虹吸式屋面雨水排水系统的应用及安装技术要点分析

虹吸式屋面雨水排水系统的应用及安装技术要点分析

陶冬云

昆明建设咨询监理有限公司650100

摘要：虹吸式屋面雨水排水系统是一种重要的排水系统，对保障建筑物的使用寿命，维护居民的切实利益，具有十分重要的影响，随着建筑业的不断发展，虹吸式屋面排水系统也得到了广泛的应用。

关键词：虹吸式；屋面排水系统；安装

虹吸式屋面雨水排水系统是利用具有良好整流功能的虹吸雨水斗承接屋面坡集到天沟的雨水，在处于额定设计流量时系统呈淹没泄流排水状态，不渗气，雨水斗淹没泄流的斗前水深小，自雨水斗连接管以下，管道内呈负压状态，在悬吊管与立管的交叉点处负压最大，其后立管上的负压减小，至临界点负压消失，管道内的压力为零，水流状态转为重力流。

1、虹吸式屋面雨水系统组成及一般情况

虹吸式屋面的雨水排水系统由虹吸式雨水斗、雨水悬吊管、雨水立管、雨水埋地出户管(排出管)、检查井等组成,如下图1。

1.1虹吸式雨水斗。虹吸式雨水斗的设计是整个虹吸系统能否按设计要求工作的关键所在，它的稳流性越好，产生虹吸所需的屋面汇流高度越低，总体性能越优越。虹吸式雨水斗由防叶罩、防涡流装置、斗体等组成。在雨水斗设置中，屋面雨水排水管雨水斗至过渡段流速水头之和，不得大于雨水斗至过渡段的几何高差；各雨水斗至其过渡段的水头损失允许误差应小于5kPa，一般来说雨水斗之间的距离不能大于20m；雨水斗离墙至少1m；雨水斗顶面至悬吊管管中的高差不宜小于1m。

1.2悬吊管、立管、雨水出户管。悬吊管要无坡度，同一系统的雨水斗应在同一标高层上，穿墙和楼板时，应设置金属套管；跨越伸缩缝时，应设置伸缩器或金属软管。为了提高虹吸作用，立管管径应适当缩小，立管应设置检查口，检查口中心宜距地面1.0m。雨水出户管的设置中，出户管的末端要比出户管放大两号管径。

图1虹吸式屋面雨水排水系统示意图

虹吸式屋面的雨水排水系统是一种按虹吸满管压力流原理设计,可有效控制管内雨水流速和压力的屋面排水系统,其管内压力和水的流动状态是不断变化过程,其一般工作情况

为:

在降雨初期雨量一般较小,系统雨水流动状态从重力流方式开始,先处于波浪流和脉冲流流态。随着雨量增大,斗前水深逐步增大,系统流态逐步过渡到活塞流和泡沫流,并间隙性出现虹吸满管压力流流态。虹吸的形成使系统排水能力突然增大,斗前水深又会回落,系统重新回到重力流方式。这种变换会持续一段时间直至降雨量进一步增大,斗前水深趋于稳定,系统渗气量进一步减少,从而进入稳定的虹吸满管压力流流态。在建筑给排水工程中把这种具有虹吸排水系统能力的屋面雨水排水系统称为虹吸式屋面雨水排水系统,其机理图如图2所示

图2虹吸式屋面雨水排水系统机理图

在比较小的降雨强度或降雨过程的末期,降雨量减小,雨水斗前淹没水位降低到其一定的值,雨水斗开始有空气渗入,排水管道内的真空被破坏,排水系统从虹吸流的工况转向重力流。总之在整个降雨过程中,随着降雨量的增加或减小,虹吸式雨水管内的压力和水流状态会出现反复变化的情况。

2、虹吸式屋面雨水排水系统工作原理

2.1系统原理

虹吸式屋面雨水排水系统利用伯诺里方程，经周密的计算充分利用屋面与地面高差产生的能量形成虹吸作用，系统在满流状况下快速排泄雨水，屋面雨水斗至雨水排出口的几何高度差所获得的势能系统的排水动力。在降雨过程中，当屋面积水达到一定高度时，依靠特殊的雨水斗设计，可实行汽水分离，从而使雨水立管保持满流状态，利用建筑物的高度和落水具有的势能，在管道中形成局部真空（负压），从而快速排出屋面雨水。

