压力流（虹吸式）屋面雨水排水系统在铁路建筑中的运用

王善永 上海铁路局上海铁路枢纽工程建设指挥部

压力流（虹吸式）屋面雨水排水系统在铁路建筑中的运用

王善永 上海铁路局上海铁路枢纽工程建设指挥部

结合工程实例分析了压力流（虹吸式）屋面雨水排水系统的工作原理、技术特性；从上海综合维修基地新建机械大库工程屋面雨水排水建设实践中，对工程中雨水排水系统系统安装注意要点进行探讨，可为类似工程提供借鉴。

压力流；雨水排水；铁路；运用

随着经济社会发展，高速铁路路网的延伸，“大面积”、“大体量”建筑越来越多。传统屋面排水系统工艺多按重力流屋面雨水系统设计，雨水管道的多少及管径的大小是决定雨水排泄顺畅的主要依据，而在大面积屋面建筑中仅靠传统施工工艺，将导致雨水管道多、管径大，从而影响建筑物的美观和实用，传统的重力流屋面排水系统已不能适应。本文结合上海综合维修基地新建机械大库工程实际，对屋面压力流（虹吸式）雨水系统的应用进行探讨，为今后类似工程提供借鉴和参考。

1 压力流（虹吸式）屋面雨水系统工作原理

1.1 屋面雨水排水流态分类

建筑屋面雨水排水是建筑给水排水工程重要的组成部分。根据雨水在管道内的流态分类，屋面雨水排水系统可分为重力流、半有压流和压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统三种，主要区别在系统的运行状态管道内夹杂着空气的多少。

图1 压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统示意图

1.2 压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统组成

压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统的设计流态为重力输水有压流的屋面雨水系统，系统设置相应的专用雨水斗并按照满管压力流状态运行，主要由虹吸式雨水斗、雨水悬吊管、雨水立管、埋地管、雨水出户管等组成，如图1所示。

1.3 虹吸流状态的形成的判断

根据水力学规律，不可压缩恒定流体能量符合伯努利(Bernoulli)方程，建筑工程中压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统管路内任意断面x处压力：

式中：

PX-管路内任意断面x压力，kPa；

Δhx-雨水斗顶面至管路内任意断面x的几何高差，m；

Vx-计算点的水流速度，m/s；

IR-管道的沿程水头损失，m；

Z-管道的局部水头损失，m。

当水流充满管路、水流运动可用不可压缩流体的伯努利(Bernoulli)方程描述、管路中有明显负压时即可以认为系统虹吸流状态的形成。

1.4 管路内水流流态变化规律

压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统的屋面，管路内水流流态是变化的。在降雨初期，雨水量较少，屋面雨水高度未超过雨水斗高度时，雨水排水系统悬吊管内的雨水为非满流，整个雨水排水系统工作状态与重力排水系统相同。随着降雨历时的持续及降雨量的增加，屋面积水高度逐渐超过雨水斗高度，雨水排水系统工作状态由重力流状态，经半有压流状态进入到压力流 (虹吸式)状态，悬吊管内出现较明显的负压，虹吸的形成使系统排水能力迅速增大。降雨末期，雨量减少，屋面雨水高度又降低到雨水斗高度以下时，雨水状态又重新回到重力流状态。

1.5 管路内水流压力变化规律

通过改变雨水斗顶面至管路内任意断面 的几何高差,可以判明全系统的压力变化情况，在雨水斗的接出管上,雨水斗以下的连接管呈较小的正压。在悬吊管上,从悬吊管的最远端向立管一侧偏移,管道的水头损失迅速增加,可利用的水

头维持不变,管内呈不断增大的负压,在转折处负压最大。从转折处向下,可利用的水头迅速增加,大大超过因管道长度增加而增加的水头损失,立管内的负压值也随之很快减少至零,继之出现逐渐增加的正压,立管底部达到最大值。最后至雨水出户管后正压逐渐被消耗,至室外排水井处与大气相通处管道中的压力降为零。为了防止管道受压损坏，保护排水管道，不同的雨水管道都有允许的最大负压值，通常最大允许负压为-90 kPa。雨水斗顶面距离排出管的几何高差 越大，系统产生的抽力就越大，泄水能力也就越强。

2 工程应用

2.1 工程概况

上海综合维修基地新建机械大库工程为单层钢架彩钢板屋面结构，主跨结构建筑总高度为13.9 m，平面轴线尺寸为51 m×156 m，屋面坡度为5%，双向排水，剖面见图2。

图2 屋面剖面示意图

根据上海市暴雨强度公式，降雨历时取5 min，重现期P= 5年,屋面径流系数ψ=0.9，降雨强度q5=5.11L/（S·100 m2）。主跨屋面雨水设计流量q=ψFq5=365.9 L/s。

