关于虹吸式屋面雨水排水系统天沟溢流问题的探讨及改进建议.pdf

第3 3 卷第7期 Vo1 _ 3 3 No 7 建筑施工 B U I L D I N G C 0 NS T R U C T I O N 关 于 虹 吸 式屋 面 雨 水 排 水 系统 天 沟溢 流 问题 的探 讨 及 改进 建 议 Di s c u s s i o n a nd I mpr o v e me nt Su g g e s t i o n o n Ov e r f l O 1 Pr o bl cDi s c u s s i o n a n l mp n Ov e r t l o w r o e m o f Ra i nwa t e r Gut t e r o n Si pho ni c Ty pe Ro o f Dr a i na g e S y s t e m 口 李永奎 ( 上海建 浩工程顾 问有限公 司 2 0 0 0 3 0 ) 【 摘 要】 虹吸式屋面雨水排水系统在国内大、中型项目中已经得到广泛应用，但在大暴雨天气仍存在天沟溢流等问题，为 此， 从虹吸式屋面雨水排水系统设计及施工中遇到的天沟溢流事故实例出发，对虹吸式屋面雨水排水系统设计施工中应当进一 步引起重视的问题进行探讨，提出了处理与改进建议。 【 关键词 】屋面工程虹吸雨水排水天沟 溢流 【 中图分类号】 T U B 2 文献标识码 B 【 文章编号】 1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 1 ) 0 7 0 6 1 3 0 3 随着国内各种大空间、 大容量、 多功能的公共建筑的兴 建( 如大剧院、 会展中心、 体育馆、 大型厂房等 ) ， 对屋面雨水 排放技术的要求也越来越高。 传统的排水方式已不能完全满 足现代建筑的需求， 而虹吸排水系统的应用是解决现代建筑 大面积屋面排水问题的有效解决方式。自2 0 世纪 8 0年代以 来 ， 虹吸式屋面雨水排水系统在国内得到了广泛应用， 特别 是在具有大型屋面的公共建筑或工业建筑中的实践应用， 均 取得了良好的排水效果， 系统运行良好。 1 虹吸排水系统工作原理 虹吸式雨水排水系统由防漩涡雨水斗、 悬吊管、 立管、 排 出管组成( 图 1 ) 。在降雨初期 ， 当屋面雨水高度未超过雨水 斗高度时， 整个排水系统工作状态与重力排水系统相同。随 着降雨的持续、 雨量的增加 ， 当屋面或天沟积水高度超过雨 水斗高度时， 防漩涡雨水斗能极大地减少雨水进入排水系统 时所夹带的空气量， 使系统中排水管道呈满流状态， 并利用 建筑物屋面的高度使雨水具有势能， 在雨水连续流经悬吊管 转入立管跌落时形成虹吸作用， 使屋面雨水在管内负压的抽 吸作用下以较高的流速被排至室外。 2 虹吸式屋面雨水排水系统中出现天沟溢流 问 题的探讨 虹吸式排水系统的基本计算理论依据为伯努利方程， 它 【 作者简介】 李永奎( 1 9 7 8 - ) ， 本科， 工程师。联系地址： 上海市 凯旋路 3 1 3 1 号 1 1 0 6室( 2 0 0 0 3 0 ) 。 【 收稿日期】 2 0 1 1 - 0 7 0 2 图 1虹吸 系统示意 是按照满管压力流设计并可有效控制管内雨水流速和压力 的屋面排水系统。 正因为该排水方式是通过精密的水力学计 算而确定雨水斗、 管材参数与尺寸的， 设计施工过程中任何 疏忽都可能导致系统达不到预期的排水能力， 导致天沟溢水 等事故发生。 2 1 虹吸式屋面雨水排水系统的设计流量。若未充分考虑 屋面材质、 坡度、 结构形式等因素 。 将导致设计排水流量不 足， 天沟形式、 雨水斗设置不合理。 天沟局部壅水溢流。 