【摘 要】 虹吸技术于1968年应用于现代建筑中，经过四十多年的不断研究与完善，虹吸雨水系统成为了国际上较为先进的屋面雨水排放系统，该系统在我国应用已有20多年的历史，它不仅解决传统重力式雨水系统无法做到的设计难点，在节省施工时间和节约工程成本方面，也有着传统系统无法比拟的优点。本文主要结合实际案例进行分析探讨.
【关键词】:虹吸雨水排水系统原理;优势比较;设计分析
1.虹吸式屋面雨水排水系统的应用及工作原理
1)虹吸式雨水排水系统的应用
虹吸式屋面雨水排水系统目前应用于各种大跨度、结构复杂的屋面及高层建筑裙楼的雨水排放，如大型厂房仓库、展览馆、机场候机楼、运动场体育馆、大型购物广场、超市及各种网架金属屋面等。由于现代建筑的设计越来越考虑外观创新、装饰美观、施工便捷、使用面积及使用寿命等因素，虹吸式雨水系统也完美的配合了现代影院、剧场、会展中心、图书馆、学校医院的装饰及声学要求。
2)虹吸式屋面雨水排水系统的工作原理
在降雨过程中利用雨水斗与出户管之间的高差所形成的压差，经排水管系，把雨水快速排出，在这过程中排水管道是全充满的满管压力流状态，屋面雨水的排放过程是一个虹吸排水过程。
虹吸式屋面雨水排水系统依靠具有良好整流功能的雨水斗，雨水斗在其额定设计流量时处于淹没泄流排水状态，汽水分离，使雨水立管中为满流状态，达到一定程度时产生虹吸作用，在降雨过程中，由于连续不断的虹吸作用，得以迅速排出屋顶上的雨水。
虹吸式屋面排水系统的管道在设计降雨强度呈负压，管材的选用应考虑承受负压的能力。当雨水斗淹没泄流的斗前水位降低到其一定值，雨水斗开始有空气渗入，排水管道内的真空被破坏，排水系统将从虹吸压力流的工况转向重力流。
2.虹吸雨水与传统重力流雨水系统的比较优势
目前现代建筑中采用的两种屋面雨水排水系统，传统重力式排水系统和虹吸式屋面雨水排水系统，传统重力式雨水排水系统应用最为广泛，但对于大面积大跨度屋面，采用虹吸排水系统更具科学性和先进性。
1)排水效果
传统重力流雨水系统雨水斗流量小，气水合流，排水效果差。虹吸雨水系统雨水斗流量大，气水分流，排水速度更快，效果更好。
2)成本优势
相同管径的排水管道，虹吸雨水系统的泄流量远远大于重力流系统泄流量，即同样的雨水流量，采用虹吸排水系统的排水管管径要小于采用重力排水系统的排水管管径。横管、立管、埋地排出管、室外检查井的数量都大大减少，与传统重力流雨水系统埋地管多，土建工作量大，地沟容易翻水相比，虹吸雨水系统的地面开挖工作量小，有效缩短工期、也降低了整个排水系统的工程成本。
3)空间布置
雨水斗与悬吊横管连接，悬吊横管可以不设置坡度，只要满足计算要求，单系统所带的雨水斗个数不限，不但便于管道的安装及布置，而且减少了横管及排水立管的数量，节约了安装空间，有利于建筑吊顶的空间布置和建筑立面的装饰，而重力流雨水系统单系统所带雨水斗个数受限，立管管径大，数量多且不美观。
4)维护维修
由于虹吸排水系统的雨水斗的流量大，屋面开孔比传统重力流排水系统要少，减少了屋面的漏水几率，减轻了屋面的防水压力。虹吸排水系统管内高速流动的雨水对管道内部能起到自我清洁疏通作用，系统日常维护中主要检查格栅的固定，清除屋面、天沟及雨水斗中的杂质，节省了后期的维护工作。
3.工程案例分析
某项目高层商住综合楼，塔楼屋面采用重力流雨水排水系统，裙楼屋面采用虹吸式雨水排水系统，地下停车库出入口车道起端及末端加设雨水截水沟，并设集水井及潜水泵排放雨水，本文主要分析虹吸式屋面雨水排水系统。该系统由雨水斗、雨水悬吊管、雨水立管、雨水埋地管组成。设计采用5分钟降雨历时，10年重现期，暴雨强度为4.05L/s/100m2（同时建筑各屋面女儿墙均增设溢流设施，屋面排水与溢流设施的总排水能力不应小于50年重现期）；室外路面雨水排放系统采用2年重现期设计，暴雨强度为3.49L/s/100m2。设计总雨水量为1278L/s，分多根雨水管分别排放至项目周边市政雨水管网。
1)水力计算
虹吸雨水排水系统的水力计算模型是在满流条件下利用伯努利方程，通过对系统中管路水力工况进行精密计算，得到每一段管路的管径、长度、流量、流速、压力等，为实现设计目的提供理论依据。
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水力计算中需注意雨水排水管道总水头损失与流出水头之和不得大于雨水管进出口的几何高差。水力计算的最终目的是为了实现斗前水深的稳定可靠，利用较小的斗前水深形成虹吸，通过对充满度，流速，负压值三者之间的平衡来实现。如果充满度太小，虹吸形无法形成，充满度太大，雨水无法按设计要求快速排出，通常充满度在60%左右就能形成比较稳定的虹吸流。其次是流速，流速太小，无法形成虹吸，流速太大，容易造成对管道的冲刷。所以，虹吸雨水系统中的悬吊管流速不宜小于1m/s，立管流速不宜大于10m/s。还有负压值太小，虹吸形不成，负压值太大，管道会被吸扁。
