壓力流屋面排水系統

壓力流屋面雨水排水系統的技術優勢降雨過程中屋面承接的雨水沿屋面坡向匯集到天溝，傳統的雨水排放是將天溝中匯集的雨水通過雨水斗、雨水立管、排出管排至雨水檢查井，或是通過雨水斗、懸吊管、雨水立管、排出管排至雨水檢查井。

技術優勢

一般屋面排水系統常按其排水管的設定位置和排水去向分為外排水系統和內排水系統，從水力學的觀點來分可分為重力流屋面排水和壓力流屋面排水系統兩類，後者在於強調在設計降雨強度下屋面排水系統內的有壓狀況。不同的屋面雨水排水系統根據其所具有的水流狀態的分析，採用不同的設計計算方法。傳統的屋面雨水排水系統按重力流設計，屋面重力式排水系統採用重力式的雨水斗，雨水斗排水狀況是自由堰流，流入雨水斗的雨水滲入空氣，形成水氣混合流，雨水斗的設計流量偏小；按重力流計算的懸吊管要求不大於0．8的充滿度和大於5‰的坡度，因此需要較大的管徑和坡降，為保證連線在同一懸吊管上的各個雨水斗正常工作，限定連線雨水斗不多於4個，導致雨水立管的根數增加。重力流屋面雨水排水系統受其水力特性的限制，造成排水立管多，管徑大，排水能力小，對於大面積工業廠房及公共建築屋面雨水排水系統則更顯突出。壓力流屋面雨水排水系統，採用有壓流雨水斗，排水能力有很大的提高，在符合水力計算的條件下，接入懸吊管的雨水斗的個數不受限制，因此減少了立管和埋地管的數量；懸吊管不需坡度，安裝方便、美觀；系統按壓力流計算可減小選用管道的直徑，由於單一系統的懸吊管長度可達150m，主立管可以靠近外牆，建築物內可以不需做管道井，不埋設管道，對於建築物內地面下管道多或不宜設井的場所尤為適宜。可見，壓力流屋面雨水排水與重力流相比有明顯的技術優勢

工作原理

壓力流屋面雨水排水系統的工作原理壓力流屋面雨水排水系統由有壓流雨水斗、雨水懸吊管、雨水立管、埋地管、雨水出戶管組成。有壓流雨水斗具有良好的整流功能，在設計降雨強度下雨水斗不滲入空氣，降雨過程中相當於從屋面上有一個穩定水面的小水池向下泄水，經屋面內排水管系，從排出管排出，管道中是全充滿的壓力流狀態，屋面雨水的排水過程是一個虹吸排水過程。所以，把具有虹吸排水能力的屋面雨水排水稱之為壓力流雨水排水系統是比較貼切的。壓力流屋面雨水排水系統內管道的壓力和水的流動狀態是變化的。降雨初期降雨量較小，懸吊管內是一有自由表面的波浪流，隨著降雨量的增加，管內呈現脈動流，拉撥流，進而出現滿管氣泡流和滿管氣水乳化流，直至水的單相流狀態。降雨末期，雨量減少，雨水斗淹沒泄流的斗前水位降低到某一定值，雨水斗開始有空氣滲入，排水管內的真空被破壞，排水系統從虹吸流工況轉向重力流。在降雨的全過程中，隨降雨量的變化，排水管內的壓力和水流狀態會反覆變化。壓力流屋面雨水排水系統水力分析見圖1。

式（1）列出2－2和x－x斷面的伯諾里方程H+P2/γ+v22/2g=Hx+Px/γ+vX2/2g+h2－x（1）上式右等式，第一項為位置水頭，第二項稱為壓力水頭，第三項為速度水頭，第四項為兩斷面間的水頭損失。由於上式中，P2=0，v2=0，γ=1，hx=H－hx，代入式（1）得Px=hx－vX2/2g－h2－x（2）式中Px－管道x斷面處的壓力水頭。式（2）是計算管道中任一斷面處壓力水頭的基本公式，它的物理含義是管道中任一點的壓力水頭等於該點與雨水斗的高度差減去該點的速度水頭及該點至雨水斗管段的總水頭損失。通過改變斷面x在管道系統中的不同位置，可以清楚地判明全系統的壓力；雨水斗以下的連線管，管道內呈小的負壓或正壓。在懸吊管上，隨x斷面從懸吊管的最遠端向立管一側偏移，管道內的水頭損失增加，而可利用的水頭損失維持不變，管內呈不斷增大的負壓，在與立管的交叉點處負壓最大。其後，從立管與懸吊管交點向下，可利用的水頭迅速增加，大大超過因管道長度增加而增加的水頭損失，立管內的負壓值也隨之很快減少至零，繼之出現逐漸增加的正壓，立管底部達到最大值後再逐漸減少，至排水井處與大氣相通，管道中壓力為零，水流狀態轉為重力流。從上面的分析可以得出，雨水斗的進水水面至臨界總高度是有效作用高度，在設計計算中應充分利用；另一方面對雨水斗至懸吊管的末端的總水頭損失應有所限制，以控制懸吊管末端的最大負壓值

