浅谈虹吸式屋面雨水排放系统

　概要：结合南通市体育会展中心体育场屋面雨水排放系统工程的实际施工情况，分析了虹吸式屋面雨水排放系统的工作原理、技术优势、特点、管材选用以及施工技术，从而为类似屋面雨水排放系统工程的施工提供一定的参考。
　　关键词：虹吸式屋面雨水排放系统 虹吸雨水斗 工作原理 管材 施工技术
　　一、工程概述
　　南通市体育会展中心体育场工程作为国内第一个可开闭顶体育场，拥有3万个座位，屋顶开启面积为105米×190米，比2008年北京奥运会主会场"鸟巢方案"所开启面积还要大三分之一，堪称全国第一工程。该工程屋面雨水排放系统采用虹吸式屋面雨水排放系统，由上海同济大学设计研究院设计，屋面汇水总面积43528m2，虹吸雨水汇水总流量1658.42L/S，结合屋面汇水面积及天沟分布情况,整个屋面分为26个汇水区域，每个汇水区域分别设计了一个虹吸雨水子系统，共设计了60个PPII-108型雨水斗。

　　二、系统特点
　　虹吸式屋面雨水排放系统是一种新型的雨水排水系统，与传统的重力雨水排水是完全不同的。系统在降雨初期，屋面雨水高度未超过雨水斗一定高度时，整个排水系统工作状况与重力排水系统相同，随着降雨的持续，当屋面雨水高度超过雨水斗一定高度时，由于采用了科学设计的防漩涡雨水斗，通过控制进入雨水斗的雨水流量和调整流态减少漩涡，从而极大地减少了雨水进入排水系统时所夹带的空气量，使得系统中排水管道呈满流状态，利用建筑物屋面的高度和雨水所具有的势能，（一般虹吸系统雨水管管径DN≤75，最小落差高度为3米，管径DN≥90高度最小落差高度为5米），在雨水连续流经过雨水悬吊管转入雨水立管跌落时形成虹吸作用，并在该处管道内形成最大负压，屋面雨水在管道内负压的抽吸作用下以较高的流速被排至室外。大于等于905因此，屋面雨水的排放过程是一个虹吸作用的结果，我们把这样的系统称为虹吸式屋面雨水排放系统。
　　三、系统组成
　　1．综述
　　屋面雨水排水系统一般由虹吸式雨水斗、无坡度悬吊管、悬吊装置、立管和雨水出户管（排出管）组成。（见下图）

　　虹吸式雨水排放系统管内压力、水流状态是不断变化的过程。降雨初期，雨量一般较小，悬吊管内是有自由液面的波浪流。根据雨量大小的不同，部分情况下初期无法形成虹吸作用，是以重力流为主的流态。随着降雨量的增加，管内逐渐呈现脉动流，拔拉流，进而出现满管气泡流和满管汽水混合流，直至出现水的单向流状态。降雨末期，雨水量减少，雨水斗淹没泄流的斗前水位降低到某一特定值（根据不同的雨水斗产品设计而不同），雨水斗逐渐开始有空气掺入，排水管内的虹吸作用被破坏，排水系统又从虹吸流状态转变为重力流状态。因此在整个降雨过程中，悬吊管内的压力和水流状态会出现反复变化的情况。
　　2．雨水斗

　　一般来说，雨水斗的设计是整个虹吸系统的能否按设计要求工作的关键所在之一，它的稳流性越好，产生虹吸所需的屋面汇水高度越低，总体性能就越优越。上图为目前市场常用的标准型雨水斗，它是由雨水斗斗体、防水压板、防水压环、整流装置以及导流罩组成。另外根据需要可提供通用型的绝缘底座，固定件，法兰片，焊接片，防火保护帽等配件。虹吸式雨水斗材质可以为铸铁、铝合金或不锈钢，其各部分有不同的结构功能。雨水斗置于屋面层集水坑中，集水坑上部盖有进水格栅，主要是为了防止杂物进入雨水斗。降雨过程中，雨水通过格栅盖进入雨水斗，当汇水达到一定高度时，雨水斗内的整流装置将阻挡空气从外界进入同时消除涡流状态，使雨水平稳地淹没泄流进入排水管。虹吸式雨水斗最大限度减小了天沟的积水深度，使屋面承受的雨水荷载降至最小，同时提高了雨水斗的额定流量。
　　3.管材
　　传统雨水管道为重力流管道，管材采用UPVC雨水管、焊接钢管。屋面雨水排水系统管材一般选用HDPE管，因为PE材料具有如下优点：比重轻、韧性强、抗冲击、耐侯性范围大，并具抗腐性、抗紫外线，不结垢、无毒等优点，材质寿命长达50-70年；在水利条件方面摩擦系数小、不易堵塞。HDPE管的连接方式：主要采用热熔连接，通过物理原理使材料熔为一体，安全可靠，并可根据需要进行合理的机械连接（如丝口、法兰等）。
　　4.悬吊系统
　　虹吸雨水排放系统的管道固定系统，区别于一般的管道固定系统，在业内一般称为"消能固定系统"，该系统根据虹吸雨水系统独特的工作原理及运行时会产生较大的震动，在设计时采用固定管卡分段补偿，主要由方钢导轨、悬吊滑动管卡、悬吊固定管卡、方钢组合件、立管管卡等组成，（见下图）该系统具有如下特点：

