显眼位置，可以隐蔽安装，可以有多重转弯过渡段（埋地管）：

是由立管下端到雨水检查井的管道，一般在0标高以下，可以有多重转弯，要求末端出口流速不大于2.5m/s二次悬吊系统：

由于虹吸排水大多采用HDPE材质的管道，具有较大的热膨胀系数和柔性。为了防止管道热胀冷缩造成的纵向位移，横管采用在方钢导管上进行二次悬吊，并用锚固法兰将管道按一定距离固定到方钢导管上。对不锈钢管道不采用二次悬吊。19基本施工过程

铺设过渡段—由于过渡段是在地下，一般是在土建阶段进行预埋；铺设立管—立管一般沿墙铺设，可以在主体形成之后进行；铺设水平管—水平管是在屋面结构形成之后进行，属于高空作业，管道在地面进行预装，之后在空中组装；天沟开孔—在天沟指定位置开出雨水斗的安装孔。开孔工作和尾管及小横管的施工同步进行。主要材料：雨水斗、管道、45度弯头、45度斜三通、变径束节、可调管卡、固定管卡、锚固法兰、检查口，方钢管、相关的专用紧固件二、特殊单立管排水系统简介

特殊单立管排水系统是由特殊的上部管件、管道和下部管件组成的单立管排水系统。目前国内流行的