压力流屋面排水系统

压力流屋面雨水排水系统的工作原理压力流屋面雨水排水系统由有压流雨水斗、雨水悬吊管、雨水立管、埋地管、雨水出户管组成。有压流雨水斗具有良好的整流功能，在设计降雨强度下雨水斗不渗入空气，降雨过程中相当于从屋面上有一个稳定水面的小水池向下泄水，经屋面内排水管系，从排出管排出，管道中是全充满的压力流状态，屋面雨水的排水过程是一个虹吸排水过程。所以，把具有虹吸排水能力的屋面雨水排水称之为压力流雨水排水系统是比较贴切的。压力流屋面雨水排水系统内管道的压力和水的流动状态是变化的。降雨初期降雨量较小，悬吊管内是一有自由表面的波浪流，随着降雨量的增加，管内呈现脉动流，拉拨流，进而出现满管气泡流和满管气水乳化流，直至水的单相流状态。降雨末期，雨量减少，雨水斗淹没泄流的斗前水位降低到某一定值，雨水斗开始有空气渗入，排水管内的真空被破坏，排水系统从虹吸流工况转向重力流。在降雨的全过程中，随降雨量的变化，排水管内的压力和水流状态会反复变化。压力流屋面雨水排水系统水力分析见图1。

式(1)列出2-2和x-x断面的伯诺里方程H+P2/γ+v22/2g=Hx+Px/γ+vX2/2g+h2-x(1)上式右等式，第一项为位置水头，第二项称为压力水头，第三项为速度水头，第四项为两断面间的水头损失。由于上式中，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断面处的压力水头。式(2)是计算管道中任一断面处压力水头的基本公式，它的物理含义是管道中任一点的压力水头等于该点与雨水斗的高度差减去该点的速度水头及该点至雨水斗管段的总水头损失。通过改变断面x在管道系统中的不同位置，可以清楚地判明全系统的压力;雨水斗以下的连接管，管道内呈小的负压或正压。在悬吊管上，随x断面从悬吊管的最远端向立管一侧偏移，管道内的水头损失增加，而可利用的水头损失维持不变，管内呈不断增大的负压，在与立管的交叉点处负压最大。其后，从立管与悬吊管交点向下，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后再逐渐减少，至排水井处与大气相通，管道中压力为零，水流状态转为重力流。从上面的分析可以得出，雨水斗的进水水面至临界总高度是有效作用高度，在设计计算中应充分利用;另一方面对雨水斗至悬吊管的末端的总水头损失应有所限制，以控制悬吊管末端的最大负压值

虹吸式排水系统

虹吸式排水系统为负压法或压力排水系统，它广泛运用于大型屋面建筑，如体育馆，厂房等跨度大、结构复杂的屋面，是解决屋面排水的有效途径。

排水原理:利用建筑物屋面的高度使雨水具有势能，从而使满管流动时产生虹吸作用，在雨水连续流经雨水悬吊管转入雨水立管处管道产生最大负压。屋面雨水在管内负压的抽吸作用下能以较高的流速被排至室外。

系统组成:虹吸式屋面雨水排水系统由防漩涡雨水斗、雨水悬吊管、雨水立管、埋地管、雨水出户管组成。

形成过程:虹吸式雨水排放系统形成虹吸,分波浪流、脉冲流(脉动流)、活塞流(拉拔流)、泡沫流(乳化流)、满管流等5 个阶段在降雨初期,雨水排水系统悬吊管内的雨水为非满管流，以波浪流和脉冲流为主，系统处于重力流状态。随着雨量的增大则斗前水深逐步增大，水流逐步过渡到活塞流和泡沫流并间歇性地产生虹吸满管流流态，悬吊管内出现较明显的负压。虹吸的形成使系统排水能力突然增大，斗前水深又会回落，系统重新回到重力流方式。这种变换会来回持续一段时间，直到降雨量进一步增大，斗前水深趋向稳定，系统掺气量减少，最终形成稳定的虹吸满管流。

