虹吸式雨水排水技术在建筑施工中的应用

李 辉

（晋中市城乡规划设计研究院，山西 晋中 030600）

0 引言

虹吸式雨水系统排水管泄流量较大，由于负压抽吸作用，雨水悬吊管内的水发生高效的流动，并且增强悬吊管的适用性，可做到水平无坡度敷设。根据建筑排水需求，灵活调整悬吊管接入雨水斗的数量，在保证排水效果的同时减少雨水立管的数量，可根据建筑建设需求更加有效地利用建筑空间。相比普通重力流雨水斗，虹吸式雨水斗的排水量明显更大，可高效排出屋面的雨水，由于雨水的快速外排，还有利于减轻建筑物所受的荷载，集多重效果于一体。本文简述虹吸式雨水排水技术的原理，再引入工程实例，着重对具体的技术应用要点、设计计算、关键施工内容等方面进行分析，以期起到抛砖引玉的作用。

1 虹吸式雨水排水技术的原理

虹吸式雨水排水系统集虹吸雨水斗、悬吊管、雨水立管等多部分于一体，其结构如图1所示。

图1 虹吸式雨水排放系统示意图

在降雨初期，累积雨水量相对较少，雨水斗内的水量有限，此时排水系统的功能类似于传统的重力流雨水系统；随着雨水累积量的增加，雨水斗内的水量超过设计标高，此时导流罩发挥出作用，能够分隔雨水和空气，通过应用该设施，促使排水管道内产生负压，实现对雨水的抽吸处理，产生具有较高排水效率的虹吸式排水现象。

2 虹吸式雨水排水技术在工程实例中的应用

2.1 工程概况

某工程项目建筑内容包含商场、办公楼、住宅等，施工设计暴雨强度为6.78L/（s·100m2），排水设施建设中采用虹吸式雨水排水系统，用于高效排出屋面的雨水，实现向集水井的快速转移，减少雨水堆积量，减轻雨水对屋面的侵蚀和荷载作用。

2.2 施工准备

（1）加强对设计图纸的审核，评估各项设计内容的可行性，例如垂直度、标高等各方面均要达到要求。

（2）确定套管采取固定、密封措施，保证套管足够稳定且无泄漏现象。

（3）根据现场施工条件，确定排水管道的铺设顺序，基本流程是依次完成埋地管道、垂直立管、支管和排水管的铺设作业。

（4）管道专业施工人员注重与土建及其他相关专业的协调，避免发生施工冲突。

2.3 设计要点及关键参数的计算

（1）合理布设雨水斗，经过位置优化后，使其顶面至悬吊管管中的高差不少于1m，具体布设情况如图2所示。

图2 雨水斗结构

（2）根据立管管径，合理控制雨水斗顶面至过渡段的高差，其中该管径不超过DN75时高差以3m以上为宜，在DN90及以上时将高差增加至5m。

（3）立管、悬吊管的设计流速分别不低于2.2m/s、0.75m/s，同时要求立管的流速不超过10m/s。

（4）排水管系过渡段下游的流速需得到有效地控制，应满足不超过2.5m/s的要求，以削弱雨水流动时的冲刷作用，若流速超过该值，需配套消能设施[1]。

（5）雨水斗至过渡段的水头损失允许误差ΔP(kPa)也属于虹吸式雨水排水系统的重点设计指标，要求该误差在5kPa以内，具体计算方法如下：

式中：

hver——雨水斗至出户管过渡段的几何高差，m；

ρ——水的密度；

g——重力加速度；

∑（L×R+Z）——雨水斗至计算点的总水头损失（其中，L×R——沿程水头损失，Z——局部水头损失），kPa。

（6）排水系统最大负压不低于90kPa，具体根据工程建设现场的海拔、管材特性等条件而定。对于虹吸式雨水排水系统中的悬吊管，其压力Px(kPa)按如下方式计算：

式中：

Δhx——雨水斗顶面至悬吊管管中的几何高差，m；

Vx——计算点的流速，m/s；

ρ、g、∑（L×R+Z）的意义同公式（1）。

（7）管道的沿程阻力。

式中：

R——水力坡降；

λ——摩阻系数；

Dj——管道的计算直径，m；

V——流速，m/s；

g―重力加速度，9.81m/s2。

2.4 虹吸雨水排水系统中关键组成部分的安装

不锈钢雨水斗和管道属于本建筑工程虹吸雨水排水系统的重点施工内容，合理安装到位是系统得以正常运行的重要前提。安装中，天沟需保持平直，布设在同一天沟内的雨水斗的高度需一致，同时安装到位的雨水斗应有足够的稳定性。主体结构施工时，充分考虑雨水斗的安装要求，在主体结构上预留300mm的空洞，后续可经由该处将底盘安装到位，对于安装后存在的空隙，对其做有效的封堵，保证该部位有足够的严密性。防水卷材施工时间安排在封堵作业完成后，严格控制防水层的厚度，充分发挥出该结构的防水作用[2]。而后组织夹圈的安装作业，再安排找平，配套空气挡板和防护罩，共同增强防护效果。对于虹吸管道的安装，技术细节较多，需注重如下几点：

