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虹吸式與重力式排水系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢性比較論文
摘 要：通過在廣州焙樂道食品有限公司新建14000平方米食品加工生產(chǎn)線及倉庫大面積屋面廠房中采用虹吸式排水的成功案例，以虹吸式排水和傳統(tǒng)重力式排水的比較分析，重點介紹了虹吸式排水這一新技術(shù)的特點和技術(shù)優(yōu)勢，以提高人們對這兩種排水方式的認(rèn)識，可供建設(shè)單位參考借鑒，以選擇最佳的建筑排水方案。
關(guān)鍵詞：虹吸式排水；重力式排水；廣州焙樂道
前言
虹吸式排水系統(tǒng)目前在國際上已經(jīng)具有30多年的應(yīng)用歷史，但在我國還是一種全新的建筑排水新技術(shù)，其應(yīng)用主要分布在華東、華南及北京地區(qū)等部分較發(fā)達(dá)地區(qū)的大型工業(yè)廠房、會展中心、體育場館、商業(yè)中心及高層裙房等跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的屋面。有了這些非常成功的工程案例，從此改變了人們對傳統(tǒng)的屋頂雨水排水僅限于那些懸掛在房屋外深褐色的鑄鐵管，而對建筑技術(shù)的迅猛發(fā)展給傳統(tǒng)的重力式排水技術(shù)越來越難以解決的復(fù)雜結(jié)構(gòu)或大面積屋面的排水難題，找到了一個更行之有效更先進(jìn)的工藝系統(tǒng)——虹吸式排水系統(tǒng)。以下根據(jù)在廣州焙樂道項目大面積輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房屋面虹吸式排水設(shè)計中的體會，淺析虹吸式排水系統(tǒng)的適用性和先進(jìn)性，認(rèn)為其具有廣闊的推廣前景。
1 工程概況
廣州焙樂道食品有限公司建設(shè)項目廠房建筑面積為14000平方米的大面積多跨度輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，廠房長度約200m，寬度為72m，由于廠房局部是單向排水，單跨度最大排水面積約2700平方米，屋面維護(hù)為彩鋼板屋面，天溝為鍍鋅鋼板天溝。因為廠房屋面單跨排水面積大，排水施工難度高，另外因食品廠房衛(wèi)生要求高，不允許室內(nèi)穿雨水管，利用局部屋頂高差，廠房雨水系統(tǒng)采用虹吸式雨水排水系統(tǒng)，雨水橫干管可以沿屋頂敷設(shè)，不用穿越廠房。本工程虹吸式雨水排水系統(tǒng)設(shè)計重現(xiàn)期取P=10年，其降雨強(qiáng)度：q=702.42L/s*ha；雨水斗采用虹吸式專用雨水斗，雨水斗與鋼天溝均采用焊接連接，保證系統(tǒng)的氣密性；雨水管采用HDPE高密度聚乙烯管，熱熔連接。
2 虹吸式排水系統(tǒng)工作原理概述
虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的最大改進(jìn)和技術(shù)進(jìn)步是具有良好整流功能的“虹吸式雨水斗”。在其額定設(shè)計流量時處于淹沒泄流排水狀態(tài)，不滲氣；設(shè)計排水量大；雨水斗淹沒泄流的斗前水深小。采用了虹吸式雨水斗的屋面雨水排水系統(tǒng)，相當(dāng)于從屋面上的一個穩(wěn)定水面的水池中泄水，排水管道處于全充滿的壓力流狀態(tài)，充滿度達(dá)到1.0，大大提高了流量；虹吸式屋面排水系統(tǒng)的管道在設(shè)計降雨強(qiáng)度下呈負(fù)壓，形成虹吸排水過程，達(dá)到最大限度提高流速的目的。
虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)管道內(nèi)設(shè)計狀態(tài)下的壓力分布與一般的重力式屋面雨水排水系統(tǒng)有明顯的區(qū)別。虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)自雨水斗連接管以下，管道內(nèi)呈負(fù)壓，在懸吊管與立管的交叉點處負(fù)壓最大，其后立管上的負(fù)壓減小，至臨界點負(fù)壓消失，管道內(nèi)的壓力為零，水流狀態(tài)轉(zhuǎn)為重力流。因此，雨水斗的進(jìn)水水面至臨界點總高度是有效作用高度，在設(shè)計計算中應(yīng)充分利用；另一方面對雨水斗至懸吊管的末端的總水頭損失應(yīng)有所限制，以控制懸吊管末端的最大負(fù)壓值。
3 虹吸式雨水斗的技術(shù)特性
虹吸式屋面雨水系統(tǒng)的設(shè)計工況是用足系統(tǒng)的排水能力，所以設(shè)計排水能力大。其組成部分設(shè)有溢流口、天溝、雨水斗、連接管、懸吊管、立管、過渡段及排出管。
虹吸式排水不同于重力式排水的主要特點在于必須采用虹吸式專用雨水斗，其規(guī)格有DN56～DN150等，能夠滿足工程的實際要求，全不銹鋼材質(zhì)，底盤置于屋面結(jié)構(gòu)中，上部設(shè)有進(jìn)水格柵，整流罩等。在降雨過程中，通過格柵蓋進(jìn)入雨水斗的屋面雨水落入深斗內(nèi)，斗內(nèi)帶孔隙的整流罩，使處于渦流狀態(tài)的雨水平穩(wěn)地以淹沒泄流流出進(jìn)入排水管虹吸式專用雨水斗最大限度的減小了天溝的進(jìn)水深度，使屋面承受的雨水荷載降至最小，同時又使雨水斗的出口獲得較大的淹沒水深，消除了在設(shè)計流量下工作時的滲氣現(xiàn)象，提高了雨水斗的額定流量。虹吸式雨水斗的額定流量是以不滲入空氣為確定原則，提出相應(yīng)的斗前水深，以DN50雨水斗為例，當(dāng)泄流量為6L/s時，斗前水深降至45mm，水流出現(xiàn)乳化現(xiàn)象，數(shù)量降至40mm，滲氣量為0.2L/s。虹吸式雨水斗的斗前水深不宜大于55mm。兩個雨水斗之間的間距不應(yīng)超過20m。
虹吸式排水系統(tǒng)需選用承壓金屬管材和接口，用承壓塑料管時應(yīng)能承受0.09Mpa以上的負(fù)壓。若采用鋼管還需有防腐措施。系統(tǒng)設(shè)置有一定要求，對匯水面積大于5000m2的大型屋面，宜設(shè)2組及以上獨立的系統(tǒng)單獨排出。不同高度的屋面、不同形式的屋面，宜采用獨立的系統(tǒng)單獨排出。塔樓側(cè)墻雨水和裙房雨水應(yīng)各自獨立排出。虹吸式屋面雨水系統(tǒng)的優(yōu)點就是管道敷設(shè)坡度小或無坡度，在大型屋面建筑中節(jié)省建筑空間。且管徑小，節(jié)省管材。
4 虹吸式與重力式排水系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢性比較
虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)，通過專用的雨水斗（虹吸式雨水斗又稱為壓力流雨水斗）和管道系統(tǒng)將雨水充分匯集到排水管中，排水管中的空氣被完全排空，雨水自由下落時管道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，使雨水的下落達(dá)到最大的流速和流量。它廣泛被應(yīng)用于大型廠房、展覽館、機(jī)場、運動場、高層裙房等跨度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的屋面。不僅解決了一些傳統(tǒng)重力式雨水系統(tǒng)無法做到的設(shè)計難點，而且在節(jié)省管材和施工量上，有著傳統(tǒng)重力流無法比擬的優(yōu)點。雨水的集中排放也為收集利用雨水資源創(chuàng)造了有利的條件。