图3压力流（虹吸式）屋面雨水排水系统

2.2该系统排水过程主要包括五个阶段

管道系统内雨水充满度小于60%时，系统为重力流，管道内压力接近大气压，系统的流态从第一阶段的波浪流变成第二阶段的脉冲流；充满度达到60%～100%时，管道系统内的水流变成第三阶段的水气混合的泡沫流；当降雨量进一步增大，系统内达到第四阶段的压力满管流，雨水流速明显加快，此系统的排水能力达到设计能力；在降雨最高峰时，降雨量还可能会高出系统的排水能力，过量的雨水需要通过紧急溢流系统排放走，即第五阶段。

图4虹吸式屋面雨水排水系统压力水头分析

2.3虹吸式系统的压力分析

当系统在设计工况运行时，雨水斗前（1～2段）通常有较小的压力水头；在雨水斗连接管（2～3段）上通常呈较小的负压；雨水悬吊管（3～4段）内负压不断增大，并在其与立管的交叉处负压达到最大；雨水立管（4～5段）内的负压值将减小至零，继而出现逐渐增加的正压值，在立管底部正压值达到最大值；雨水排出管（5～6段）压力水头在该管段内逐渐被消耗，至排水井处与大气相通，管道的压力水头降为零，雨水斗的进水水面至排出口的总高度差，即有效作用水头全部用尽。为了保证系统的可靠运行以及便于后续对设计的修改，一般保留系统有一定的余量（节点6处），而非将压力水头耗尽。

3、屋面虹吸式雨水排水系统安装技术要点

虹吸式屋面雨水排水系统施工安装，是一项技术要求比较高的工作，施工人员必须是经虹吸系统安装技术培训，合格的熟练技术工人。安装时确保雨水斗与屋面材料间的接头性能良好、紧密连接，做到严密不漏。雨水斗位置的设计应符合相应规定，严格按照设计的管路长度、管径及相应要求准确安装。

3.1设计要求

（1）虹吸式屋面雨水排水管系雨水斗至过渡段总水头损失与过渡段流速水头之和不得大于雨水斗至过渡段的几何高差。

（2）雨水斗顶面至悬吊管管中的高差不宜小于1m。

（3）雨水斗顶面至过渡段的高差在立管管径小于等于DN75时宜大于3m，在立管管径大于等于DN90时宜大于5m。

（4）悬吊管设计流速不宜小于0.75m/s，立管设计流速不宜小于2.2m/s，不宜大于10m/s。

（5）虹吸式屋面雨水排水管系过渡段下游的流速不宜大于2.5m/s，当流速大于2.5m/s时要有消能措施。

（6）各雨水斗至过渡段的水头损失允许误差应小于5kPa。

（7）系统内的最大负压计算值应根据安装地的海拔高度、管道材质、管材和管件的最大、最小工作压力等确定，但不应低于90kPa。

（8）过渡段下游管道应按重力流雨水排水系统设计。

3.2虹吸式屋面排水系统对管材的要求

采用虹吸式屋面雨水排水系统对管材的承压能力要求高，由于系统管道的重量需由建筑结构承担，所以在保证系统虹吸系统施工稳定、安全、高效工作的前提下减小管道系统的重量，尤其是一些大型钢结构屋面的虹吸式排水，合理地选择管材能减少屋面结构的用钢量；管道密闭性能好，许多虹吸屋面排水系统的事故都是由于管路系统的密闭性能差而造成的；管道具有良好的吸收震动特性，存在多种流态混合交替，又会出现重力排水与虹吸排水的转换，而在转换的过程中会产生较大的震动，因此为了保证安全稳定的运营，要求管道具有良好的吸收震动特性。

3.3雨水斗安装

在屋面结构施工时必须配合土建预留孔洞，将雨水斗座连同保护螺丝预埋在设计位置中，进水口应水平安装，高度应保证天沟内的雨水能通过雨水斗排净，雨水斗其边缘与屋面相连处应严密不漏。

3.4悬吊系统及支架的安装

悬吊系统采用新型管道固定装置，为工厂生产的成品，包括悬吊系统所用的热镀锌方钢、安装片、吊杆、滑动管卡、固定管卡、方钢的连接件等固定件。在安装管道系统之前，按照设计位置把固定系统安装好，其实就是固定件的组合过程，大大提高了安装的便捷性。首先，对悬吊水平管道的悬吊系统按照设计的数量和位置先把安装片焊接在钢结构上；钢筋混凝土结构，用膨胀螺栓把安装片固定在钢筋砼上，用螺杆、管卡紧固装置把型号为40×40×2.0的热镀锌方钢管固定起来，水平度调整至符合设计要求，进行水平管道的安装。在悬吊管上间隔≤5米设置一个固定卡，与悬吊方钢固定，不可移动。对于立管的固定装置，同样按照设计要求和规范规定把安装片固定在柱子或墙壁上，再进行立管管卡的安装。