虹吸式排水系統

虹吸式排水系統為負壓法或壓力排水系統，它廣泛運用於大型屋面建築，如體育館，廠房等跨度大、結構複雜的屋面，是解決屋面排水的有效途徑。

排水原理：利用建築物屋面的高度使雨水具有勢能，從而使滿管流動時產生虹吸作用，在雨水連續流經雨水懸吊管轉入雨水立管處管道產生最大負壓。屋面雨水在管內負壓的抽吸作用下能以較高的流速被排至室外。

系統組成：虹吸式屋面雨水排水系統由防漩渦雨水斗、雨水懸吊管、雨水立管、埋地管、雨水出戶管組成。

形成過程:虹吸式雨水排放系統形成虹吸,分波浪流、脈衝流(脈動流)、活塞流(拉拔流)、泡沫流(乳化流)、滿管流等5 個階段在降雨初期,雨水排水系統懸吊管內的雨水為非滿管流，以波浪流和脈衝流為主，系統處於重力流狀態。隨著雨量的增大則斗前水深逐步增大，水流逐步過渡到活塞流和泡沫流並間歇性地產生虹吸滿管流流態，懸吊管內出現較明顯的負壓。虹吸的形成使系統排水能力突然增大，斗前水深又會回落，系統重新回到重力流方式。這種變換會來回持續一段時間，直到降雨量進一步增大，斗前水深趨向穩定，系統摻氣量減少，最終形成穩定的虹吸滿管流。

虹吸式排水與重力傳統排水優勢對比

根據規範規定,重力流屋面雨水排水管系的懸吊管應按非滿流設計,其充滿度不宜大於0.8 ,管內流速不宜小於0.75 m/ s ,且坡度不宜小於0.5 % ,需要較大的懸吊管管徑和坡降。同時為了使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量不得超過4 個,這也導致了雨水懸吊管和雨水立管數量的增加,同時增加了屋面荷載,也增加了工程的造價。

虹吸式屋面雨水排水系統,提高了排水能力,能迅速排除屋面雨水,減輕屋面荷載，減少屋面積水對建築物屋頂結構的危害;懸吊管接入雨水斗的數量不受限制,節省了雨水立管;懸吊管不需做坡度,安裝方便美觀,在機電安裝空間內始終只保持一個安裝高度，便於機電綜合協調;不需要設定檢查口或清掃口(因為虹吸式雨水斗的設計可隔截垃圾及大顆粒狀物質進入系統以及系統具有自潔功能) ;系統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。

工程案例

長沙某實業有限公司辦公樓工程是集會議、接待、辦公於一體的綜合性工程。工程占地面積為14422m2。主樓20層，局部7層，裙樓4層，局部5層。屋面面積：主樓1754m2 ，裙樓12154 m2。

裙樓部分雨水系統設計相關技術數據：設計重現期P = 5 a；長沙5分鐘暴雨強度q5 = 0. 0626 L / ( s/m2 ) ;裙樓總匯水面積Fw = 12154m2 ；平屋面(坡度< 2. 5% ) , K1 取1。根據Qy = K1·Fw ·q5 /100 =12154 ×6. 26 = 760. 84 L / s,以1個雨水斗200m2計需61個雨水斗。

若採用普通重力流雨水排放系統，按每根De10立管分擔匯水面積250m2計算,需排水立管49根。若按De10及De160管計算則需41根De10立管帶61個雨水斗或19根De160立管帶61個雨水斗。

根據上述闡述，虹吸雨水排放系統具有流量大、流速快、強度高、耐久性好、不易滲漏、便於平面布置、施工方便、節省材料、工期短、造價較低等諸多優點，所以該工程(裙樓部分)採用虹吸雨水排放系統。進一步深化設計後確定: De90 系統1 個, De10 系統5個,De125系統2個,De160系統5個,總計13個系統帶62個雨水斗。

該工程竣工兩年，目前使用情況良好，自從啟用以來排水通暢,效果較好,並經歷了湖南省雨季(4月～6月)的自然條件考驗,達到了預期效果，取得了一定的經濟效益和社會效益。