质量安全压力流屋面雨水排水系统的研究与应用

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1、压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统的研究与应用1、工程概况本工程位于郑州市郑东新区CBD商务区，总建筑面积为21.47万平方米，分为会议中心和展览中心，其中会议中心面积为60808平方米。屋盖为伞状结构，中央桅杆高度为110米，上檐顶端高度为50米，下檐口高度为24米，屋脊下沿高度为30米，屋面汇流面积30816平方米。本工程雨水排放由于汇流面积大，每条天沟汇流面积为1284平方米，必须采用合理的排放方式才能保证雨水的顺利排放。2、方案的选型及可行性分析从水力学的观点，屋面雨水排水系统可分为重力流屋面排水系统和

2、压力流屋面排水系统两类。不同的屋面雨水排水系统，在设计时采用的计算方法也不同。此前，我国的屋面排水系统按重力流设计，屋面重力流雨水排水系统采用重力式雨水斗，雨水斗的排水状况是自由堰流，流入雨水斗的雨水掺入空气，形成水气混合流，雨水斗的设计流量小；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；为了维持连接在同一悬吊管上的各个雨水斗的正常工作，限定连接雨水斗的数量不多于4支，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

3、小、噪声较大，对建筑物的空间利用率不利，尤其是在大面积工业厂房及公共建筑屋面雨水排水中这些问题更为突出。压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统，采用虹吸式雨水斗，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；系统按虹吸流计算，可以减少选用管道的管径，管内流速增加，有利于提高自净能力；单一系统的水平悬吊管长度可达150m，主立管可以根据室内空间的需要灵活布置，且建筑物内可以不需做管道井、不埋设管道，对于建筑物内地下管道较多

4、或不宜设井的场所尤为适宜；形成虹吸时，是满管流，噪声很小。可见，压力流（虹吸式）屋面雨水排水系统与重力流相比有明显的技术优势。由于屋面形式限制，雨水只能顺天沟汇流到雨水斗，再从雨水斗沿立管接至地下雨水管网，立管必须明敷设，立管管径尽可能小，才能保证美观，综上比较，本工程雨水排放采用压力流（虹吸式）屋面雨水排放系统。3、压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统的工作原理9压力流(虹吸式)屋面雨水排水系统由虹吸式雨水斗、雨水水平悬吊管、雨水立管、埋地管、雨水出户管(排出管)组成(见图1)。国产化的压力流(虹吸式)屋面雨水

5、排水系统开发了具有良好整流功能的下沉式雨水斗系列产品，在设计降雨强度下雨水斗不掺入空气，降雨过程中相当于从屋面上一个有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。压力流(虹吸式)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、拉拔流，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

6、定值。雨水斗开始有空气掺入，排水管内的真空被破坏，排水糸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，悬吊管内的压力和水流状态会反复变化。与悬吊管的情况相似，在水量增加时，立管内水流会从附壁流向气塞流、气泡流、气水浮化流、水单向流过渡。U2xPP2U22压力流（虹吸式）屋面雨水排水系统水力分析见图2。式（1）列出2-2和x-x断面的伯诺里方程：2grr2gH++=H4+++h2-x(1)上式右等式，第一页称为位置水头，第二项称为压力水头，第三项是速度水头，第四项是两断面间的水头损失。以上各项均具

7、有长度[L]的量纲.mc。V2r由于上式中，P2=0，v2=0，r=1，hx=H-Hx，代入(1)式中得2gGgPX=hx－－h2－ｘ(2)9式中P2——管道X断面处的压力水头。式（2）是计算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，该点至雨水斗管段的总水损失通过改变断面x在管道系统的不同位置，可以清楚地判明全系统的压力。在雨水斗的接出管上，由于一般的虹吸式雨水斗都有较大的水头损失，加上雨水斗的出水管较细，管道内流速较快.速度水头较大，两

8、项之和与可利用的水头之差的绝对值不大。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，随着X断面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，而可利用的水维持不变。按式（2）计算的结果，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，从立管与悬员管交点向下，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，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。正