目前，絕大部分屋面雨水排水基本采用重力流排放技術(shù)排水，但隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，超大型建筑不斷涌現(xiàn)，對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜或屋面面積超大的建筑，這種技術(shù)就難以滿足。目前國際上虹吸式雨水排放技術(shù)已經(jīng)很成熟。該技術(shù)利用虹吸原理，雨水排放過程中在管道中形成滿管壓力流，利用建筑物屋面高度和雨水所具有的勢能，產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象，通過雨水管道變徑，在該管道處形成負(fù)壓，屋面雨水在管道內(nèi)負(fù)壓的抽吸作用下以較高的流速被排出室外，從而迅速排出屋面積水。相對于普通重力流排水，虹吸式雨水排放系統(tǒng)排水管道均按滿流有壓狀態(tài)設(shè)計，懸吊管可以無坡度敷設(shè)。同時，當(dāng)產(chǎn)生虹吸作用時管道內(nèi)水流流速很高，相對于同管徑重力流排水管排水量大可以減少立管數(shù)量，排水過程快，減少屋面負(fù)荷的要求。通過對工程實例，介紹了虹吸式雨水系統(tǒng)的系統(tǒng)組成及工作情況，施工方法和質(zhì)量保證措施，提出了施工運行中應(yīng)注意的重點、難點及相應(yīng)的解決措施，并相對于普通重力流雨水排放系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析。

　　0緒論

　　隨著建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，大型屋面排水技術(shù)逐漸成為目前人們關(guān)注研究的課題。目前大型單體建筑如機(jī)場航站樓、展覽館、體育場、工業(yè)廠房等超大型建筑屋面跨度大、面積廣，屋面荷載承受能力較小，這就要求在降雨時屋面積蓄的雨水在短時間內(nèi)能夠迅速排出。傳統(tǒng)重力流雨水排放系統(tǒng)要達(dá)到這一要求，就必須增加雨水斗數(shù)量及立管根數(shù)，加大立管管徑。而采用虹吸式雨水排放系統(tǒng)，系統(tǒng)管道中雨水流態(tài)為滿流有壓狀態(tài)，排水量大，排放迅速且立管根數(shù)少，管徑小，橫向懸吊管無坡度，能夠最大限度滿足建筑使用功能。

　　北京某工程屬于超高層的重點工程，原設(shè)計為重力流雨水系統(tǒng)，暴雨重現(xiàn)期為10年，后又提高暴雨重現(xiàn)期為50年，所以原設(shè)計管徑都需要加大，屋面雨水排放速度需加快，而地下室的結(jié)構(gòu)已經(jīng)封頂，防水套管已經(jīng)施工完畢，如果更改拆改破壞量太大，又延誤工期，而且進(jìn)行地下室綜合管線排布的時候，發(fā)現(xiàn)地下室管線錯綜復(fù)雜，不易滿足雨水大管徑重力流的坡度要求；重力流雨水系統(tǒng)的地上部分立管多，管徑小，空間有限不利于安裝和檢修。為了解決上述問題，經(jīng)過分析比較，該工程選用了虹吸式雨水排水系統(tǒng)。通過這次改變，使工程復(fù)雜的雨水排放系統(tǒng)大大簡化。由于整個系統(tǒng)管道數(shù)量減少、管徑減小、水平管道無需考慮坡度要求，非常有利于地下室綜合管線的排布，即減小了施工難度又減少了施工成本。下面簡單介紹一下虹吸式雨水排放系統(tǒng)的原理和施工要求。

　　1、工作原理

　　虹吸現(xiàn)象我們在日常生活中經(jīng)?？梢钥吹?。如下圖所示，我們把一根灌滿水的塑料管用手指堵住兩端分別放入魚缸和水杯中，同時放開手指，由于兩個液畫存在高差h1，此高差部分水在重力作用下流向水杯，從而使上部塑料管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，魚缸內(nèi)水就會被吸入塑料管，水就會不斷的從魚缸流向水杯。這就是虹吸現(xiàn)象。當(dāng)魚缸與水杯液面高差越大時，塑料管內(nèi)水流速度越大，排水越迅速。