2 0 0 1 年设计施工的浙江省某沿海城市一大型公共建筑 的部分屋面( 图 2 ) ， 其不锈钢雨水天沟沿 B轴设置 ， 天沟宽 6 0 0 n l m ，有效深度为 3 5 0 m m， B轴上部为肋高6 5 m m的直 立锁边铝镁锰合金金属屋面， 以 7 = 4 4 名 的坡度坡向天沟( 汇 水面积 5 1 = 1 7 6 6 m ，因直立锁边铝镁锰合金金属屋面对雨 水流向的引导作用， 故图中阴影部分屋面的汇水面积不应计 算在内， 该区域雨水由另一虹吸系统排出) ； B 轴下部为玻璃 屋面( 汇水面积 =1 0 1 0 m ) 及宽度约 5 2 m的隐框磨砂玻 璃幕墙( 折算汇水面积 S 3 = 6 5 2 Il l ) ； 玻璃屋面被、 、 轴 划分为四个结构形式类似屋面区域 ， 以、 轴之间的屋面 6 1 3 第 7期 李永奎： 关于虹吸式屋面雨水排水系统天沟溢流问题的探讨及改进建议 7 1 2 0 1 1 区域为例， 玻璃屋面沿 B 轴方向以 卢3 O 名 的坡度由轴坡向 轴， 沿轴方向以 1 0 的坡度由A轴坡 向B轴。天沟内 设置了两套虹吸式屋面雨水排水系统， 系统 J的 4个雨水斗 集中设置在轴轴之间的水平天沟内，单斗设计流量为 2 1 6 L S ； 系统的 6 个雨水斗集中设置在轴轴之间的 水平天沟内， 单斗设计流量为 2 l I 6 L s ； 采用的设计暴雨强 度为百年一遇的 6 3 L ( S h m ) 。 图 2 某大型公共建筑局部屋 面示意 该屋面、 建筑外墙、 虹吸式屋面雨水排水系统刚刚完成 施工时， 恰逢台风及暴雨高发的夏季。 经过观察 ， 在不同降雨 强度下， B 轴天沟发生不同情形的溢流事故 ： 工况一 ： 小到中雨时天沟不溢流 ； 工况二 ： 降雨强度增 强， 在 B 轴与、 轴交叉处天沟发生局部溢流 ； 工况三 ： 当 降雨强度进一步增强时， B轴与、 、 、 轴交叉处天沟 均发生局部溢流 ； 工况四： 降雨强度再增强时， 、 轴之间 的天沟全面溢流 。 根据调查和原因分析，从屋面的结构形式我们不难看 出： 玻璃屋面沿 B轴方 向存在 f = 3 0 的坡度， 且外墙及屋面 材质均为玻璃， 水流阻力较小； 外墙的雨水汇集到屋面后会 同玻璃屋面的雨水迅速沿屋面坡度向、 、 、 轴汇集， 汇水时间大大缩短的雨水以大流量高流速的流态 中击天沟， 在天沟局部产生壅水现象， 这就是工况二、 三雨水外溢的直 接原因； 工况三中、 、 、 轴天沟局部溢流发生时的暴 雨强度大于工况二中、 轴天沟局部溢流发生时的暴雨强 度 ， 是因为、 轴较、 轴更接近虹吸式雨水斗 ， 且天沟 雨水流量相对较小 在工况四情形下， 、 轴之间的天沟全 面溢流 ， 而采用相同设计参数、 屋面材质( 铝镁锰合金金属屋 面 ) 、 坡度不同( 平均坡度 仁5 4 ， 基本无集中汇水或集中汇 水节点附近有虹吸式雨水斗排布)的另一屋面区域的天沟， 则从未发生溢流事故。因此我们通过计算进行进一步分析。 雨量校核计算 ： 口 D = 2 1 6 X( 4 + 6) = 2 1 6 L s 2 1 5 9 6 L S 式中 。 D 为本系统实际排水能力； 为雨水设计流量； q j 为设计暴雨强度 ，设计要求为 6 3 0 L ( S h m ) ； l f ， 为径流系 6 1 4 数， 取值为 1 ； F w 为汇水面积。 F 5 1 + + =1 7 6 6 + 1 0 1 0 + 6 5 2 =3 4 2 8 m 。 天沟实际排水能力计算： 0 r = X O 6 X 0 3 5 X 2 0 7 =0 4 3 5 m =4 3 5 L s 肛 = 0 6 +2 3 5_0 1 6 2 m “ 2 0 ” #L r 7 R 丁 0 _ 1 6 2 丁 O 0 0 7 -2 0 7 m s 式中 0 r 为天沟实际排水量 ； 为天沟断面面积 ； R为水 力学半径； b 为天沟宽度 ，设计宽度为 0 6 m； 为天沟有效 深度 ， 设计有效深度为 O 3 5 m； n为粗糙度， 取值为 0 0 1 2 ； 为 水流速度： f 为天沟实际坡度， 取最小值 0 0 0 7 。 由以上计算结果可见 0 ， ， 似乎不应发生局部 天沟全面溢流事故， 这与现场实际发生矛盾。