建筑同层排水系列：横支管管径的选择＊

关文民 段先湖 胡亚男

（1宁波世诺卫浴有限公司 浙江 宁波 315514）（2咸阳陶瓷研究设计院 陕西 咸阳 712000）（3中国建筑装饰协会厨卫工程委员会 北京 100028）

在建筑卫生间同层排水系统中，随着对完成面高度关注的不断加强，对于管道的排水流量的考虑也越来越具体，管道的管径和坡度的选择，就成为一个值得探讨的问题。

设计管道的管径和坡度，主要是为了控制横支管内污水的流动。控制横支管内污水的流动的主要目的有：一方面要保证流动的自洁性，另一方面就是要达到最远的输送距离。

下面就横支管的流动自洁性及污水输送距离的影响因素、流量计算方法、标准坡度等方面进行详细论述。

1 横支管流动的自洁性

所谓自洁性，就是要冲走可能发生沉积的物体，防止横支管内部堵塞，以保证管道的长期畅通。这些可能发生沉积的物质，一般是指密度大于水的物质。如果管道出现了内部充满了水的情况，那么就可能出现气水混合的状态，由于气泡区的压缩和膨胀的特性，就会产生类似于水锤的作用，阻滞水的流动。因此，重力式排水，横支管是不适合满管流的。既然不适合满管流，那么水在管道内充盈的高度就应该设置一个限度，如图1所示。水在管道内的充盈的高度h，与管道通径d的比值，称为充盈度，即h／d。

图1 水在管道内充盈高度

水在管道内的流动，会对管道内壁产生冲刷。冲刷的效果主要取决于水的流动状态，而流动状态跟雷诺系数Re有关，公式如下

式中：r——水力半径，m；

u——流体流速，m／s；

ρ——流体密度，kg／m3；

μ——流体粘度，Pa·s。

当Re＜2 000时，流动状态属于层流；当2 000≤Re＜4 000时，属于过渡流；当Re＞4 000时，则属于湍流或紊流。

对于DN50～DN200的管道，当水的流速为0.6m／s时，按照以上公式进行计算，其雷诺系数Re为30 000～120 000，远大于4 000。因此，排水管道的水流动状态，一般为湍流状态，如图2所示。水流的表面是不平静，是波动起伏的，因此，需要一个适当的空间，以防止水面波峰封闭管路，形成气塞。

图2 排水管道中水的流动状态

对于湍流，管道内流动的水中所含有的固体物，均有被冲走的可能，对于已经沉淀的物质，也有被冲刷走的动力。但是，当管道内的平均流速相同时，水流离管径中心越远且越贴近管壁，流速就越小。无论管道内的流体如何湍流，在边界层（靠近管壁的非常薄的流体层，称之为边界层）内，将会产生很大的粘滞力，使得必须有较大的流速，才能够在边界层形成足够的速度，从而达到冲刷的目的。

根据国家标准GB 50015－2010《建筑给排水设计规范》的规定，对于管径不大于DN200的管道内，流速应不小于0.65m／s。这样，边界层的厚度，就在相对合理的范围内，水中的物质就不容易发生沉积。因此，适当设计管道的坡度，以确保水的流速，是减少管道发生沉积堵塞的必要条件。

2 横支管的输送能力

所谓最远输送，就是把悬浮在水面上的物体输送到最远处，达到最佳的输送效果，以防止因为水的流失，而造成悬浮物过早地落在管道中。悬浮物体一般是指密度不大于水本身的物质。

从图2可以看出，在波动的水的上方，需要有一个空间存在，以防止水的波峰封闭管道内水面上方的气体通道，避免形成气塞。

在能够保障管道内气体通道的情况下，水的流速越快，水位就越高，排污能力也就越强。因此，应该尽可能以把最大的排水能力设计在充盈度标准允许的最大充盈度为目标。按国家标准GB 50015－2010的规定，管径＜160mm时，充盈度 ≤0.5；管径≥160mm，充盈度 ≤0.6。对于套内住宅卫生间来说，一般管径是不大于DN110的，因此，充盈度为0.5便是在同层排水横支管设计中一个非常重要的参数。

提高充盈度，就意味着不能仅以大管径来提高排水的能力。而实际上，应以洁具的排水量来确定管道的管径和坡度。在保证冲水自洁速度的情况下，尽可能提高充盈度。坡度太小，自洁冲水速度不足；坡度太大，充盈度不够。因此，综合考虑管径和坡度的设计，才是一个科学的方法。根据国家标准GB 50015－2010的规定，设计出管道的坡度和最大充盈度，如表1所示。

表1 管道的幅度和最大充盈度

3 流量计算方法

根据国家标准GB 50015－2010的规定，横支管内的水的流量，其计算方法是按以下公式计算：

式中：qp——计算管段排水设计秒流量，L／s；

A——管段设计充盈度下的过水面积，m2；

v——速度，m／s；

R——水力半径（过流面积和湿周的比值），m；

I——排水管坡度；

n——粗糙系数（其中铸铁管为0.013；塑料管为0.009）。

确定相应的洁具的废水流量qp，按照流量公式，根据最小流速v＝0.65的原则，首先可以计算出充盈度下的过水面积A。然后根据最佳充盈度的h／d＝0.5的原则，计算出相应的管道管径，再根据管道的管径系列标准，确定出管道的管径d。然后根据管道直径，重新确定出充盈度，就可以计算出水力半径R。最后，根据管道的材料，和最小流速v＝0.65的原则，可以计算出相应的坡度。

实际生活中，卫生间洁具的使用频率差异非常大。洗面器与坐便器，几乎每天使用，但浴缸的使用频率，一般就比较低。甚至，有些住户在入住后，取消了浴缸，改成了更高使用频度的淋浴。这样，如何权衡管径与坡度，甚至是管道布局，例如采用单行还是串联，来达到同样的流量，就成了一个技术问题，需要根据具体的实际情况进行反复核算来决定。

由于节水产品技术水平的不断发展，标准的部分规定已经亟待更新，例如，大便器的排水管问题。按照国家标准规定，大便器的排水管不得小于DN110。按照标准坡度I＝0.026敷设管道，按上式流量公式和流速公式反复计算，得出的流速v＝1.04m／s，充盈度h／d＝0.235时，流量刚好是按GB 50015－2010提供的坐便器的流量qp＝1.5L／s。此时，充盈度仅为0.235，其输送能力明显不足。而采用标准允许的最小坡度I＝0.004，自洁流速仅为v＝0.54m／s，达不到0.65m／s。经过反复核算，在满足坐便器的流量qp＝1.5L／s时，应该采用坡度I＝0.007，流速v＝0.65m／s，充盈度为0.33。

根据上述计算可知，DN110的管道应用于坐便器的冲洗，充盈度最高为0.33，还有提高的空间，以增加输送距离。

上述情况如果应用在DN90的管道，应用坡度I＝0.006 5这个略高于最小坡度标准值0.006的坡度，那么，在充盈度h／d＝0.45时，流量刚好是按 GB 50015－2010提供的坐便器的流量qp＝1.5L／s，而且流速v＝0.65m／s，可以满足自洁要求。

由此可见，国家标准中规定的坐便器排水横支管管径不小于DN110，在理论上是有缺陷的，如果采用管径为DN90的管道，效果会更好。

4 结语

综上所述，卫生间横支管内的污废水流动的状态，基本上是湍流。管道的坡度和管径的确定，需要以高于自洁流速和合理的充盈度为原则，来确保管道的畅通无阻。随着节水产品种类的不断增加，旧标准也需要随之同步更新，甚至应该制定出超前指标。