浅谈屋面雨水排水系统设计

王红艳（陕西铜川建筑勘察设计院有限公司，陕西省铜川市727000）

浅谈屋面雨水排水系统设计

王红艳（陕西铜川建筑勘察设计院有限公司，陕西省铜川市727000）

随着目前中国经济的高速发展，特别是工业园区的建设，各地都在大力进行大型厂房的建设，车间的规模越来越大，这就给屋面雨水的排放带来了新的问题。自20世纪80、90年代虹吸式屋面雨水排水系统在我国逐渐应用以来，为屋面雨水的排水方式提供了除重力流外的另一种排水方式选择。本文主要对虹吸式屋面排水的原理、系统组成、工程设计以及日常维护作相应介绍。

虹吸式屋面雨水排水系统；虹吸式雨水斗；悬吊管；溢流口

一般屋面排水系统常按其排水管的设置位置和排水方向分为外排水系统和内排水系统；从水力学的观点来分可分为重力流屋面排水和压力流屋面排水系统两类，后者强调在设计降雨强度下屋面排水系统内的有压状况。不同的屋面雨水排水系统根据其所具有的水流状态分析，采用不同的设计计算方式。传统的屋面雨水排水系统按重力流设计，屋面重力式排水系统采用重力式雨水斗。虹吸式屋面雨水排水系统与重力式屋面雨水排水系统相比有明显的技术优势。以下重点介绍虹吸式屋面雨水排水系统的原理和设计过程。

1 重力流屋面雨水排水设计原理

重力流管道系统为非满管流，管道中为气水两相流。管道的排水能力很大程度上取决于管道中的气水比和管道的敷设坡度。由于立管的排水能力远大于雨水斗和悬吊管的排水能力，所以整个雨水系统的排水能力由雨水斗和悬吊管的选型决定。《建筑给排水设计手册》对各种类型雨水斗及不同管径不同坡度悬吊管的排水能力给出了实验及计算数值。设计时根据《手册》给出的数据依次对雨水斗、悬吊管、立管、排出管进行合理选型即可。

2 虹吸式屋面雨水排水设计原理

虹吸式管道系统为满管流，管道中为单相流。管道中的满管流状态由带空气挡板的虹吸式雨水斗促成，虹吸式雨水斗对应一个产生满管流的斗前水深，即当水位达到或超过这个水深时，管道中将会形成满管流。不同的虹吸式雨水斗对应不同的斗前水深，斗前水深是虹吸式雨水斗排水能力的重要参数。系统排出管的流速水头以及雨水斗至排出管的总水头损失（包括沿程水头损失和局部水头损失）由雨水斗至排出管的高差水头提供。

3 形成虹吸过程的水流流态

虹吸式屋面雨水排水系统设计时按照满管压力流流态设计，但系统并不是始终在满管压力流流态下工作。在降雨之初雨量较小时，管道内为非满管重力流，系统管道内处于波浪流和脉冲流。随着雨量的增大，系统管道内流态逐步过渡到活塞流和泡沫流，随着斗前水深的不断增大达到虹吸式雨水斗要求的斗前水深，最后形成满管压力流，这时由于虹吸的形成使系统的排水能力突然增大，斗前水深回落，系统重新回到重力流方式。受降雨量的控制，系统内虹吸流与重力流交替进行，随着降雨量的增加在交替几次后形成稳定的虹吸流，当降雨停止时系统重新回到重力流。

图1为虹吸式屋面雨水排水系统的不同流态。

图1

4 虹吸式屋面雨水排水系统组成

4.1 虹吸式雨水斗

用于虹吸式屋面雨水排水系统的雨水斗，它具有气水分离、防涡流等功能。其斗前水深可有效控制，当斗前水位稳定达到设计水深时，系统内形成满管压力流。

4.2 连接管

虹吸式雨水斗至悬吊管间的连接短管（又称尾管），通过改变连接管的管径、长度，可调节雨水斗的进水量和系统的阻力。

4.3 悬吊管

悬吊在屋架、楼板和梁下或架空在柱上的雨水横管。

4.4 溢流口

当降雨量超过系统设计排水能力时，用来溢水的孔口或装置。

4.5 固定件

用于固定水平管和立管的装置。固定件具有吸收管道振动、限制管道因热胀冷缩导致的位移、避免管道因悬挂受力而变形，以及不影响管道水平受力等作用。

4.6 过渡段

过渡段设置在系统的排出管上，是水流流态由虹吸满管压力流向重力过渡的管段，为虹吸式屋面雨水排水系统水力计算的终点，在过渡段通常将系统的管径放大。

5 重力式与虹吸式屋面雨水排水系统比较

重力式雨水排水系统，由于管道内为气水两相的非满流，同时一根雨水立管所连接的雨水斗数量有限制，所以管道的排水能力相对较小。为满足设计要求通常情况下要设置大量的雨水立管，尤其是在对建筑外观要求较高的情况下，雨水立管的排出管需要埋地处理，一方面排出管需要穿越建筑物的基础，增加了施工中与土建专业相互协调的工作量；另一方面排出管对应室外较多的雨水检查井，增加了室外给排水工程的工作量。