　　虹吸式雨水排放系統(tǒng)正是利用這一原理，利用建筑物屋面高度所形成的水頭來實現(xiàn)虹吸排水。降雨來臨時，屋面逐漸形成積水，由于采用了科學(xué)設(shè)計的防漩渦雨水斗，當(dāng)屋面雨水高度達(dá)到一定高度，通過控制進(jìn)入雨水斗的雨水流量和調(diào)整流態(tài)減少漩渦，從而極大地減少了雨水進(jìn)入排水系統(tǒng)時所夾帶的空氣量，使得系統(tǒng)中排水管道呈滿流狀態(tài)，當(dāng)雨水通過管道變徑時，在此處產(chǎn)生負(fù)壓，加速雨水的排放速度。

　　2、工作狀態(tài)

　　虹吸式雨水排放系統(tǒng)管內(nèi)壓力和水的流動狀態(tài)是不斷變化的過程。降雨初期，雨量一般較小，懸吊管雨水流態(tài)是有自由液面的波浪流。根據(jù)雨量大小的不同，部分情況下初期無法形成虹吸作用，是以重力流為主的流態(tài)。隨著降雨量的增加，管內(nèi)逐漸呈現(xiàn)脈動流，拔拉流，進(jìn)而出現(xiàn)滿管氣泡流和滿管汽水混合流，直至出現(xiàn)水的單相流狀態(tài)。降雨末期，雨水量減少，雨水斗淹沒泄流的斗前水位降低到某一特定值（根據(jù)不同的雨水斗產(chǎn)品設(shè)計而不同），雨水斗逐漸開始有空氣摻入，排水管內(nèi)的虹吸作用被破壞，排水系統(tǒng)又從虹吸流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橹亓α鳡顟B(tài)。在整個降雨過程中，隨著降雨量的增加或減小，懸吊管內(nèi)的壓力和水流狀態(tài)會出現(xiàn)反復(fù)變化的情況。與懸吊管相似，立管內(nèi)的水流狀態(tài)也會從附壁流逐漸向氣泡流，氣水混合流過渡，最終在虹吸作用形成的時候，出現(xiàn)接近單相流的狀態(tài)。

　　3、系統(tǒng)組成

　　3.1雨水斗

　　一般來說，雨水斗的設(shè)計是整個虹吸系統(tǒng)的能否按設(shè)計要求工作的關(guān)鍵所在之一，它的穩(wěn)流性越好，產(chǎn)生虹吸所需的屋面匯水高度越低，總體性能就越優(yōu)越。

　　標(biāo)準(zhǔn)型的雨水斗，是由雨水斗底盤、夾圈、空氣隔板、格柵外罩蓋組成。另外根據(jù)需要可提供通用型的絕緣底座，固定件，法蘭片，焊接片，防火保護(hù)帽，微型加熱電圈等配件。雨水斗材質(zhì)為HDPE、鑄鐵或不銹鋼。其各部分有不同的結(jié)構(gòu)功能。雨水斗置屋面層中，上部蓋有進(jìn)水格柵。降雨過程中，雨水通過格柵蓋側(cè)面進(jìn)入雨水斗，當(dāng)屋面匯水達(dá)到一定高度時，雨水斗內(nèi)的反渦流裝置將阻擋空氣從外界進(jìn)入同時消除渦流狀態(tài)，使雨水平穩(wěn)地淹沒泄流進(jìn)入排水管。

　　3.2系統(tǒng)管道

　　管道作為虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)最主要的部分，而管道的變徑可以加速雨水的排放和流量，必須確保系統(tǒng)安全可靠，高效持續(xù)的運行。虹吸式系統(tǒng)作為一個特殊的排水系統(tǒng)，正常工作運行時管道內(nèi)呈負(fù)壓狀態(tài)，因此管道的管壁必須具備相當(dāng)?shù)某袎耗芰?，管道接口必須完全的密封防止空氣進(jìn)入管道內(nèi)出現(xiàn)氣團(tuán)，破壞虹吸作用。同時管道要具有較高的防火性能，并且做到盡可能降低噪聲，吸收震動，抗擊沖擊外力，最大程度滿足抗溫度變化引起的形變。

