压力流雨水排水系统在大型屋面中的应用

随着时代的前进和建筑技术的不断发展，大空间、大容量、大面积的公共建筑、工业厂房、库房的需求量将越来越大，这就要求在降雨时屋面蓄积的雨水在短时间内能迅速排出，传统的重力流排水系统若要达到这一要求就必须增加雨水斗数量及立管根数，加大立管径；而采用压力流雨水排水系统，系统管道中雨水流态为满流有压状态，排水量大，排水迅速且立管根数少，管径小，能够最大限度满足建筑的使用功能并且解决大型屋面雨水排水所带来的压力。
1 屋面雨水排水系统简介
1.1 重力流雨水排水系统
1.1.1 工作原理
传统的重力流排水系统为一般工程较常采用，由普通雨水斗，悬吊管、立管、埋地管及出户管等组成。其工作原理是利用屋面雨水本身的重力作用，由屋面雨水斗经排水管道自流排放。重力流排水系统由于是按非满流无压状态设计的，是否能迅速排除雨水依赖于排水横管的坡度。传统重力流排水系统原理图如图1。
1.1.2 重力流排水系统的特点
重力流排水系统具有以下特点：①排水管的管径较大；②按规范要求，悬吊管充满度不大于0.80，管内流速不宜小于0.75m/s，且排水坡度不小于0.5%，因此会占据较多的建筑空间；③系统使用立管的数量也较大；④雨水斗数量相对较多，增加了屋面荷载；⑤适用性和灵活性较差；⑥连接各立管的埋地管数量多，地下工作量较大；

1.2 压力流雨水排水系统
1.2.1 工作原理
    压力流排水系统的原理是根据伯努利方程，通过精确的水力计算，利用屋面雨水斗与排出管之间的几何高差，当降雨强度达到设计值时，管道内呈满流状态，雨水从水平管（悬吊管）转入立管跌落时管道内形成负压，产生虹吸作用。压力流排水系统原理图如图2。
1.2.2 压力流排水系统的特点
压力流排水系统是按满流有压状态设计，是多斗压力流排水。相对与重力流排水系统具有以下优越性：①降雨初期系统为重力排水，随着雨量的增加，形成虹吸现象，最终雨水管内达到满流状态；②由于连续不断的虹吸作用，整个系统得以快速排放屋面雨水，并且排水噪音小。③排水系统为单相满管流，可减少管道直径和数量；④压力排水系统管道均按满流有压状态设计，雨水悬吊管可做到无坡度敷设，有利于建筑空间的充分利用。⑤由于排水管道减少，室外雨水检查井数量亦相应减少；⑥减少下水道连接管和埋地管，地下部分工作量少；⑦采用同样排水管材，压力流比重力流节约工程造价。
2 工程实例
2.1 工程概况
某大型厂房建筑，结构形式为二层框架及单层排架组合型结构，排架结构采用轻钢屋架压型钢板屋面。建筑高度为14.55m，建筑面积为10704.10m²。屋面中跨雨水汇集至雨水天沟，采用内排水方式排至室外。其内排水部分整个屋面的天沟都设置在屋面的中部，天沟宽3.00m，长96.53m。其屋顶局部平面图见图3。
图3  屋顶局部平面图
2.2 设计参数
该建筑屋面雨水排水设计参数如下：
①屋面内排水部分汇水面积为：F=6500m²;
②屋面坡度为：i=3%；由于i=3%>2.5%，则屋面蓄积能量系数取值为：K₁=2.0；
③由于该建筑是重要工业建筑物，因此重现期取P=10年；
④降雨历时取T=5min；
⑤屋面径流系数Ψ=0.9；
⑥该地区屋面暴雨强度公式为：i=
⑦将P=10，T=5带入上式得到i=2.7mm/min=162mm/h，因此q_j=167i=450.9（L/s.ha）=0.045（L/s.m²）。
2.3 方案比较
2.3.1 重力流排水系统
该工程若采用重力流排水系统，在屋面（见图4）沿A~U轴分别在12轴和13轴布置普通雨水斗，采用单斗系统，单个雨水斗的汇水面积F_d=35.10×3.00=105.30m²,因此单个雨水斗的泄流量为：
q_d=K₁×#p#分页标题#e#=9.47 (L/s）
选择79型DN100雨水斗，其额定流量为12.00L/s，满足要求。复核雨水斗：根据《给水排水系统手册》第二册表5-11，单斗系统当雨水斗径为DN100，i=162mm/h时，最大汇水面积558.00m²>f=213.30m²，因此该雨水斗满足要求。
根据《给水排水系统手册》第二册表5-14，选择DN100的排水立管，其最大汇水面积为680.00m²>f=213.30m²，其最大排水流量为19.00L/s>q₁=9.47L/s，满足要求。
重力流屋面雨水系统的埋地管可按满流排水设计。选择DN400，i=0.006的埋地管，其最大汇水面积为5393.00 m²>5265.00 m²,满足要求。重力流雨水排水系统图见图4。
图4  重力流雨水排水系统图
2.3.2 压力流排水系统
该工程若采用压力流排水系统，雨水斗的布置位置同重力流，沿I~J轴分别在12轴和13轴布置压力雨水斗，单个雨水斗的泄流量和重力流时相同，q_d=9.47 L/s。选择DN50压力流雨水斗，其额定流量为6~18L/s，满足要求。
压力流屋面雨水系统的水力计算应符合《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003(2009年版)第4.9.24条的规定。按照水力计算要求，进行压力雨水系统的系统计算。其压力流雨水排水系统图见图6，压力流雨水设计数据见表1。
图6  压力流雨水排水系统图