2)设计重现期
设计重现期的取值决定了雨水系统是否正常、安全的工作。重力排水系统的设计重现期越大，越能提高排水能力和排水安全。而对于虹吸雨水排水系统的设计重现期，却并不是越大越好，设计重现期越高，越不利于虹吸压力流的形成，导致雨水以重力流的形式排出，而这种重力流的排放效率却远远低于真正的重力流系统，时间一长不但会因管道积水引起杂质淤积堵塞管路，而且增加了工程造价造成不必要的浪费。所以应选取合理的数值，通常普通建筑为5年，重要建筑为10年。因为与传统的重力流雨水排水系统不同，虹吸雨水排水系统并不排放设计重现期以外的雨水量，所以虹吸式屋面雨水排水系统需要增加溢流系统，设置屋面溢流口或管道溢流系统，排出设计重现期以外的雨水量。根据规范要求，设计重现期满足：虹吸系统+溢流系统=50年重现期。
3)虹吸雨水斗
虹吸雨水斗是虹吸雨水系统组成的关键部件，也是雨水的收集装置。本项目雨水斗采用优质304不锈钢材质，铝合金压环和导流罩，具有抗腐蚀抗挤压的特性。虹吸雨水斗极强的反涡流功能可以很好的防止空气通过雨水斗入口处的水流带入整个系统，并在斗前水位升高到一定程度时，形成水封完全阻隔空气进入。并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。
4)雨水天沟
雨水天沟的过水断面根据汇水面积的设计流量计算确定，当雨水斗均布时，雨水天沟可不需找坡，如果大型屋面雨水沟采用集中布斗，就需要适当找坡，天沟坡度的大小是选择天沟计算公式最重要的因素。雨水天沟的最小尺寸宜为500mm宽，250mm深。天沟尺寸过小会造成系统漏气，不易进水，无法设置溢流口等，对钢天沟而言，沟深太小还容易翻水。
4. 设计、施工中的几点建议
1）设计管道时确定充满时间
管道充满分两个阶段：第一阶段是形成虹吸之前，雨水由于管道非满流排水能力小于雨水的流量而在天沟集聚；第二阶段是雨水在管道中聚集充满管道产生虹吸。设计时主要比较天沟的容量和管道的容积及排水能力和雨水暴雨强度，确定充满时间，天沟的深度。
2）安装雨水斗
雨水斗进水口应水平安装，进水口高度应保证天沟内的雨水能通过雨水斗排净。由于虹吸雨水系统是一个封闭系统，在施工过程中应注意管口和雨水斗的临时封堵，防止杂物进入系统，安装时要避免空气通过雨水斗进入整个系统在管道内形成气团，大大降低系统排水效率。同时雨水斗不宜用作临时排水。
3）保证管道无渗漏
由于虹吸雨水排水系统的严密性直接影响排水效果，且虹吸系统发生渗漏时不易被发现。一旦在系统有渗漏的情况下发生大强度的暴雨，可能导致屋面雨水无法及时排出，超过屋面可负荷的荷载强度时引起屋面坍塌，造成重大后果。
4）管道及配件连接
管道的连接，铸铁管采用卡箍式连接，卡箍宜采用不锈钢卡箍件，且内衬橡胶密封圈。不锈钢管和钢管连接可采用焊接式、法兰式或沟槽式。焊接、法兰连接应二次镀锌。HDPE管的连接采用热熔对焊连接或电熔连接，管道与雨水斗的连接应采用电熔连接。施工过程中应严格预防生活垃圾、杂物、建筑垃圾等进入管道，引起管道阻塞。
总之，虹吸式雨水系统克服了传统重力流雨水排水系统在现代建筑中管路布置既占用空间又不美观的缺点，解决了传统重力排水系统在大跨度屋面和复杂屋面中无法解决的设计难点，节省了施工周期和施工成本。同时雨水的集中排放也为收集利用雨水资源创造了有利条件，具有非常广阔的应用前景。
5.结语
在选择屋面雨水排水系统时，应结合建筑物的功能、使用要求、建筑结构特征、建筑物所在地区的气象条件等方面综合考虑，进行技术、经济比较后确定合适的雨水排水系统。通过上述对虹吸式排水系统和重力式排水系统的比较分析我们可以看出，虹吸雨水排放系统在大面积屋面雨水的应用中具有非常明的优势，也必将是将来此类公共建筑屋面雨水排水的发展方向。
参考文献:
[1]《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003）（2009年版）北京中国计划出版社.
[2]《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》（CECS183-2005）北京中国计划出版社
论文作者:周曦慧
论文发表刊物:《低碳地产》2016年12期
论文发表时间:2016/10/25
标签：雨水论文; 屋面论文; 排水系统论文; 系统论文; 天沟论文; 重力论文; 管道论文; 《低碳地产》2016年12期论文;