但我们又不难 看出，雨水设计流量 q 在计算时出了问题 ，忽略了屋面材 质、 屋面坡度对汇水时间的影响， 即忽略了对屋面的宣泄能 力的考虑。因此雨水设计流量 q 应按照按下式进行计算： 吼 等 3 2 3 9 4 Ls 式中 为屋面宣泄能力系数。有关教学教材中， 要求当 屋面坡度小于 2 5 时， 取 1 0 ，当屋面坡度大于 2 5 时， K 取 1 5 2 0 ；行业内也有当屋面坡度大于 2 5 时 取 1 2 1 5的要求； 2 0 0 3 版的建筑给排水设计规范内同样提出 “ 当 采用天沟集水且沟檐溢流会流入室内时， 设计暴雨强度应乘 以 1 5的系数” 。故笔者认为该工程中 K 取值为 1 5 较为合 适， 计算结果如上。 改进措施与建议 ： 该工程 0 T ， 天沟尺寸符合要求， 不 需整改；天沟中部应增加排水设计流量为 1 0 8 L s 的溢流系 统， 才能达到原设计要求 ： 为防止天沟与、 、 、 轴局部 交叉部位发生壅水性溢流， 可在这几个部位的天沟中线位置 增加导流挡板， 对集中水流消能， 调整天沟水流流态； 虹吸配 水系统的雨水斗的布置应尽量靠近以上溢流部位， 即天沟汇 水量集 中部位。 2 2虹吸式屋面雨水排水系统的设计流量与室外雨水管网 排水能力不匹配。 排出管接入的检查井结构形式、 尺寸不合 理， 导致系统总水头损失增加 ， 系统排水能力下降， 最终引起 天沟溢水。 上海某大型展馆工程， 因屋面汇水面积大， 采用了多组 虹吸式屋面雨水排水系统， 且各个系统的相关设计参数( 汇 水面积、 屋面汇水坡度较小且一致、 设计暴雨强度、 雨水斗型 号、 管道系统形式与尺寸) 基本一致。在一次强降雨过程中， 其中一组虹吸式屋面雨水排水系统的天沟发生了大范围的 溢流， 而其它相同的系统却排水正常。 现场施工管理人员紧急处置时发现， 该虹吸排水系统排 出管接入的室外雨水检查井的井盖孔隙向外喷水， 移开井盖 后 ， 井内雨水大流量溢流到室外地表， 同时该系统天沟溢水 7 2 0 1 1 李永奎 ： 关于虹吸式屋面雨水排水系统天沟溢流问题的探讨及改进建议 第 7期 现象消失。经事后查看， 该检查井下游的管段并不存在堵塞 问题 ， 但管径偏小， 检查井本身规格尺寸较小。 原因分析 ： I ， 2v 一 = h x X P X g - x_ 一1 0 1 3 ( 1 x肛 z ) 1 I ， 2 l ， 2 肛A X 亩 若， Z = 孝 式中 P x 为管道内X点的负压值 ； 为 X点与系统泄 水 口的几何高差 ； 为相应计算节点的流速 ； 7 为管道长度； p为水 的密度 ： g为重 力加速度 ； d j 为管道的计算直径 ； A 为管道的摩阻系数 ； 亭为局部阻力系数， Z为管道局部水头 损失。 该检查井及下游管段的设计施工缺陷， 在排出管内水流 流速过高时， 致使检查井及其下游管段成为了虹吸式排水系 统排出管的一部分 ， 增大了管道长度 L的长度和管道局部水 头损失 Z ， 同时使得 变小。按照公式推算可知， 系统各点 的负压值降低 ， 系统虹吸能力下降， 水流速度减小， 系统排水 能力减低 ， 进而天沟发生溢水事故。另外由于检查井尺寸较 小 ， 在检查井内雨水满溢时， 排 出管流出的高速水流撞击井 壁后 ， 又以一个相反的速度在排出管内形成回流， 两股反向 的水流在排出管内 中撞， 形成水塞 ， 阻碍水流排放 ， 降低了虹 吸作 用。 改进措施与建议 ：一般虹吸式雨水排水系统的专业设 计人员应明确告知室外雨水管网设计人员， 虹吸系统排出管 的位置、 标高与流量 ， 以便进行配套设计 ； 排出管在接近检查 井时应进一步增大管径 ， 减小排出水流速度 ， 大流量的虹吸 系统排出管应尽量接入室外雨水管网的下游 ， 以减少土方开 挖量和减小管道投入量； 对每根虹吸系统排出管应单独设置 雨水检查井， 并进行专门设计 ， 使其平面净空尺寸不低于 1 5 0 0 m m x 1 2 0 0 il l m ， 同时采用钢筋混凝土一次浇铸而成 ， 当 排出内水流流速大于 2 5 m s 时， 应增设消能装置； 检查井应 采用铸铁井盖， 且设置不低于井盖总面积 3 0 的泄压孔。 