　　目前虹吸式雨水管道系統(tǒng)一般采用鍍鋅無縫鋼管溝槽管件連接、不銹鋼管或HDPE管粘接。

　　北京某工程虹吸式雨水排放系統(tǒng)就選用鍍鋅無縫鋼管，連接方式為溝槽連接。鍍鋅無縫鋼管作為傳統(tǒng)的管道材料能夠滿足虹吸式雨水系統(tǒng)的承壓要求和防火性能。但普通的溝槽連接管件不能滿足系統(tǒng)抗負(fù)壓要求，如下列條件：

　　因此必須采用專門設(shè)計的抗負(fù)壓的溝槽管件，在正負(fù)壓不同狀態(tài)下，通過不同的密封點而保證系統(tǒng)的密封性。同時溝槽管件中管頭縫隙還可以消除因熱脹冷縮而產(chǎn)生的管道位移。如下圖所示：

　　因此必須采用專門設(shè)計的抗負(fù)壓的溝槽管件，在正負(fù)壓不同狀態(tài)下，通過不同的密封點而保證系統(tǒng)的密封性。同時溝槽管件中管頭縫隙還可以消除因熱脹冷縮而產(chǎn)生的管道位移。如下圖所示：

　　4、系統(tǒng)安裝

　　4.1雨水斗安裝

　　雨水斗的安裝位置應(yīng)滿足以下要求：

　?。?）雨水斗離墻至少1米。

　?。?）雨水斗之間距離一般不能大于20米。

　　天溝雨水斗安裝：在屋面防水層施工前安裝不銹鋼底盤放在預(yù)留孔的正上方，確保底盤與面板頂面標(biāo)高保持一致，同時用混凝土封堵尾管與預(yù)留洞之間的空隙。在混凝土封堵完成后，土建方開始進(jìn)行防水施工，但要保證防水層不超過規(guī)定界限。防水施工完成后，安裝夾圈，防水保護(hù)層及找平層做到夾圈的邊緣。在屋面工程結(jié)束，管路系統(tǒng)安裝完畢后安裝空氣擋板或隔柵防護(hù)罩。

　　4.2管道安裝

　　鍍鋅無縫鋼管采用卡箍連接，按照設(shè)計坐標(biāo)、標(biāo)高位置，現(xiàn)場實測尺寸進(jìn)行劃線切割、下料，預(yù)制管道。管道斷口需用鋼銼挫掉毛刺進(jìn)行防腐處理，用專用滾槽機(jī)壓出槽口，將兩段管段對齊用專用卡箍卡緊。按管線坐標(biāo)位置放線安裝固定支吊架將管段水平吊裝。嚴(yán)格按圖紙施工，特別是變徑位置必須在設(shè)計位置的±0.20m以內(nèi)。

　　4.3檢驗與試驗

　　在系統(tǒng)管路安裝完成后，排水管道按規(guī)范要求做灌水試驗。系統(tǒng)灌水試驗合格后，還需要做排水性能試驗。虹吸式排水系統(tǒng)可以采用以下三種實驗方法：

　?。?）、單位時間內(nèi)水容積增減的方法（適用于混凝土屋面）。先將排水系統(tǒng)的立管出口密封并將對應(yīng)的排水區(qū)域分開設(shè)立儲水區(qū)，然后向儲水區(qū)內(nèi)持續(xù)加水（要求水深小于0.5米，供水量應(yīng)滿足按設(shè)計排水量排放一分鐘）。打開排水出口5秒鐘后，記錄30秒內(nèi)屋面水面的變化量并計算：排水能力（升／秒）：水容積變化量／30秒。

　　（2）、管道流量計測量的方法。在排水系統(tǒng)排出干管部分安裝流量計，并密封出口，將對應(yīng)的排水區(qū)域分開設(shè)立儲水區(qū)，然后向儲水區(qū)內(nèi)持續(xù)加水（要求水深小于0.5米，供水量應(yīng)滿足按設(shè)計排水量排放一分鐘）。打開排水出口5秒鐘后，記錄30秒內(nèi)流量計顯示的數(shù)值并計算平均值為其排水能力。