　　①雨水悬吊管因温度变化产生的膨胀变形分解到各固定支（吊）架之间，变形无法目测察觉，起到美观作用。
　　②将雨水悬吊管轴向伸缩产生的膨胀应力由固定支（吊）传递到消能悬吊系统上被消解，对建筑的结构本体不会造成影响。
　　③能将雨水悬吊管工作状态下的振动荷载通过固定支（吊）架传递到消能悬吊系统上，利用悬吊刚结构的刚性进行消解。
　　④管道于屋面的固定点数减少，降低对屋面的破坏程度。
　　四、施工技术
　　1系统安装工艺流程

　　2.管道悬吊系统安装
　　对于HDPE管，固定系统采用特殊的固定系统，为工厂生产的成品，已经热镀锌处理。除与网架结构及钢的连接外，均不需用电焊，只要按照要求进行简单的装配。
　　悬吊系统安装时，在悬吊管上每间隔≤5米设置一个固定支（吊）架，此点与悬吊梁固定，为不可移动的。因为PE管具有膨胀系数较大，但膨胀应力小的特性，所以固定支（吊）架的设置将整段悬吊管的膨胀变形分解到各固定支（吊）架之间，变形无法目测察觉，起到美观作用，膨胀应力由固定支（吊）架传递到悬吊梁上，对建筑的结构本体不会造成影响，同样悬吊管的振动也通过支（吊）架传递到悬吊梁上，利用悬吊梁及吊杆消解。悬吊管及立管均设有固定支架，具有防晃抗震作用。该悬吊系统能够保证管道不下垂，不产生水流阻塞，防晃，抗震，并固定于本体结构柱墙或顶板上。
　　在安装管道系统以前，按照设计位置把固定系统安装好。首先，对于悬吊水平管道的消能悬吊系统，按照设计的数量和位置先把安装片焊接在钢结构上（或采用抱箍连接），如果是钢筋混凝土结构，则用钢膨胀螺栓把安装片固定在钢筋砼上，用螺杆、方钢卡等装置把型号为40X40X2.5的镀锌方钢管固定起来，水平度调整至符合设计要求。
　　对于立管的固定装置，同样按照设计要求和规范规定把安装片固定在柱子或墙壁上，以便进行立管管卡的安装。

　　3.HDPE管材的连接
　　HDPE管热熔对焊连接是一种最简单的管件连接方法，它为整个系统的预制安装提供了许多方便有利的前提条件；在管道安装前建议应由厂家的专业人员的现场指导，以下是完成一个完美的焊接过程所需要的条件：
　　o保持焊接部位、管道及电热板的清洁度
　　o正确的焊接温度
　　o焊接连接过程中施加相应的力
　　o焊接切断面必须是垂直的90°，必须通过刨刀、刨口。
　　4.雨水斗安装
　　本工程雨水斗安装时要在钢天沟开孔，开孔尺寸为D1+10mm。误差不大于5mm，开洞为圆形。横向位置在天沟中央，误差≤5毫米。纵向位置按照定位图定位，纵向偏移误差≤10毫米。雨水斗与金属天沟采用氩弧焊接，焊接线为雨水斗法兰的外边缘，要保证焊缝质量达到相关要求。雨水斗排出口与HDPE管道之间使用电焊管箍焊接，整体性和密封性非常可靠。
　　5.虹吸式雨水系统灌水试验
　　参照《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》GB50242-2002第5.3.1条，本系统采用灌水试验，灌水高度必须到每根立管上部的雨水斗。检验方法：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，经1小时后，如水面下降则加水到原水面，直至水面不下降为止，同时检查管道及接口，不渗不漏为合格。

　　五、总结
　　通过本工程实践可以看出，虹吸屋面雨水排放系统与传统重力雨水排放系统比较有以下优点：节约管材、节约造价，现场施工量减少、施工方便；降低管径节约安装空间，管道具备自洁能力。

      （ 陈德新 冯加东  南通市工业设备安装有限公司）

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