表1  压力流雨水设计数据表

悬吊管与雨水斗设计高差（m）			1.30
管段	各段管径（mm）	悬吊管各段流速（m/s）	各段水头损失（m）	各段水头损失差（m）
1~2	100	1.20	0.18	/
2~3	125	1.55	0.22	0.04
3~4	150	1.61	0.19	0.03
4~5	200	1.21	0.076	0.11
5~6	200	1.51	0.12	0.044
6~7	200	1.82	0.18	0.060
7~8	200	2.12	0.24	0.060
8~9	250	1.55	0.092	0.15
9~10	250	1.74	0.12	0.028
10~11	250	1.94	0.15	0.030
11~出口	300	1.47	/	/

注：上表各管段数据按高密度聚乙烯（HDPE）管计算。#p#分页标题#e#
从上表可以看出，悬吊管各段流速>1m，立管流速2.42m/s<10m/s,各段水头损失差<5 kPa，悬吊管总水头损失为31 kPa<80kPa，满足压力流计算的要求。
2.4设计结果对比
根据以上两种流态屋面雨水的设计结果，将两种不同雨水排水方式进行比较，结果见表2。
表2  两种流态雨水排水对比表

对比项      设计流态		重力流		压力流
雨水斗	规格（mm）	DN100		DN50
	数量（只）	10		10
雨水立管	规格（mm）	DN100		DN250
	数量（根）	10		1
雨水管道 (主要部分)	规格（mm）	DN100	DN400	DN50	DN200	DN250
	数量（m）	165	110	13	24	22
室内排水检查口井	数量（个）	4		0
天沟下空间使用效率		小		较大
室内地下工程		多		很少

从以上分析结果可以看出：①压力流排水雨水斗及其连接管都比重力流排水小；②雨水立管压力流排水只有1根，而重力流排水有10根，从而减少施工量，减少造价；③雨水管道数量重力流排水比压力流多，增加工程造价；④由于压力流排水室内埋地管极少，并且无室内检查口井，极大减少了工程造价；⑤由于重力流雨水系统天沟下有10根雨水立管，所以其空间利用率上比压力流系统差。
3 压力雨水系统设计注意事项
屋面压力雨水系统目前在我国应用较少，根据目前个人压力雨水系统的设计及现场经验，在其设计中要注意以下注意事项：
①压力雨水斗的设计流量应由雨水斗产品的水力测试确定，设计流量不得大于经水力测试的最大流量。
②系统计算一定要符合2.3.2节中的各段流速、压力差等要求，否则将影响排水效果，甚至达不到屋面雨水的排水要求。
③考虑雨水斗及立管位置时，一定要注意雨水立管的位置，大多数的轻钢型屋面的雨水天沟下面常有 “钢性系杆”，边跨的柱子之间有“上弦支撑”或“下弦支撑”，这种“钢性系杆”或“支撑”阻挡雨水立管不能布置，因此在雨水斗留洞时要和建筑结构专业协调雨水立管的位置，也可通过加宽雨水沟宽度或者偏移雨水沟位置来解决。
④布置雨水斗时，应以伸缩缝或沉降缝作为天沟排水分界线，否则应在缝的两侧各设一个雨水斗。
⑤压力流排水系统排水时由于负压抽吸和被压缩空气泡体积和压力的变化，水流动时管道会有震动，因而要求采用承压要求较高的管材，并且管道必须保证完全的密封性和完备的防火措施。
⑥要考虑溢流口的设置，以保证当超设计重现期的暴雨来临时，建筑物能安全并运作正常。
4  #p#分页标题#e#结束语
综上所述，通过对重力流排水系统和压力流排水系统的对比分析，压力流雨水排水系统应用在大型屋面或者造型复杂的屋面比重力流排水系统更具有优越性，能够更好地满足建筑要求，更快捷地排出屋面雨水，在某些情况下经济性更好。因此压力流雨水排水系统有着广阔的发展前景和空间，随着压力流雨水排水系统应用技术的不断发展和成熟，其将会被越来越多的应用在大型工程中，同时也为设计大型建筑的屋面排水提供了一条新的路径。
参考文献：
[1] 丁再励、马国馨等，全国民用建筑工程设计技术措施（给水排水），中国计划出版，2009年
[2] 林选材、刘慈慰等，给水排水设计手册第2册（建筑给水排水），中国建筑工业出版社，2005年
[3] 赵昕，建筑与工程，第三期，348～374页，2009年
[4]丁淳，压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统设计问题探讨，给水排水，71～73页， 2010年