虹吸雨水排水系统的优化设计与应用(最终版)修改

虹吸雨水排水系统的优化设计与应用
龙锋刘亚杰
（深圳中海建筑有限公司，广东广州，510335）
摘要：本文在分析了虹吸雨水排水系统的工作原理及技术优势基础上，以广州PZB1401项目为例，针对原设计对该系统进行了优化设计，并说明了该系统水力计算的方法和步骤。

关键词：屋面雨水排水；虹吸式排水系统；优化设计；应用
the Design Optimization and Application of the Siphon Rainwater Drainage
System
Long Feng Liu Yajie
（Shenzhen China overseas construction limited, 510335, Guangzhou, Guangdong）Abstract:Based on the analysis of the working principle and technique superiority of siphon rainwater drainage system, this paper expounds the procedure of the sys tem’s design optimization by taking Guangzhou PZB1401 project as an example. Besides, it explains the methods and procedure of hydraulic power calculation of the system.
Key words: roof rainwater drainage; siphon drainage system; design optimization; Application
随着建筑技术的不断发展，大面积、大跨度屋面（汇水面积超过5000m2）排水技术逐渐成为人们关注和研究的课题。

由于此类建筑的屋面跨度大、面积大，使得屋面荷载的承受能力较小，这就要求降雨时屋面积蓄的雨水能够在较短时间内迅速排出。

为满足这一要求，可采用虹吸式雨水排水系统，该系统具有节能、生态、环保特点，同时，该系统的设计方案灵活，可针对建筑物美观要求进行设计，在最大程度上满足建筑使用功能的要求。

1. 虹吸式雨水排水系统工作原理
虹吸式雨水排水系统利用虹吸原理，在降雨的过程中，当屋面积水达到一定高度时，雨水通过能有效防止漩涡的虹吸式雨水斗进入管道，该雨水斗能减少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，利用建筑物的高度和落水具有的势能，在管道中形成局部负压，从而快速排出屋面雨水[1]。

虹吸式雨水排水系统的计算基础是不可压缩流体的能量守恒定律——伯努利方程，其计算草图如图1所示。

由此可列出B-B 断面和X-X断面的伯努利方程：
22
()()
22
B X
B X X j BX y BX
V V
H P h P h h
g g
++=++++
（1.1）上式中h j(Bx)、h y(Bx)分别为B-B断面到X-X断面总的局部损失和沿程损失，P B=0，V B=0，P X为管道在X-X断面处的压力水头。

图1 虹吸式雨水排水系统计算草图 Fig.1 Sketches of the siphon rainwater
drainage system
令h=H-h x ，则（1.1）式变为：
2()()2X
X j BX y BX V P h h h g =-
-- （1.2） 上式是计算管道中任一断面处压力水头的基本公式，若计算结果P x ＞0，则管道内为正压，若P x ＜0，则管道内为负压。

2. 虹吸式雨水排水系统的技术优势
虹吸式雨水排水系统采用虹吸式雨水斗，其与重力流雨水排水系统相比，具有以下技术优势[2]
：
1）雨水斗的排水能力有了很大的提高； 2）在满足水力计算的要求下，接入的雨水斗数量不受限制，从而减少了立管和埋地管的数量；
3）悬吊管不需坡度，安装要求空间小，有利于设计和施工；
4）系统按照压力流计算，可以减小管道的管径，同时，管内流速增加，使得系统具有较好的自清作用；
5）可充分利用屋面与地面排出管高度差形成的位能，提高管内流速，减小管径。

3. 虹吸式雨水排水系统的设计
广州市琶洲 PZB1401项目为酒店发展项目，分为地下2层，地上建筑22层，其中首层至四层主要是展览厅及餐厅，五层为转换层，该项目的屋面总汇水面积约为18830m 2
（含侧墙面积），总设计雨水排水量为1075L/s ，建筑面积及排水量较大，且裙楼跨度亦较大，因此该项目的屋面雨水排水系统选用虹吸式雨水排水系统。