　?。?）、采用降雨時實際觀測來計算雨水的排水能力的方法。降雨量依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T監(jiān)測數(shù)據(jù)。

　　5、技術(shù)要點

　　虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)，系統(tǒng)排水管道均按滿流有壓狀態(tài)設(shè)計，因為整個系統(tǒng)的正常運行依靠虹吸作用，所以確保產(chǎn)生并維持虹吸作用的技術(shù)要點是保證系統(tǒng)正常運行必要條件。

　　5.1水的持續(xù)流動性

　　在保證水流方向的持續(xù)流動性是維持虹吸作用的關(guān)鍵。特別是在管道轉(zhuǎn)彎角度相對較大，甚至呈90°的時候，很有可能因為管內(nèi)流速的突然下降而引起虹吸作用被破壞。因此，當(dāng)水流有90°的方向改變時，此處彎頭的連接方式，必須注意設(shè)計一個銜接管段，以保證流速不會突然大幅下降，而是維持上升的狀態(tài)，從而整個虹吸式屋面雨水排放系統(tǒng)得以正常運行。當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)90°T型支管時，當(dāng)橫管內(nèi)水流以較快的速度沖向管壁突然遇到阻礙，在極短的時間內(nèi)速度降為零。一方面對于管壁形成極大的沖擊，另一方面，水流撞擊管壁后又以一個與初始方向相反的速度，迅速的在管內(nèi)形成回流，這樣，兩股方向相反的水流在管內(nèi)沖撞，很容易形成水塞，阻礙排水管排放，破壞虹吸作用。因此，在施工時可根據(jù)管道的空間和環(huán)境情況來進(jìn)行選擇相應(yīng)的解決方式。例如在拐彎或支管匯集處可以采用相對較大的管徑起緩沖作用，或在拐彎彎頭處采用雙45°彎頭、支管匯集處采用斜45°三通以避免出現(xiàn)90°變化的銜接管段。

　　某工程為超高層建筑，為保證整個系統(tǒng)的安全，虹吸式雨水系統(tǒng)管道材質(zhì)選用鍍鋅無縫鋼管，而無縫管成品管件中沒有45°三通，為此為滿足系統(tǒng)要求，我們自己精細(xì)加工出各種規(guī)格的45°三通，壓完槽后進(jìn)行二次鍍鋅處理，解決了無縫管成品管件中沒有45°三通的問題。（如圖為我們加工的三通用于系統(tǒng)安裝中）。

　　5.2氣水混合流的影響

　　當(dāng)系統(tǒng)管道內(nèi)形成虹吸作用時，由于可供使用的管道管徑不一定恰好是計算所得的管徑尺寸，因此管道內(nèi)部會有很多溶解在水中的小氣泡，并不是完全理想化的液體單相流。這些微小氣泡在流動過程中會逐漸釋放，然而這種氣水混合流而非氣水兩相流的流態(tài)，仍可以被看作虹吸作用，是允許存在的狀態(tài)，并不影響虹吸作用的形成，也不影響系統(tǒng)的排水能力。影響管道內(nèi)水的流態(tài)的另一個重要因素是系統(tǒng)內(nèi)各部分的負(fù)壓，負(fù)壓過大時會導(dǎo)致管內(nèi)流速過快，發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，對于金屬管道產(chǎn)生極大傷害。同時負(fù)壓過高，系統(tǒng)內(nèi)小氣泡會在負(fù)壓作用卜破裂使管道系統(tǒng)產(chǎn)生劇烈震動，減少系統(tǒng)使用壽命。因此在虹吸式雨水管道計算時要求管道內(nèi)負(fù)壓不超過-0.08Mpa（氣蝕臨界值約為-0.092MPa）。