2.2 排水系统流态的选择

屋面雨水排水应根据不同的屋面类型采用不同的雨水排水系统。通常对于多层住宅或建筑体量与之相似的一般民用建筑，其屋顶面积较小，建筑四周排水出路多，立管设置要服从建筑立面美观要求，多采用重力流排水系统。高层建筑，汇水面积较小，采用重力流排水，增加一根立管，便有可能成倍增加屋面的排水重现期，增大雨水管系的宣泄能力,也多采用重力排水系统；而对于多跨工业厂房、库房、公共建筑，通常汇水面积较大，室内生产工艺要求不允许或设置可敷设立管的地方较少，只有充分发挥每根立管的作用，方能较好地排除屋面雨水，应采用压力流（虹吸式）排水系统。

2.3 工程实施情况

若按照重力流雨水排水系统设计，选用DN100雨水斗，设计泄流量按10 L/s计算，则至少需重力式雨水斗N=365.9/ 10=36.6只，双侧对称布置共取38只，室内立管需38根且需分别布置排出管。管道安装工作量大，埋地工作量大大增大，工程造价增大，影响室内美观且影响车辆检修库安全作业。传统重力流排水方式不适合这种汇水面积较大，室内生产要求不宜设置较多立管的地方，只有充分发挥每根立管的作用，才能较好满足要求。

现采用压力流（虹吸式）雨水排水方式排除屋面雨水，雨水口布置方案见图3。

图3 屋面雨水分区示意图

据图3所示（图中只较详细画出一个排水系统）采用6个独立的虹吸式屋面雨水排水系统，则每个汇水分区设计雨水量Q=365.9/6=60.98L/s，选用100 mm压力流（虹吸式）雨水斗，每个排水分区均匀布置5个虹吸式雨水斗，单斗泄流量按24 L/s计算，则1个独立的虹吸式屋面雨水排水系统设计泄流量为Q=5×24=120 L/s＞60.98 L/s，计算结果见排水管路设计水力计算表1。雨水计算简图见图4。

图4 雨水计算简图

表1 排水管路设计水力计算结果简表

从水力计算表可以看出，本系统最大负压发生在节点8，即悬吊管与立管的连接处，负压值为-66.687 kPa，小于最大允许负压-90 kPa，满足规范要求。

2.4 安装施工注意事项

（1）本工程所采用压力雨水斗为不锈钢材质，具有独特的整流功能和良好的排水性能；选用的管材和接口必须能够同时满足正、负压的需要，在屋面结构施工时，必须配合土建工程预留符合雨水斗安装需要的预留孔。

（2）虹吸式雨水斗应按产品说明书的要求和顺序进行安装。虹吸式雨水斗排出口与HDPE管道之间使用电焊管箍焊接，保证整体性和密封性非常可靠。雨水斗安装时，应在屋面防水施工完成、确认雨水管道畅通。同一支排水系统上的压力流屋面雨水排水系统的虹吸式雨水斗应设在同一水平面上。雨水斗安装后，其边缘与屋面相连处应严密不漏。

（3）雨水排水系统管材选用优质HDPE管，采用热熔连接。悬吊横管无坡度敷设,不得倒坡，管道的管壁必须具备相当的承压能力。

（4）安装在室内的雨水排水管道安装完成后，必须进行灌水试验。将雨水管排出口封堵严密，从雨水斗处注入清水，系统灌注至水面与天沟底相平，灌水高度必须到立管上部的雨水斗，持续1 h后，不渗不漏为合格。

2.5 技术优势

（1）压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统在设计状态下管道中充满水而产生虹吸作用并快速排放雨水，是快速解决大面积屋面雨水排放的有效途径。

（2）悬吊管接入的雨水斗数量较多，在满足水力计算要求下，单雨水斗最大汇水面积可达到2 500 m2，更适合大跨度，大面积建筑物的屋面排水。

（3）立管数量大大减少，管道直径小，工程造价降低，水平悬吊管无须坡度，建筑适应性、灵活性强，安装方便、美观，管道埋地工作量大大减少。

（4）压力流（虹吸式）排水系统中雨水悬吊管可做到无坡度敷设，且虹吸作用时管内水流流速往往很高，因此系统具有较好的自清洁作用。

3 结束语

工程实践表明，采用压力流（虹吸式）雨水排水系统排水能力相对重力式雨水排水有很大的提高，系统节约管材、节约造价，现场施工量减少、施工方便，悬吊管不需坡度,管道走向可以根据需要灵活设置，不影响建筑总体美观，对于室内地面下不宜设排水管道及设置室内检查井的车站、库房等大屋面工程场所尤为适宜。

随着社会经济发展，高速铁路网的延伸，铁路运营需要修建相应的车站、机车维修库房等大面积汇水屋面建筑，采用压力流雨水排水系统越来越多，希本文压力流（虹吸式）雨水排水系统对类似工程起到一定的参考作用。

［1］《建筑给水排水设计规范》.中国计划出版社.2010年8月.

［2］王增长.《建筑给水排水工程》.中国建筑工业出版社.2010年8月.

［3］陈耀宗等.《建筑给水排水设计手册》.中国建筑工业出版社2008年10月.

［4］《建筑屋面雨水排水系统技术规程》.中国建筑工业出版社.2014年9月.

［5］《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》.中国建筑工业出版社.2013年6月.

［7］徐志通等.《压力流（虹吸式）屋面雨水排水系统的设计与运用》.《给水排水》2002年6期.

责任编辑：王 华

来稿日期：2015-02-06