（1）管道与管件需紧密连接，同时连接部位不可残留油污以及其他杂质。

（2）测量熔体深度时，选用游标卡尺或其他精度较高的工具，规范操作，根据实测结果判断熔体深度的实际情况。

（3）焊接弯头时，作业人员严格依据设计图纸的要求操作，必须遵循图纸中的指示方向，同时设置清晰的位置标记。

（4）管道连接时，向加热套筒内将虹吸管道的末端直接插入，全程不对虹吸管道做旋转处理；将管件推至加热头处，直至其达到规定位置为止；为保证热熔效果，作业人员需严格依据规范要求控制加热时间，经过加热处理后，从加热头上取下管件，直接插入，使其达到预先设定的标记处即可，插入时不旋转管件，以免影响管道的密封性。

2.5 排水管道的排水性能试验

排水管道安装完成后，组织灌水试验，根据试验情况判断管道是否具有足够的严密性和顺畅性。在现阶段的虹吸式排水系统建设中，应用较为广泛的排水性能试验方法有如下三种：

（1）水容积增减的方法。对排水系统的立管出口部位做密封处理，根据排水区域的面积予以划分，形成独立的储水区；经过分区处理后，向出水区内加水，水深控制在0.5m以内；开启排水出口5s，并及时记录在随后30s内的屋面水面高度，根据实际测量数据展开计算，进而评估排水能力。

（2）管道流量计测量的方法。为测定水的流量，配套流量计，将其布设在排水系统出口干管的位置，再对出口做密封处理；根据排水区的面积划分出独立的储水区，向其中加水并使水深控制在0.5m以内；开启排水出口5s，及时记录30s的流量，根据仪表显示的数据进行计算，以所得结果为参考，评估排水能力。

（3）降雨观测的方法。考虑现场天气条件，选择降雨天气安排观测，根据测定结果计算，从而评估虹吸式雨水排水系统的排水能力。为保证计算结果的准确性，降雨量选用的是工程所在地区的气象部门监测数据。

2.6 虹吸式雨水排水系统的施工注意事项

（1）在虹吸式雨水排水系统的结构组成中，雨水斗的斗前深度不超过5mm较为合适，雨水斗离墙距离不少于1m，相邻两雨水斗布设间距不大于20m。

（2）根据建筑各部分结构适配合适规格的雨水斗，其中设有天沟、檐沟屋面，优先采用的是DN50～DN150的雨水斗，平屋面排水选用DN50或DN60型即可。

（3）于屋面或天沟的最低点布设虹吸式雨水斗。若排水系统连接多个雨水斗，需要将彼此间的连接管稳定接在悬吊管处。

（4）管道的连接方法根据管道类型而定，其中HDPE管采取焊接连接的方法；铸铁管可选择的连接方式主要有节套式连接和机械式接口连接；钢管施工中，诸如沟槽式连接、焊接连接等均是可选择的方法。无论采取何种管道连接方法，均要满足管道连接紧密、稳定的基本要求。

（5）天沟雨水斗安装期间，需要在建筑主体结构施工中设置的预留孔处将底盘安装到位，产生的缝隙用混凝土封堵，保证严密性。此外，雨水斗边缘与屋面的连接部位也应保持密封状态。在各项密封措施均落实到位后，安排防水施工，按设计要求控制防水层的厚度。为实现对管路系统的防护，在其安装完成后配套隔栅防护罩。

（6）施工人员严格依据图纸要求施工管道，将合适规格的管道布设至指定位置，其中以变径部位的位置较为特殊，与设计值的偏差需在±0.20m以内。在确认管道所处位置无误后，予以固定。

（7）管道转弯和交汇处的角度达到90°时，可能会由于角度较大而影响管道的流通状态，为此在转弯部位设双45°弯头，以此来保证水的高效流动。此外，密封性是排水系统实现虹吸功能的重要前提，因此需要严格依据要求将管道安装到位，再做全面的检查，保证各处均有足够的严密性。