　　但是，溶解在水中的氣泡并不意味著管道內(nèi)的氣團(tuán)。如果排水管道內(nèi)，中間部分是氣團(tuán)，沿壁部分是水流，這樣就是傳統(tǒng)重力雨水排放系統(tǒng)的管內(nèi)流態(tài)。管道內(nèi)氣團(tuán)的存在，嚴(yán)重影響虹吸作用時管內(nèi)滿流狀態(tài)的形成，水流在管內(nèi)的充滿度相當(dāng)?shù)?，大大減小了系統(tǒng)的排水能力。

　　5.3系統(tǒng)的一體性和密封性

　　為保證虹吸排水的產(chǎn)生和持續(xù)作用，就要求從雨水斗到管道系統(tǒng)的整套排放系統(tǒng)必須是一體的，各部分緊密相連。如果雨水斗有一個完全敞開的入口，空氣就會在水流旋轉(zhuǎn)作用的帶動下，從入口出進(jìn)入整個雨水排放系統(tǒng)，這樣就根本無法形成滿流的虹吸狀態(tài)，整個系統(tǒng)也不再是高效的虹吸式排放系統(tǒng)了，實際上已經(jīng)作為一個傳統(tǒng)的重力式排水系統(tǒng)在工作了。但是，重力式排放系統(tǒng)為了達(dá)到比較好的排放效果，在安裝管道時要求懸吊管的最小坡度為2％。而虹吸式系統(tǒng)的懸吊管安裝坡度為零，沒有重力勢能的作用，整個系統(tǒng)無法有效進(jìn)行排水。因此，只有當(dāng)雨水口的入口處半敞開時，才能有效阻止空氣隨時進(jìn)入系統(tǒng)，當(dāng)斗前水深滿足一定要求時，能夠形成水封，完全隔斷空氣，迅速形成虹吸作用。除了必須保證入口處有效阻止空氣進(jìn)入，還必須保證系統(tǒng)管道中沒有空氣進(jìn)入。所以，另一個要求就是系統(tǒng)的完全密封性，要保證管道無滲漏。因為在虹吸作用時，管道內(nèi)的水流是壓力流的狀態(tài)，一方面管壁承受壓力，承插口處同樣受壓，容易發(fā)生滲漏；另一方面，一旦發(fā)生滲漏，則管內(nèi)壓力狀態(tài)改變，影響正常的虹吸作用。

　　6、效益分析

　　傳統(tǒng)重力流雨水排放系統(tǒng)與虹吸式雨水系統(tǒng)相比管道內(nèi)雨水流態(tài)是不一樣的。在重力流系統(tǒng)中，水沿著立管的管壁流下，中間形成空氣柱，在懸吊管段水依靠重力非滿管水平流動，一般情況下，管材斷面約1／3為水，2／3為空氣。如下圖：

　　根據(jù)《建筑給排水設(shè)計規(guī)范》第4.9.20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％，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)則更顯突出。同時，由于懸吊管需要一定的坡度，將影響建筑空間的利用。

　　某工程地下建筑面積6萬平米，排出室外的地下一層雨水管道跨度長，按重力流大部分的雨水管道坡度按0.5％計算坡降有40公分，選用虹吸式雨水排放系統(tǒng)后，由于雨水管道無坡度要求，管徑又縮小，大大提高了地下室空間的利用。為地下室錯綜復(fù)雜的機(jī)電管線排布提供了便利。

　　由于虹吸式雨水系統(tǒng)管道排水均按滿流有壓狀態(tài)設(shè)計，排水管泄流量要遠(yuǎn)大于重力排水系統(tǒng)中同一管徑排水管的泄流量，也即排出同樣的雨水流量，采用虹吸排水系統(tǒng)的排水管管徑要小于采用重力排水系統(tǒng)的排水管管徑。由于虹吸排水系統(tǒng)中雨水懸吊管內(nèi)水流在負(fù)壓抽吸作用下流動，懸吊管可做到水平無坡度敷設(shè)，懸吊管接入雨水斗的數(shù)量不受限制，可以減少雨水立管的數(shù)量，便于建筑空間的利用。

