大跨度种植顶板虹吸排水技术探讨

宋桃，叶吉，徐俊峰

（科顺防水科技股份有限公司，广东 佛山 528303）

近年来，我国城市化进程不断加速，建筑绿化成为城市建设和发展规划的重要配套方案，涵盖屋顶绿化、阳（露）台绿化、架空层绿化、地下室顶板绿化、墙体绿化等多种形式。随着城市地上可用空间日益减少，而开发地下空间可以有效解决城市用地和停车问题，使得种植顶板成为最常见的绿化设施。由于地下车库随着地下空间的开发越建越大，传统种植顶板排水做法的缺点明显不能解决大跨度种植顶板的排水需求，所以通过虹吸原理实现零坡度有组织快速排水是解决大跨度种植顶板排水问题的关键措施。

1 种植顶板传统排水做法的局限性

传统种植顶板构造如图1所示，排水系统的结构主要由找坡层、排水层、过滤层和排水沟组成，该方式通过在种植顶板周边建立排水沟，在防水保护层以上设置排水层，排水层上方采用过滤层覆盖，最后覆盖种植土层。使用这种传统种植顶板的排水做法虽然可以将排水层收集到的水聚集到排水沟，再排入排水管网，但是这种排水系统在大跨度种植顶板上仍然存在一些局限性。

图1 种植顶板建筑找坡构造做法示意

1.1 大跨度种植顶板找坡难

种植顶板找坡形式有结构找坡和建筑找坡2种形式。

建筑找坡也称材料找坡，施工简单，但会加重结构荷载。为了减少建筑找坡带来的荷载，一般选择单位体积内质量较轻的材料，如膨胀珍珠岩、轻质混凝土等。在实际施工和使用过程中发现，轻质找坡材料具有较大缺陷，如果施工过程中遭遇降雨天气，找坡层内会集聚大量积水，在完成结构防水施工后，即便防水层没有损坏，但是当结构出现缺陷时，找坡层到的积水仍会发生渗漏。同时随着温度变化积水会产生水汽循环，在此过程中防水卷材极易发生疲劳破坏，引起大量渗漏窜水问题，使得定位和修复防水层损坏区域更加困难[1]。

近年来，针对建筑找坡的缺陷，有很多人提倡采用结构找坡，它可以较大限度地减少负载并节省建筑材料[1]。当种植顶板进行结构找坡时，坡度应在1%～2%，但是在实际中，这种结构并不能为大跨度种植顶板提供最佳排水效果。以1%的坡度为例，在200 m宽的种植顶板进行双向找坡会有1 m的高度差，覆土厚度在2.0～2.5 m，致使荷载增大，影响排水效果[2]，而且采用倾斜结构找坡顶板，将会给结构梁板、柱帽的布设带来较大的挑战。

1.2 大跨度种植顶板排水效率低

传统种植顶板排水方式属于无组织排水，排水效率低，大跨度种植顶板排水路径和渗流时间过长。在暴雨时期，地上渗水量增加与地下排水不及时的矛盾更加突出，当找坡层和排水层不能及时排出汇集而来的雨水时，这些雨水极易渗入地下室周边，导致附近土壤水饱和，地下室周围土壤被浸透后水就无处排放，很容易发生倒灌，增加建筑物的防水压力。且积水上升到一定高度并浸没植物根系时，会造成根系的腐烂[3]，情况严重时会造成防水层的局部渗漏。因此系统性地解决传统排水做法找坡难、排水效率低等缺陷，成为当下迫切需要解决的问题。

2 大跨度种植顶板虹吸排水技术措施

2.1 虹吸排水技术原理

虹吸排水技术原理是通过虹吸排水槽把大跨度种植顶板划分为不同的排水分区，利用高密度聚乙烯排水板（自带土工布）将土壤渗入水不断引导至虹吸排水槽，将面排水转化为线排水。在虹吸排水槽上安装透气管，在空隙、重力和气压作用下虹吸排水槽内的水迅速聚集到出水口，出水口通过管道变径的方式使虹吸直管形成满管流，经观察井排入市政雨水井或雨水收集系统内。这样就从以往的被动式挤压无组织排水转变成了主动式虹吸排水，实现零坡度、有组织排水[4]。

虹吸排水系统由高密度聚乙烯排水板（自带土工布）、虹吸排水槽、透气观察管、虹吸排水管和观察井构成，系统构造如图2所示。

图2 种植顶板虹吸排水系统构造示意

2.2 高密度聚乙烯排水板

排水层常用材料有塑料排水板、砾石、陶粒等。其中采用砾石作为排水层荷载较大，排水缝隙不均匀，容易堵塞积水，而且会影响种植顶板覆土高度；采用陶粒作为排水层虽然荷载小，但强度不高，在施工中容易被压碎从而失去排水效果。采用塑料排水板（如聚苯乙烯材质、高冲聚苯乙烯材质、聚氯乙烯材质、回收料的高密度聚乙烯材质等）作为排水层，延伸率较低，脆性大，覆土时易遭到挤压破坏，如图3所示。