2 3 虹吸屋面雨水排水系统因管材选择不对或误选 了不同 性能但规格相同管材混用， 导致立管吸扁、 天沟溢水。 目前国内用于虹吸式屋面雨水排水系统的管道， 主要包 括优质高密度聚乙烯管( H D P E管 ) 、 不锈钢管、 铸铁管、 镀锌 或涂塑钢管。管材的选择应根据不同建筑的特点和要求， 综 合考虑系统工作压力要求， 防火、 降噪、 安装便捷性和经济性 要求。 不论采用何种管材 ， 都要求虹吸排水系统采用的承压管 道、 管配件( 包括伸缩器 ) 和接口， 其额定压力不小于建筑高 度静水压 ， 并能承受 9 1 2 k P a的真空负压。管材供应厂应提 供管材耐正压和负压的检测报告， 但虹吸式排水系统排出管 管材可无耐负压要求 ， 因此， 要求具有不同负压承受能力而 规格相同的同种材质管材，在施工过程中必须严格区分、 分 开堆放 ， 管材上应有明显的标志予以区别。 相关案例 ： 上海市某外资公司厂房工程虹吸式屋面雨水 排水系统发生立管吸扁现象及屋面天沟溢水事故 ， 造成经济 损失近亿美元。在系统改造过程中发现 ， 原系统设计除存在 天沟截面尺寸过小的问题外 ，还存在给水 H D P E管材用于虹 吸式屋面雨水排水系统中的问题。给水 H D P E管材能够承受 较大的正压 ， 但在虹吸排水系统中却被吸扁 ， 尽管天沟实际 汇水流量未超出天沟的实际排水能力，溢水事故还是发生 了， 根本原因就是管材不符合要求。 在本文第二个案例工程中也发生了立管吸扁现象， 主要 原因就是现场施工人员误把用作排出管的 H D P E同规格管材 使用到了立管上。用作排出管的 H D P E管材价格较同规格能 用作立管的 H D P E管材低廉，管材承受负压能力也有较大区 别， 工程中应严禁混用。 2 4 关于虹吸式屋面雨水排水系统悬吊管敷设坡度问题。 国家行业标准化协会制定的 虹吸式屋面雨水排水系统 技术规程 中就该问题作了“ 悬吊管可无坡度敷设 ， 但不得倒 坡” 的要求， 也就是是说悬吊管可以具有一定的敷设坡度。 本 文认为在建筑物空间允许的情况下 ， 为避免悬吊管堵塞而导 致天沟溢水 ， 悬吊管应按照 0 3 - 0 5 的排空坡度敷设。 主要 原 因如下 。 首先， 大空间钢结构屋面结构会因自身和屋面荷载重力 作用产生绕变形 ，且这个变形达到稳定阶段需要一定时间， 悬吊管施工安装时如果水平设置， 就有可能在屋面绕变形稳 定后出现倒坡现象。 其次， H D P E悬吊管在安装时设有专用的管道固定系统 ， H D P E 管材的线膨胀系数约为 5 6 X 1 0 c C ， 为钢材的 5 倍 ， 在 较大温差情况下 ， 管道固定系统固定件之间的管道会因为热 膨胀变形应力及 自身重力双重作用下，产生向下的变形， 初 始水平安装的悬吊管会在局部出现倒坡。 最后， 当今许多公共建筑虹吸排水系统的设计重现期取 值越来越大， 设计重现期为 5 0年、 1 0 0年的虹吸雨水排水系 统屡见不鲜 ， 系统管径也相应较大。很多地区一年中多数时 间降雨强度不是很大 ， 整个虹吸雨水排水系统都是以重力流 方式排水， 水平敷设的悬吊管内雨水流速较低 ， 达不到最低 自清流速要求( 悬吊管内的水流速度 1 m s时， 系统具有足 够的自清能力) ， 雨水内的杂质会沉积凝结。 在厂区或燃煤的 北方地区， 杂质沉积凝结问题会更加严重， 对系统正常排水 能力产生不利影响。 3 结语 实践证明， 与传统的屋面雨水排水方式相比， 虹吸式屋 面雨水排水系统具有悬吊管无需坡度敷设、 降低管材的管径 及节省材料、 现场施工量减少、 节省安装空间、 管道具有自洁 能力不易堵塞等优点。 随着广大工程技术人员的深入研究及工程实践的增加 ， 虹吸式屋面雨水排水系统在设计、施工方面必将日臻成熟 ， 其天沟溢水问题亦将不复存在。 6 1 5