虹吸式排水与重力传统排水优势对比

根据规范规定,重力流屋面雨水排水管系的悬吊管应按非满流设计,其充满度不宜大于0.8 ,管内流速不宜小于0.75 m/ s ,且坡度不宜小于0.5 % ,需要较大的悬吊管管径和坡降。同时为了使在同一根雨水管上的各个雨水斗的雨水能够正常排放,因而限定一根雨水悬吊管的雨水斗的数量不得超过4 个,这也导致了雨水悬吊管和雨水立管数量的增加,同时增加了屋面荷载,也增加了工程的造价。

虹吸式屋面雨水排水系统,提高了排水能力,能迅速排除屋面雨水,减轻屋面荷载，减少屋面积水对建筑物屋顶结构的危害;悬吊管接入雨水斗的数量不受限制,节省了雨水立管;悬吊管不需做坡度,安装方便美观,在机电安装空间内始终只保持一个安装高度，便于机电综合协调;不需要设置检查口或清扫口(因为虹吸式雨水斗的设计可隔截垃圾及大颗粒状物质进入系统以及系统具有自洁功能) ;系统按虹吸式压力流计算可以减小选用管道的管径,工程实践证明可大量减少工程造价。

工程案例

长沙某实业有限公司办公楼工程是集会议、接待、办公于一体的综合性工程。工程占地面积为14422m2。主楼20层，局部7层，裙楼4层，局部5层。屋面面积:主楼1754m2 ，裙楼12154 m2。

裙楼部分雨水系统设计相关技术数据:设计重现期P = 5 a;长沙5分钟暴雨强度q5 = 0. 0626 L / ( s/m2 ) ;裙楼总汇水面积Fw = 12154m2 ;平屋面(坡度< 2. 5% ) , K1 取1。根据Qy = K1·Fw ·q5 /100 =12154 ×6. 26 = 760. 84 L / s,以1个雨水斗200m2计需61个雨水斗。

若采用普通重力流雨水排放系统，按每根De10立管分担汇水面积250m2计算,需排水立管49根。若按De10及De160管计算则需41根De10立管带61个雨水斗或19根De160立管带61个雨水斗。

根据上述阐述，虹吸雨水排放系统具有流量大、流速快、强度高、耐久性好、不易渗漏、便于平面布置、施工方便、节省材料、工期短、造价较低等诸多优点，所以该工程(裙楼部分)采用虹吸雨水排放系统。进一步深化设计后确定: De90 系统1 个, De10 系统5个,De125系统2个,De160系统5个,共计13个系统带62个雨水斗。

该工程竣工两年，目前使用情况良好，自从启用以来排水通畅,效果较好,并经历了湖南省雨季(4月~6月)的自然条件考验,达到了预期效果，取得了一定的经济效益和社会效益。

一般屋面排水系统常按其排水管的设置位置和排水去向分为外排水系统和内排水系统，从水力学的观点来分可分为重力流屋面排水和压力流屋面排水系统两类，后者在于强调在设计降雨强度下屋面排水系统内的有压状况。不同的屋面雨水排水系统根据其所具有的水流状态的分析，采用不同的设计计算方法。传统的屋面雨水排水系统按重力流设计，屋面重力式排水系统采用重力式的雨水斗，雨水斗排水状况是自由堰流，流入雨水斗的雨水渗入空气，形成水气混合流，雨水斗的设计流量偏小;按重力流计算的悬吊管要求不大于0.8的充满度和大于5‰的坡度，因此需要较大的管径和坡降，为保证连接在同一悬吊管上的各个雨水斗正常工作，限定连接雨水斗不多于4个，导致雨水立管的根数增加。重力流屋面雨水排水系统受其水力特性的限制，造成排水立管多，管径大，排水能力小，对于大面积工业厂房及公共建筑屋面雨水排水系统则更显突出。压力流屋面雨水排水系统，采用有压流雨水斗，排水能力有很大的提高，在符合水力计算的条件下，接入悬吊管的雨水斗的个数不受限制，因此减少了立管和埋地管的数量;悬吊管不需坡度，安装方便、美观;系统按压力流计算可减小选用管道的直径，由于单一系统的悬吊管长度可达150m，主立管可以靠近外墙，建筑物内可以不需做管道井，不埋设管道，对于建筑物内地面下管道多或不宜设井的场所尤为适宜。可见，压力流屋面雨水排水与重力流相比有明显的技术优势