虹吸式屋面雨水排水系统设计方法探讨

虹吸式屋面雨水排水系统设计方法探讨

韦宇

华南理工大学建筑设计研究院广东广州510000

摘要：虹吸式屋面雨水排水系统因为其突出的优点得到了广泛的应用。本文说明了虹吸式屋面雨水系统传统设计方法的缺陷，用更为可靠的计算方法来计算屋面雨水排水系统的水力状况，考虑各因素对系统造成的影响，实践效果说明，精确计算方法得出的结果合理性更高，为虹吸式屋面雨水排水系统设计的发展做出了贡献。

关键词：虹吸式屋面雨水系统；节点压强；精确计算方法

0引言

随着我国经济的不断增长，建筑建设项目越来越多，屋面排水的设计显得十分重要，虹吸式屋面雨水排水系统得到了广泛应用。但是由于传统的设计方法没有全面考虑各个因素，计算方法存在一些问题。因此如何探究更好的虹吸式屋面雨水排水系统设计方法成为了设计人员需要解决的问题。下面就此进行讨论分析。

1虹吸式雨水系统设计方法

对排水系统进行合理的水力计算是系统设计的重要环节。水力计算是根据雨水系统中各管段的管径和管长，计算各节点处的压力水头，以校核:

（1）系统的最大负压值；

（2）不同支路计算到某一节点的压力差；

（3）系统出口压力余量。

如果不符合要求，则应对管径做适当调整，必要时对系统重新布置，重新进行水力计算直至满足校核要求为止，以保证所设计的系统能够正常运行。计算系统某断面处管内压力的常用方法为:在

雨水系统中选取一根水力计算管路，通常为连接最远端雨水斗至埋地干管的管路，以雨水斗平面和各节点计算断面列能量平衡方程:

(1)

若以雨水斗面为基准面，即Z0=0，则雨水斗面(即0断面)的总能量为0，hw0－i为计算管路中雨水斗至i节点的水头损失。将式(1)简化可得:

(2)

式中Pi——i断面处管内的压力，kPa

Hi——雨水斗顶面至i断面的高度差，m

vi——i断面处管内流速，m/s

Σhi——雨水斗顶面至i断面的总阻力损失，kPa

算出各节点的计算压强。

上述方法对于单斗雨水系统是适用的，但对于广泛使用的多斗雨水排水系统则存在一定的局限性，该法没有考虑到悬吊管中各节点均有连接其他雨水斗的支管汇入，对计算节点处的压强会造成一定影响，使得计算结果与实际情况存在误差。

笔者拟对虹吸式屋面雨水系统进行精确的水力计算，根据恒定总流的能量方程，对有支流汇入的节点前后断面列能量平衡方程，从雨水斗平面开始依次顺序地求出各节点压强，即第i节点是由第i－1节点计算得出。计算示意图见图1。

图1支流汇入示意图

图1中有两支汇合的水流，其每支流量分别为Qi－1与Qk，根据能量守恒定律，从i－1断面及k断面在单位时间内输入的液体总能量，应当等于i断面处的总能量加上两支水流的能量损失，计算公式:

式中hw(i－1)－i——计算管路i－1断面至i断面的阻力损失，kPa

hwk－i——计算管路k断面至i断面的阻力损失，kPa

图2虹吸式屋面雨水系统平面布置

图3虹吸式雨水系统水力计算

式中的阻力损失均包含沿程水头损失和局部水头损失。其中沿程水头损失按海曾－威廉公式计算，局部水头损失按下式计算:

(4)

式中v——管段内的流速，m3/s

ξ——局部阻力损失系数

2实例计算

某建筑屋面长为100m，宽为60m，面积F=6000m2，悬吊管标高为12.6m，设雨水斗的屋面标高为13.2m，排出管标高为－1.30m。屋脊与宽平行，取设计重现期P=5a，5min暴雨强度为429L/(s•hm2)，管材为内壁涂塑离心排水铸铁管，设计压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统。

2.1计算过程

由于常规方法与精确计算方法在设计的前6步相同，笔者将在第7步对两种方法分开计算，在第8步对计算结果作对比分析。虹吸式雨水系统计算：

（1）屋面设计雨水量Q=ΨFq5/10000=231.66L/s。

（2）选定雨水斗口径，确定数量及布置方式。选用75mm压力流(虹吸式)雨水斗，单斗的排水量Q=12L/s，所需雨水斗数量为19.31个。取20个，每侧10个分成两个系统，每个系统5个，雨水斗间距为6m，设计重现期略大于5年。

虹吸式雨水系统平面布置图见图2，水力计算草图见图3。

（3）系统可利用最大压力E=9.8H=9.8×(13.2+1.3)=142.1kPa。

（4）计算管路的等效长度L0=1.2L=1.2×52.1=62.52m。

（5）估算计算管路的单位等效长度阻力损失R0=E/L0=142.1/62.52=2.273kPa/m。

（6）估算悬吊管的单位管长的压力损失。系统最大负压发生在悬吊管与立管连接处，安全起见，系统最大负压值取－70kPa。

悬吊管等效长度LX0=1.4LX=1.4×28.0=39.2m。悬吊管的单位管长的压力损失RX=70/39.2=1.786kPa/m。

（7）初步确定管径，进行水力计算。根据最小流速的规定，参考悬吊管的单位管长的压力损失，查虹吸式雨水管道水力计算表，初步确定管径值。

2.2计算结果分析

由水力计算结果可以看出:

采用常规计算方法，最大负压发生在节点8，负压值为－40.03kPa，最大正压发生在节点10，正压值为43.56kPa，节点4、节点5、节点6、节点7处有支管汇入，4个节点的压力差分别为－2.07、0.50、－3.52、－11.80kPa，排出管口余压为43.56kPa。

采用精确计算方法，最大负压发生在节点8，负压值为－42.34kPa，最大正压发生在节点9，正压值为53.85kPa，节点4、节点5、节点6、节点7处有支管汇入，4个节点的压力差分别为－1.79、1.50、－2.98、－9.80kPa，排出管口余压为47.70kPa。

计算结果的对比分析:

（1）两种方法计算结果，管内压力的变化趋势基本一致，最大负压都发生在节点8处，即悬吊管与立管连接处，这是符合实际的；

（2）两种方法计算得到的节点1～3压强是相同的，这是因为节点1～3无支流汇入，列能量平衡方程是一致的；

（3）两种方法计算得到的最大正压值有显著差异，精确计算方法在节点9即雨水立管与埋地干管连接处产生最大正压，更符合实际情况。且精确计算得到的最大正压值较常规方法高出23.62%，这表明常规计算方法得到的最大正压值比实际情况显著偏低。

3结语

综上所述，虹吸式屋面雨水排水系统的常规计算方法不能全面地进行计算，只考虑到了一根计算管路，没有考虑到其他因素的影响。使用上述更为精确的计算方法来模拟虹吸式雨水排水系统的水力状况，考虑到了各方面因素的影响，符合实际情况，值得我们推广应用。

参考文献

[1]王玉龙.浅议虹吸式屋面雨水排水系统设计[J].水务世界，2013年第2期.

[2]熊曦，归谈纯.虹吸式屋面雨水排水系统沿程水头损失计算探讨[J].给水排水，2010,36(7).