虹吸式雨水排水系统，管道内为满管压力流，排水能力由雨水斗至排出管的高差水头提供，所以管道的排水能力较重力式有大幅提高。一根雨水立管所连接的雨水斗数量没有限制，并且系统的水平悬吊管安装不需要坡度，为管道的设计和安装提供了很大的方便，尤其是对于复杂屋面雨水排水系统的设计有着巨大的优势。系统的立管较少，可以减少室外雨水检查井的数量，简化了室外给排水工程的设计和施工。虹吸式雨水排水系统在设计时需要更精确的水力计算，系统的安装精度也有较高要求。

6 虹吸式屋面雨水排水系统的设计

6.1 布置雨水斗

根据不同类型的虹吸式雨水斗的设计流量，按照设计重现期的暴雨强度计算出一个虹吸式雨水斗的汇水面积，然后按照虹吸式雨水斗的汇水面积布置雨水斗。

6.2 布置雨水管道

根据雨水斗的位置布置悬吊管和立管的位置。布置悬吊管时应注意，虽然虹吸式雨水排水系统不要求悬吊管设排水坡度，但不得倒坡，以保证悬吊管内的雨水能够排空。在布置立管时应注意，一根立管所负责的汇水面积不宜太大，对汇水面积大于5000m2的大型屋面，宜设置不少于2组独立的立管。不同高度的屋面、不同结构形式的屋面宜采用独立的立管。

6.3 水力计算

式中：Z1为1-1过水断面的位置水头；P1为1-1过水断面的压强；Z2为2-2过水断面的位置水头；P2为2-2过水断面的压强；γ为水的容量；g为重力加速度；hw为总水头损失。

6.3.1 计算控制流速

悬吊管设计流速不宜大于10m/s，立管设计流速不宜小于2.2m/s，且不宜大于10m/s；过渡段下游流速不宜大于2.5m/s，当流速大于2.5m/s时，应采取消能措施。

各雨水斗水力平衡控制：当采用多斗系统时，各雨水斗至系统过渡段的水头损失允许误差小于10kPa。

6.3.2 系统内最大负压控制

为了避免水流在管道内蒸发影响排水能力，管道内的负压需大于水的蒸发压力。根据系统安装场所的大气压力以及管道内的水温、管道材质、管道及管件的耐负压能力确定系统内的负压允许值。同时管道内负压不应低于一90kPa。

表1 不同水温的气化压力表

虹吸式屋面雨水排水系统的水力计算是基于不可压缩流体的伯努利方程式：

6.3.3 立管管径

立管管径应根据计算确定，可小于上游悬吊管管径。

6.4 溢流口设计

虹吸式屋面雨水排水系统和溢流口的总排水能力，不宜小于设计重现期为50年、降雨历时5min时的设计雨水流量。溢流口水流形式为堰流，溢流口的形式决定了不同类型的堰流形式，工程实际中大部分溢流口的形式属于宽顶堰。宽顶堰流水力计算公式：

式中：Qq-溢流口的排水流量；b-溢流口宽度；△h-溢流口高度；g-重力加速度。

溢流口的设置高度如图2。

图2

7 维护

虹吸式雨水排水系统应定期维护，使其保持良好的工作状态。系统的日常维护的主要内容为清除屋面、天沟、雨水斗和管道中的杂物，龙其是在雨季来临前应对屋面杂物进行及时的清理，否则屋面杂物极易堵塞雨水斗，从而使整个系统的排水能力大大降低，造成雨水倒灌至室内的严重后果。同时日常维护中还应注意管道是否得到牢靠的固定，否则当出现脉冲流时管道振动剧烈影响安全。

[1]《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》（CECS183：2005）.

[2]《建筑给排水设计规范》（GB50015-2003，2009年版）.

[3]《水力学》（成都科技大学水力学教研室编）.

TU823.6

A

2095-2066（2016）05-0028-02

2016-1-15

王红艳（1976-），女，工程师，本科，主要从事给排水工程设计工作。