傳統(tǒng)的雨水排放是將天溝中或屋面上匯集的雨水通過雨水斗、雨水立管、排出管排至雨水井。按重力流設(shè)計的系統(tǒng)采用重力式的雨水斗，雨水斗排水狀況是自由堰流，流入雨水斗的雨水會混入空氣，形成水、氣混合流，雨水斗的設(shè)計流量偏小，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，重力流屋面雨水排水管系的懸吊管應(yīng)按非滿流設(shè)計，其充滿度不宜大于0.8，管內(nèi)流速不宜小于0.75m/s，且坡度不宜小于0.5％，在遇到大屋面排雨水時需要較大的懸吊管管徑和坡降。同時為了在同一根雨水管上的各個雨水斗的雨水能夠正常排放，因而限定一根雨水懸吊管的雨水斗的數(shù)量不得超過4個，這也導(dǎo)致了雨水懸吊管和雨水立管數(shù)量的增加，同時增加了屋面荷載，也增加了工程的造價。重力流屋面排水系統(tǒng)受其水力特性的限制，造成排水立管多，管徑偏大，排水能力偏小，對于大面積工業(yè)廠房及公共建筑屋面排水系統(tǒng)則此種弊端更顯突出。而虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)，能提高屋面雨水排水的能力：懸吊管接入雨水斗的數(shù)量不受限制，節(jié)省了不少的雨水立管；懸吊管不需做坡度，安裝方便、美觀；系統(tǒng)按虹吸式壓力流計算可以減小選用管道的管徑；工程實踐證明可大量減少工程造價。對于大型、復(fù)雜屋面，虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)與重力式屋面雨水排水系統(tǒng)相比有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。
5 虹吸式屋面雨水系統(tǒng)的適用條件及缺點
虹吸式屋面雨水系統(tǒng)在大屋面雨水排水系統(tǒng)中，有其顯著的優(yōu)勢。但是也有其適用條件。因虹吸排水系統(tǒng)在形成虹吸之前要形成淹沒出流，雨水排水溝需要積累一定高度的水深。用于實際集水時間小于5min的屋面時會產(chǎn)生短時間屋面積水。這就有可能造成屋面泛水溢水，對溢流的依賴性也極高，系統(tǒng)必須設(shè)置溢流口。所以虹吸式雨水排水系統(tǒng)適用于短時間積水不會產(chǎn)生危害的大型、復(fù)雜屋面。對于屋面的天溝壁與屋面板之間的搭接縫無防水功能時也不適用，若需采用則需要論證。對于非大型、復(fù)雜的屋面不宜采用，因其經(jīng)濟(jì)性和安全性均無優(yōu)勢。因為系統(tǒng)特有的精確計算和管材節(jié)省反而造成了系統(tǒng)的高造價，使工程投資顯著增加，所以用于普通屋面的經(jīng)濟(jì)性差。且水力計算復(fù)雜，設(shè)計人員尚無法掌握計算手段。這也是虹吸式屋面雨水系統(tǒng)難以推廣的重要原因。
結(jié)束語
通過在雨水排水設(shè)計中對虹吸式排水和重力式排水的比較分析，總結(jié)出對于
大型、復(fù)雜的屋面雨水排水系統(tǒng)，虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的重力式雨水排水系統(tǒng)具有以下技術(shù)優(yōu)勢，認(rèn)為其將是未來大屋面雨水排水的發(fā)展方向：（1）比重力系統(tǒng)管徑小1/2至2/3；（2）減少立管和雨水斗數(shù)量；（3）橫管不需要坡度、管道走向靈活可根據(jù)各種設(shè)計要求設(shè)置，雨水斗布點靈活；（4）最小的地面開挖工作，雨水井少，施工簡單快捷；（5）最大限度地減小天溝的進(jìn)水深度、系統(tǒng)壽命長；（6）水流速度快具有自潔管道功能、可節(jié)省大量維護(hù)費用。
參考文獻(xiàn)
[1]中國建筑設(shè)計研究院.建筑給水排水設(shè)計手冊第二版（上冊）
[2]姜文源.虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)要點剖析[Z]
[3]虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程CECS183:2005版轉(zhuǎn)
[4]GB 50015-2003 建筑給水排水設(shè)計規(guī)范（2009年版）
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