虹吸式与重力式排水系统的技术优势性比较
关键词：虹吸式排水,重力式排水,广州焙乐道
前言
虹吸式排水系统目前在国际上已经具有30多年的应用历史，但在我国还是一种全新的建筑排水新技术，其应用主要分布在华东、华南及北京地区等部分较发达地区的大型工业厂房、会展中心、体育场馆、商业中心及高层裙房等跨度大、结构复杂的屋面。有了这些非常成功的工程案例，从此改变了人们对传统的屋顶雨水排水仅限于那些悬挂在房屋外深褐色的铸铁管，而对建筑技术的迅猛发展给传统的重力式排水技术越来越难以解决的复杂结构或大面积屋面的排水难题，找到了一个更行之有效更先进的工艺系统——虹吸式排水系统。以下根据在广州焙乐道项目大面积轻钢结构工业厂房屋面虹吸式排水设计中的体会，浅析虹吸式排水系统的适用性和先进性，认为其具有广阔的推广前景。
1 工程概况
广州焙乐道食品有限公司建设项目厂房建筑面积为14000平方米的大面积多跨度轻钢结构工业厂房，厂房长度约200m，宽度为72m，由于厂房局部是单向排水，单跨度最大排水面积约2700平方米，屋面维护为彩钢板屋面，天沟为镀锌钢板天沟。因为厂房屋面单跨排水面积大，排水施工难度高，另外因食品厂房卫生要求高，不允许室内穿雨水管，利用局部屋顶高差，厂房雨水系统采用虹吸式雨水排水系统，雨水横干管可以沿屋顶敷设，不用穿越厂房。本工程虹吸式雨水排水系统设计重现期取P=10年，其降雨强度：q=702.42L/s*ha;雨水斗采用虹吸式专用雨水斗，雨水斗与钢天沟均采用焊接连接，保证系统的气密性;雨水管采用HDPE高密度聚乙烯管，热熔连接。
2 虹吸式排水系统工作原理概述
虹吸式屋面雨水排水系统的最大改进和技术进步是具有良好整流功能的“虹吸式雨水斗”。在其额定设计流量时处于淹没泄流排水状态，不渗气;设计排水量大;雨水斗淹没泄流的斗前水深小。采用了虹吸式雨水斗的屋面雨水排水系统，相当于从屋面上的一个稳定水面的水池中泄水，排水管道处于全充满的压力流状态，充满度达到1.0，大大提高了流量;虹吸式屋面排水系统的管道在设计降雨强度下呈负压，形成虹吸排水过程，达到最大限度提高流速的目的。
虹吸式屋面雨水排水系统管道内设计状态下的压力分布与一般的重力式屋面雨水排水系统有明显的区别。虹吸式屋面雨水排水系统自雨水斗连接管以下，管道内呈负压，在悬吊管与立管的交叉点处负压最大，其后立管上的负压减小，至临界点负压消失，管道内的压力为零，水流状态转为重力流。因此，雨水斗的进水水面至临界点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。
3 虹吸式雨水斗的技术特性
虹吸式屋面雨水系统的设计工况是用足系统的排水能力，所以设计排水能力大。其组成部分设有溢流口、天沟、雨水斗、连接管、悬吊管、立管、过渡段及排出管。
虹吸式排水不同于重力式排水的主要特点在于必须采用虹吸式专用雨水斗，其规格有DN56～DN150等，能够满足工程的实际要求，全不锈钢材质，底盘置于屋面结构中，上部设有进水格栅，整流罩等。在降雨过程中，通过格栅盖进入雨水斗的屋面雨水落入深斗内，斗内带孔隙的整流罩，使处于涡流状态的雨水平稳地以淹没泄流流出进入排水管。 虹吸式专用雨水斗最大限度的减小了天沟的进水深度，使屋面承受的雨水荷载降至最小，同时又使雨水斗的出口获得较大的淹没水深，消除了在设计流量下工作时的渗气现象，提高了雨水斗的额定流量。虹吸式雨水斗的额定流量是以不渗入空气为确定原则，提出相应的斗前水深，以DN50雨水斗为例，当泄流量为6L/s时，斗前水深降至45mm，水流出现乳化现象，数量降至40mm，渗气量为0.2L/s。虹吸式雨水斗的斗前水深不宜大于55mm。两个雨水斗之间的间距不应超过20m。