图3 塑料排水板破坏

为避免种植顶板排水系统被阻塞，保护种植土壤不被水带入排水层，防止水土流失，维持植物适宜的生长环境，需在排水层上设置过滤层。过滤层常用的材料为150~200 g/m2聚丙烯或涤纶无纺布，一般直接空铺在陶粒、砾石排水层或采用胶水粘结在塑料排水板上，由于没有可靠的固定措施，往往在回填土时会出现大面积塌陷、鼓包，如图4所示，影响整体排水效果。

图4 过滤层塌陷鼓包

为解决上述问题，选用全新高密度聚乙烯原料替代常用的回收料，在熔融状态下经真空吸塑和模具冲压，制作出表面均匀密布单向半锥形凸起的排水板结构。改良后的排水板不但提高了理化性能及抗压强度，同时增大其排蓄水空间，采用全新高密度聚乙烯原料制备的排水板成品为半透明状，如图5所示，与采用回收料制作的排水板外观颜色有明显差别。

图5 高密度聚乙烯排水板

同时，在生产线上通过适温无缝粘胶的工艺形式，将土工布过滤层与高密度聚乙烯排水板的凸台粘接在一起，如图6所示，实现排水、过滤一体化，即能节约现场过滤层的施工时间，又能避免过滤层发生塌陷。

图6 排水板生产

高密度聚乙烯排水板为白色半透明片材，带200 g土工布，规格参数如表1所示。

表1 排水板规格参数

对自带过滤层的高密度聚乙烯排水板进行汽车进行碾压测试，经过碾压的部位均无明显破坏，取下压切片查看，凸台及土工布无明显受损或形变，产品整体保持较高的完好度，承重能力强，抗压、抗折性能优异。

在环境温度为（23±2）℃，相对湿度50%～55%的检测环境下对排水板的性能进行检测，结果如表2所示。

表2 排水板的性能指标

由表2可见，3种型号排水板的拉伸强度和拉伸断裂率均达到GB/T 18173.1—2017要求的2倍以上；抗压强度也远高于GB/T 18173.1—2017要求，当壳体高度被压缩一半后防排水保护板的外观没有发生破损，可以满足绝大多数施工情况；在高温和保持一定大气压力的条件下进行其老化性能测试，并与未老化样品的特性进行比较，测试其拉伸强度保持率和拉断伸长率保持率，结果显示，3种防排水保护板的老化指标均优于GB/T 18173.1—2017的要求。以饱和Ca（OH）2溶液为浸泡介质，在23℃的环境中浸泡168 h后测试其物理性能，结果显示，试样的耐碱性均优于GB/T 18173.1—2017的要求，产品的耐候性较好。

2.3 虹吸排水槽

要解决大跨度种植顶板的排水问题，需要处理好地表下渗水的汇集和导流。通过设计倒U型的初代虹吸排水槽（如图7所示），可以在槽体内形成一定体积的空腔，有效解决下渗水存储导流等问题。槽体使用高密度聚乙烯等原料吸塑成型，侧面设有单侧或双侧入水孔，顶部间隔设有若干加强肋条，可有效避免施工过程中各工种交叉作业时受外力破坏。槽体底部设有底板结构，方便与排水板进行搭接，两端设有内外径互相匹配的插接式卡槽结构，用来固定和延伸排水槽。

图7 初代虹吸排水槽

但在实际工程应用中，初代虹吸排水槽之间的连接卡位狭窄，连接不便，排水槽与排水板之间贴合不全，排水口被堵塞，甚至表面凸肋割破过滤层，见图8。

图8 初代虹吸排水槽存在的缺陷

针对初代虹吸排水槽的缺陷，对其连接方式、结构及材质进行优化，如图9所示。改进后的虹吸排水槽采用仿生竹筒设计，通过间隔设置光滑拱形凸出部分，将原有槽体外壁加强筋布置到槽体内侧，增强槽体抗压抗弯性能，可长期受压不变形；表面光滑无外向尖锐的加强筋，且表面凸出部可以形成类似雨棚的支撑结构，对槽体侧面入水口进行防护，解决土工布易被割破，排水口被堵塞等问题，如图10所示。排水槽之间取消了卡槽结构，采用扣接方式连接，通过连接口和排水口的形状优化，使得排水槽与排水槽之间，排水槽与排水板之间，能在较小外力作用下轻松且牢固地连接，提高安装效率。