具体步骤为：

（1）根据管道走向确定悬吊支架位置，拉通线，确保安装支架平直。

（2）根据设计要求确定支架数量，将安装片固定。

（3）安装片通过m10吊杆及方钢卡子与悬吊方管连接。

（4）按设计要求使用管卡，将预制好的悬吊管固定在悬吊支架上。

3.5HDPE管道安装

（1）清洗管材管口部分内外表面，清洁无污染；

（2）使用热熔机热熔连接管道及配件（热熔机使用必须使用严格遵守操作规程）。

（3）把连接的管材根据其规格选用相应的夹具，并固定在热熔焊机的熔接架上，连接的管的管道边距其靠近的夹具30－50mm为宜；

（4）将刨刀放在连接的两管之间，固定在熔接架上，打开油压开关和刨刀电源开关，对管口进行刨口，直至管口断面垂直于管道的中心线为止，关掉油压开关和刨刀电源，取掉刨刀。

（5）加热：把加热板放在要连接的两管之间，固定在熔接架上打开油压开关使两管口紧贴在加热板上，调节焊机的加热温度，打开加热板的电源开关，给管进行加热，管壁厚度在4.3－14.2mm时，加热温度为210℃－220℃，管壁厚度在15.9－30m时，加热温度为250℃，当温度达到调节值时，关掉油压开关和加热扳电源开关，停止加热，取掉加热板。

（6）熔接：打开油压开关，在5—6秒内把要连接的管熔接在一起，熔接完成好的管道一般要冷却20分钟左右。

3.6灌水试验

（1）雨水管道系统安装完毕，堵住所有雨水斗，向屋面及天沟灌水。水位淹没雨水斗，持续1h后，观察到雨水斗周围屋面无渗漏现象。

（2）将雨水管道排出口用管堵封死，分系统进行灌水，灌水高度达到每根立管上部的雨水斗。灌水试验持续1h后，观察到管道及所有连接处无渗漏现象。

3.7排水管道闭水、通水试验

①排水管安装后，必须按规范程序进行闭水或通水试验试验，出口用充气橡胶堵封闭，试验结果必须符合设计和施工规范要求。试验要求如表1。②室内排水管道闭水试验在吊顶管道隐蔽封顶前和埋地管道回填土前进行，室外排水管道在安装完成后进行闭水试验；③闭水试验前，将各预留口堵严，在系统的最高点留口灌水，由灌水口将水灌满后按设计和规范要求的时间对排水管道的管材、管件及接口进行检查；④吊顶内管道的闭水试验应在下一层主管检查口处用橡皮气胆堵严，由本层留口处灌水试验。

4、虹吸排水系统的应用与发展

自从本世纪初我国建筑业便普遍采用虹吸排水系统。特别是在一些大型项目，如机场、厂房、体育场、游泳馆、展览馆等建筑中的实践应用均取得良好的排水效果，而且至今系统运行良好。

在现在，无论是城市建设，还是大型的企业建设、大量的工业厂房、仓库建设，抑或是代表文化发展的各种文化建筑，无不需要应用到虹吸排水的系统。由此可见虹吸排水的未来是非常广泛的。特别是中国的南方城市，降水量比较大，而且，在雨季时候，降水量大且集中，这就使得房屋建筑的排水工作力度加大，而虹吸排水的系统比以前的传统的重力式排水系统，排水效率更高，安装更加的便捷，同时对建筑的破坏部分更少。另一个方面，南方城市，也开始大面积的发展，这样整个城市的发展，促进城市建设加快，其潜在的虹吸排水系统应用的市场也被大量的开发了出来。同时，虹吸排水的系统，经过不断的发展及实际的不断应用，系统已经不断的被完善、改进。

随着科学技术的发展进步，新型建筑材料的出现和采用，人们对建筑的实用性和外形美观越来越高。在屋面排水方面，虹吸排水系统具有广泛的发展前景和价值，尤其是在面积较大的建筑屋面，虹吸排水系统不仅能够解决传统排水系统无法克服的技术难点，而且在节省人力物力、外形美观等方面有着无法比拟的优点。相信在将来的很长一段时间内，虹吸排水系统仍将是屋面雨水排放的重要手段。

5、结语

虹吸式屋面雨水排水系广泛应用于大型厂房、展览馆、机场、运动场、高层裙房等跨度大、结构复杂的屋面,它不仅解决了一些传统重力式雨水排水系统无法做到的设计难点,而且在节省管材和施工质量上,有着传统重力流无法比拟的优点。雨水的集中排放也为收集利用雨水资源创造了有利的条件；系统具备自洁能力及迅速排水能力,效果显著,因此,在今后工程中应大力推广使用。

参考文献

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