　　某工程原設(shè)計的重力流雨水系統(tǒng)雨水立管數(shù)為22根，采用虹吸式雨水系統(tǒng)后雨水立管由原來的根減少到12根，同時由重力流雨水系統(tǒng)中系統(tǒng)最大管徑DN250減小到虹吸式雨水系統(tǒng)中系統(tǒng)最大管徑DNl50。

　　虹吸式雨水斗排水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通重力流雨水斗，能夠迅速排出屋面雨水，雨水斗前水深較淺，降低了建筑物物面荷載的要求，能夠大大節(jié)約工程造價。同時，當(dāng)產(chǎn)生出虹吸作用時管道內(nèi)水流流速很高，因此系統(tǒng)具有較好的自清功能，管道不易堵塞。

　　虹吸式雨水系統(tǒng)與傳統(tǒng)重力流雨水系統(tǒng)優(yōu)缺點：

　　系統(tǒng)形式傳統(tǒng)重力流雨水系統(tǒng)虹吸式雨水系統(tǒng)。

　　雨水斗布置數(shù)量多，規(guī)格大數(shù)量少，規(guī)格小。

　　懸吊管坡度依靠重力流坡度不小于0.005，占空間滿管壓力流，可水平安裝，節(jié)約空間。

　　立管根數(shù)立管根數(shù)多立管根數(shù)少。

　　管道管徑管徑大管徑小。

　　管道布局受坡度限制，布局困難無坡度限制，布局靈活。

　　屋面荷載排水能力小、斗前水深、荷載要求高排水能力大，斗前水淺、荷載要求低。

　　管內(nèi)流速流速小，易阻塞流速高，有自潔功能。

　　從上表可以看出，虹吸式雨水系統(tǒng)除在雨水斗布置、管線走向布局方面便于建筑空間設(shè)計有利于裝飾裝修外，由于管徑小、立管根數(shù)少，降低屋面荷載要求，對于大型建筑可以在一定程度上降低工程造價。以北京某工程雨水系統(tǒng)為例，設(shè)計采用虹吸式雨水系統(tǒng)，鍍鋅無縫鋼管溝槽連接。選取其中一根雨水管道，設(shè)計流量為27.61升秒，屋面高度223米。分別按虹吸式雨水系統(tǒng)與傳統(tǒng)重力流雨水系統(tǒng)計算造價，見下列條件：

　　系統(tǒng)形式材料數(shù)量單價合價（元）總價（元）虹吸式

　　管材Φ73181.4米51.699376.6　　25744.6

　　管材Φ8982.7米64.365322.6

　　管材Φ10818.1米78.081413.2

　　管材Φ1591.0米132.2132.2

　　雨水斗1個95009500

　　重力式管材Φ159283.2米132.229507.04　　37439.04

　　雨水斗1個560560

　　由上表可以看出，雖然虹吸式雨水斗價格較高，但由于管道管徑較小，總造價反而比重力式雨水系統(tǒng)造價要低。如綜合考慮降低屋面荷載、節(jié)約建筑空間，便于裝飾裝修等因素，虹吸式雨水系統(tǒng)會具有更大的優(yōu)勢。

　　7、結(jié)束語

　　屋面排水技術(shù)的發(fā)展史經(jīng)歷了重力流技術(shù)、重力一壓力流技術(shù)、虹吸一壓力流技術(shù)。先進(jìn)的虹吸技術(shù)應(yīng)用于屋面雨水排放，有效解決了超高建筑、超大屋面的雨水排放問題。虹吸式雨水系統(tǒng)采用強(qiáng)制虹吸式雨水斗，斗前水深較淺，產(chǎn)生虹吸的效率很高，系統(tǒng)對屋面的負(fù)荷要求較小。該技術(shù)對系統(tǒng)的整體性及計算精度有很高的要求，采用全系統(tǒng)壓力平衡計算，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出相應(yīng)的計算機(jī)軟件用于水力計算。虹吸式雨水排放技術(shù)作為一項日趨成熟的雨水排放技術(shù)逐漸成為大型建筑雨水排放設(shè)計施工的首選。