图9 改进后的排水槽

图10 改进前后排水槽的入水口

在环境温度为（23±2）℃、相对湿度50%～55%环境下对虹吸排水槽力学性能进行检测：抗压强度≥3.5 kN；弹性回复率≥90%时，无破损；低温脆性（-35℃）无裂纹；密度为0.89～1.07 g/cm3。

使用总质量4 t的汽车对改进后的虹吸排水槽进行碾压测试，结果显示，被汽车碾压过的部位只有轻微变形，且能够瞬间恢复，产品无脆裂损坏，依然保持完整的功能性，抗压性能优异。

2.4 虹吸排水槽连接构件

虹吸排水槽连接件有三通排水槽、四通排水槽、虹吸四通排水槽和柔性排水槽。其中三通排水槽呈丁字形，2个相对端口可与其他排水槽进行装配拼接，另一端口可密封作为连接构件，也可与虹吸排水管连接，顶部还设有透气观察管插口，用于插入透气管（见图11）；四通排水槽呈十字形，其4个端口均可与其他排水槽进行装配拼接，其形状如图12所示。

图11 三通排水槽

图12 四通排水槽

虹吸四通排水槽采用分体式设计，由底座和上盖组成，其形状如图13所示。以出水通道的角度为基准，对3个入水通道进行曲线型走向设计，使进入通道的渗透水各自独立，在交汇处汇合时的夹角为锐角，保证渗透水汇合时不是直接对冲，而是呈一定角度汇合，且在交汇处设置有引流凸台，有利于渗透水形成旋涡，解决在某些汇水量较大位置容易形成渗透水对冲、紊流的问题，从而加快渗透水的排出速度[5]。

图13 虹吸四通排水槽

柔性排水槽采用仿生竹节设计，在现有直通排水槽的基础上，将其分隔为若干节排水槽单元，其形状如图14（a）所示。每节排水槽单元的两端通过连接结构相互连接并可以相互旋转，若干节排水槽单元逐个依次连接，进而组装成柔性排水槽，柔性排水槽的两端可以与现有的排水槽连接，如图14（b）所示。柔性排水槽用于解决排水槽布置形状和连接形式单一的问题，达到排水槽可以任意形状和任意位置布置、排水槽之间以任意角度连接的效果，从而满足排水槽完整覆盖种植顶板和快速施工的要求[6]。

图14 柔性排水槽

2.5 透气观察管和虹吸排水管

透气观察管采用直径110 mm、环刚度≥4.0 N/m2、壁厚≥4.2 mm的PVC管，安装在虹吸排水槽的设计节点，如图15所示。既可以随时观察系统排水动态，与排水层进行空气流通，避免排水时形成负压状态加速排水，也可以给植物根系提供氧气，防止烂根现象的发生。

图15 透气观察管

为实现雨水的最终汇集和高效排放，进一步提高排水效率，根据GB 50015—2019《建筑给排水设计标准》和CECS 183：2015《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》等规定，综合考虑系统排水分区的汇流量，设计虹吸排水管为Z形。其入水口管径为110 mm，与三通排水槽的排水口连接；中间段管径为75 mm，具有一定的高度差，类似于屋面虹吸排水管；出水口管径为110 mm，与观察井相连，收集后的雨水可存储到雨水回用系统或直接排入市政雨水管网。虹吸排水管通过管道变径的方式，可以更快达到满管流状态，产生虹吸效应提高系统流速，从以往的被动挤压式排水转变为现在的主动虹吸式排水，可以真正实现零坡度、有组织排水[4]。

3 应用及总结

根据工程经验总结，虹吸排水系统相比传统排水做法（以1万m2为例）可减轻荷载3～4 kN/m2，节约成本50～100元/m2，节约工期17～21 d，具体对比数据如表3所示。

目前该虹吸排水系统己应用于医院、酒店、办公楼、学校、住宅小区、高铁站等近100个项目，不但解决了传统种植顶板的缺陷，而且提高了整个系统的排水效率，取得了良好的应用效果，现场应用效果如图16所示。

表3 不同排水做法的荷载、成本及工期对比

图16 现场应用效果

作为符合海绵城市建设政策的绿色建筑方案，虹吸排水系统通过优化结构层次，打破常规重力排水，实现无找坡有组织排水，减少资源消耗，降低结构荷载，节省综合造价和工期，符合“双碳”政策；通过提高系统功能，不但能保护耐根穿刺防水层，而且可以实现高效、有组织地吸纳排放滞水，解决大跨度种植顶板找坡难题，同时为雨水收集利用提供基础[7]；通过综合考虑雨水径流污染控制和生态环境改善，配合雨水回收利用装置将收集到的雨水资源二次利用，可缓解目前城市水资源紧缺的局面，实现雨水排放的科学管理，创造绿色生态宜居的人文环境，达到雨水资源化、集约化利用，推动海绵城市建设，助力我国绿色建筑进程的不断推进和碳中和国家战略目标的实现。