3 提高虹吸式雨水排水系统高效排水的技术要点

3.1 保证水的持续流动

虹吸式雨水排水系统内的水流应有持续性，否则易影响到虹吸作用，抑制排水效果。而部分管道转弯部位的角度较大，不利于水的正常流动，管道流速的降低可能会导致虹吸作用被削弱。考虑到该问题，若水流存在90°的方向转变，需要注重对弯头部位的平顺处理，例如增设衔接管道，避免流速在短时间内大幅下降。若系统中存在90°的T型支管，此管道布设条件下若横管内的水高速流动，将由于管壁的阻碍而导致水的流速急剧降低，此时管壁将遭到过强的水流冲击作用，同时在水流撞击管壁后还将产生水流回流的现象，进而衍生出水塞问题，不利于排水管的正常运行，使虹吸作用受到严重的影响。为解决该问题，可适当增加管道的管径，也可在支管汇集部位设斜45°三通，此类措施均有利于调节管道内的水体流动状态，保证虹吸作用的有效性。

3.2 高度关注气水混合流的影响

系统管道存在虹吸作用时，管道内部水中溶解的气体会汇聚成气泡，以由于此类气泡的掺杂，并不能获得理想化的液体单相流。随着水的逐步流动，存在于其中的微小气泡有释放的迹象，但此时依然存在气水混合流，因此虹吸作用持续存在，排水系统仍具有一定的排水能力。系统内的负压也是影响管道水流态的重要因素，在负压过高的条件下，管道内的水以较快的速度流动，即此时存在气蚀现象，随着该现象的持续发生，金属管道易受到严重的损伤。不仅如此，较高的负压将迫使小气泡破裂，在此期间管道有强烈的震动现象，将对管道的耐久性造成不利影响。由于管道内气团的存在，将干扰系统的正常排水，虹吸作用减弱，充斥在管道内的水流较少，即水流的充满度不足，自然难以达到高效排水的效果。对比来看，管道内的中间部位存在气团时，水流主要沿管壁流动，此时建设的虹吸式雨水排水系统运行效果大打折扣，几乎与传统重力雨水排水系统相当，并不能取得良好的排水效果。

3.3 提升系统的完整性和严密性

雨水斗至管道系统间的各类排放系统应具有完整性，各组成部分需要保持紧密衔接的关系，在此前提下，才可以促进系统虹吸排水作用的持续发生，从而满足高效排水的要求。若配套的雨水斗有敞开的入口，受水流旋转的影响，空气将经由入口汇聚至排放系统内，由于管道内夹杂空气，管道内的虹吸作用削弱，虽然仍能够虹吸排水，但显然不具备过高的排水能力，甚至在进气量较大时其排水效果与常规的重力式排水系统相当。

工程建设中，为提升常规重力式排水系统的运行能力，通常对悬吊管的布设方式有特定的要求，例如按照2%的最小坡度安装到位，但对于虹吸式系统而言，其在此方面并无特定的要求，可以在坡度为0时进行安装作业，在此布设方式下，不存在重力势能的作用，系统难以正常排水。根据该虹吸式排水系统的管道布设特点可知，只有在雨水口的入口呈半敞开的状态时，才可实现对空气的阻隔，避免其进入系统内，保证管道内水的高效排放；斗前水深达到特定的要求后，才具备产生水封的条件，此时才能够有效地隔断空气，以此来建立起排水系统的虹吸作用。

需注意的是，除了阻隔空气进入入口外，还需要加强对系统管道的防护，避免空气进入其中。由此看来，提升系统的密封性极具必要性，要求建设成型的各管道均无渗漏现象。之所以存在此方面的要求，是因为虹吸时管道中存在压力流，管壁、承插口两部分均要承受压力作用，可能由于某处质量薄弱而出现渗漏；此外，若确实存在渗漏现象，将迫使管内的压力发生变化，进而干扰管道的虹吸作用，导致整个排水系统无法正常运行，虹吸作用减弱，排水效果变差。

4 结束语

综上所述，在建筑工程建设中，除了主体结构的建设外，配套高效的排水系统也尤为关键。在现阶段的建筑排水技术体系中，虹吸式雨水排水技术颇具代表性，其在解决屋面雨水排放问题方面有良好的效果，即便是在超高建筑中也依然具有可行性。虹吸式雨水系统的斗前水深较浅，在设计和施工得当的前提下，能够创造较高的虹吸效率，同时由于雨水的高效排放，还可减轻对屋面的负荷。放眼技术发展趋势，虹吸式雨水排水技术因其原理成熟、运行效果突出而得到广泛的应用，工程技术人员应予以高度的重视，结合建筑工程实际环境灵活应用，切实提高建筑的排水效果。