虹吸式排水系统需选用承压金属管材和接口，用承压塑料管时应能承受0.09Mpa以上的负压。若采用钢管还需有防腐措施。系统设置有一定要求，对汇水面积大于5000m2的大型屋面，宜设2组及以上独立的系统单独排出。不同高度的屋面、不同形式的屋面，宜采用独立的系统单独排出。塔楼侧墙雨水和裙房雨水应各自独立排出。虹吸式屋面雨水系统的优点就是管道敷设坡度小或无坡度，在大型屋面建筑中节省建筑空间。且管径小，节省管材。
4 虹吸式与重力式排水系统的技术优势性比较
虹吸式屋面雨水排水系统，通过专用的雨水斗(虹吸式雨水斗又称为压力流雨水斗)和管道系统将雨水充分汇集到排水管中，排水管中的空气被完全排空，雨水自由下落时管道内产生负压，使雨水的下落达到最大的流速和流量。它广泛被应用于大型厂房、展览馆、机场、运动场、高层裙房等跨度大、结构复杂的屋面。不仅解决了一些传统重力式雨水系统无法做到的设计难点，而且在节省管材和施工量上，有着传统重力流无法比拟的优点。雨水的集中排放也为收集利用雨水资源创造了有利的条件。
传统的雨水排放是将天沟中或屋面上汇集的雨水通过雨水斗、雨水立管、排出管排至雨水井。按重力流设计的系统采用重力式的雨水斗，雨水斗排水状况是自由堰流，流入雨水斗的雨水会混入空气，形成水、气混合流，雨水斗的设计流量偏小，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0.75m/s，且坡度不宜小于0.5%，在遇到大屋面排雨水时需要较大的悬吊管管径和坡降。同时为了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。重力流屋面排水系统受其水力特性的限制，造成排水立管多，管径偏大，排水能力偏小，对于大面积工业厂房及公共建筑屋面排水系统则此种弊端更显突出。而虹吸式屋面雨水排水系统，能提高屋面雨水排水的能力：悬吊管接入雨水斗的数量不受限制，节省了不少的雨水立管;悬吊管不需做坡度，安装方便、美观;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。对于大型、复杂屋面，虹吸式屋面雨水排水系统与重力式屋面雨水排水系统相比有明显的技术优势。
5 虹吸式屋面雨水系统的适用条件及缺点
虹吸式屋面雨水系统在大屋面雨水排水系统中，有其显著的优势。但是也有其适用条件。因虹吸排水系统在形成虹吸之前要形成淹没出流，雨水排水沟需要积累一定高度的水深。用于实际集水时间小于5min的屋面时会产生短时间屋面积水。这就有可能造成屋面泛水溢水，对溢流的依赖性也极高，系统必须设置溢流口。所以虹吸式雨水排水系统适用于短时间积水不会产生危害的大型、复杂屋面。对于屋面的天沟壁与屋面板之间的搭接缝无防水功能时也不适用，若需采用则需要论证。对于非大型、复杂的屋面不宜采用，因其经济性和安全性均无优势。因为系统特有的精确计算和管材节省反而造成了系统的高造价，使工程投资显著增加，所以用于普通屋面的经济性差。且水力计算复杂，设计人员尚无法掌握计算手段。这也是虹吸式屋面雨水系统难以推广的重要原因。
结束语
通过在雨水排水设计中对虹吸式排水和重力式排水的比较分析，总结出对于
大型、复杂的屋面雨水排水系统，虹吸式屋面雨水排水系统相比传统的重力式雨水排水系统具有以下技术优势，认为其将是未来大屋面雨水排水的发展方向：(1)比重力系统管径小1/2至2/3;(2)减少立管和雨水斗数量;(3)横管不需要坡度、管道走向灵活可根据各种设计要求设置，雨水斗布点灵活;(4)最小的地面开挖工作，雨水井少，施工简单快捷;(5)最大限度地减小天沟的进水深度、系统寿命长;(6)水流速度快具有自洁管道功能、可节省大量维护费用。
参考文献
[1]中国建筑设计研究院.建筑给水排水设计手册第二版(上册)
[2]姜文源.虹吸式屋面雨水排水系统技术要点剖析[Z]
[3]虹吸式屋面雨水排水系统技术规程CECS183:2005版转
[4]GB 50015-2003 建筑给水排水设计规范(2009年版)