3.1 虹吸式雨水排水系统的设计技术要求
1）虹吸式雨水排水系统雨水斗至过渡段总水头损失与过渡段流速水头之和不大于雨水斗至过渡段的几何高差；
2）雨水斗顶面至悬吊管管中的高差不小于1m ；
3）雨水斗顶面至过渡段的高差在立管管径小于等于DN75时大于3m ，在立管管径
大于DN90时大于5m ； 4）悬吊管设计流速大于0.75m ，立管设
计流速大于2.2m/s ，小于10m/s ；
5）虹吸式雨水排水系统过渡段下游的流速大于3m/s ，应采取消能措施并采用混凝土雨水井；
6）悬吊管的设置应首先选择以立管为中心，两侧对称布置方式，如不可能，可选择单侧布置的方式；
7）各雨水斗至过渡段的水头损失允许误差小于5kPa ；
8）系统的最大负压计算值应根据安装地的海拔高度、管道材质、管材和管件的最大、最小工作压力等确定，不低于-90kPa ；
9）管道的水力坡降可按下式计算
2//2j R L D v g
λ=⋅⋅ （3.1）
式中 λ——摩阻系数；
D j ——管道的计算管径，m 。

10）过渡段下游管道按重力流雨水排水系统进行设计[3]。

3.2 虹吸式雨水排水系统的设计流程
该系统的设计流程，见图2。

3.2.1 设计参数的选取
1）设计降雨历时、设计降雨强度(q 5)、汇水面积(F w )、设计雨水流量等的计算及暴雨强度系数（K ）等的取值，要符合现行国家标准GB50015-2003《建筑给排水设计规范》的有关规定。

该项目中，设计降雨历时按5min 计算；设计降雨强度为广州市5min 暴雨强度值，取q 5=571L/s ·ha ；屋面汇水面积由屋面水平投影面积及高出屋面侧墙折合面积组成，
通过计算该项目屋面汇水面积为18830m2；屋面设计雨水流量按Q=Kq5F w计算，带入数据计算得Q=1075L/s。

图2 虹吸雨水排水系统设计流程
Fig. 2 Design process of the siphon
rainwater drainage system
2）降雨重现期的确定，应根据建筑物的重要程度、汇水区域等因素确定，一般性建筑取5a，重要建筑取10a。

虹吸式雨水排水系统与所设置的溢流口或溢流装置的总排水能力，应达50a（特别重要或危险性特大的可取100a）设计重现期的雨水流量[4]。

该项目中，降雨重现期取为10a。

3.2.2 雨水斗的设计
虹吸雨水斗是该系统的关键部件，独特设计的虹吸雨水斗带有反涡流装置，在设计条件下，进水漩涡被破坏，进入系统的雨水呈现水满流状态。

雨水斗一般选用不锈钢材质，空气挡罩采用铝合金材质，并且带有格栅，格栅间隙形状可以是孔状或细槽状，间隙口直径应不小于6mm，且不大于15mm，可有效的阻隔雨水中携带的杂质，且该构件易于拆卸、清洗。

虹吸雨水斗的设置要求[5]：1）屋面的每1个最低点至少配置1个雨水斗；建筑屋面各汇水区域范围内，不论其面积大小，雨水斗的设置均不少于2个；2）设置在同一个虹吸雨水系统的雨水斗，其进水口宜在同一水平面上；3）靠近雨水立管的顶端，不得直接设置雨水斗；4）弧形或抛物线屋面，当其天沟不在同一水平面上时，宜在等高线或汇水分区的最低处集中设置多个雨水斗，再按不同水平面上的雨水斗分别设置独立的虹吸雨水系统；5）在水平面设置雨水斗时，雨水斗的单斗流量不宜过大，屋面找坡应坡向雨水斗，以满足斗前水位的要求。

该项目中，雨水斗选用带环氧涂层的硅铝合金空气挡板、不锈钢集水盘，长期使用斗体不会产生锈腐蚀。

虹吸式雨水排水系统共分10个系统，采用虹吸雨水斗61个。

3.2.3 屋面天沟的设计
1）雨水斗设置在天沟或檐沟内时，天沟的宽度和深度应满足雨水斗的安装要求。

一般天沟的宽度不宜小于500mm、深度不宜小于300mm，具体项目的天沟尺寸应以计算校核确定。

2）天沟或檐沟的沟底应在同一水平面，沟底无需有坡度，沟内不应有任何分隔。

3）天沟尺寸校核。

屋面汇水流量Q y=Kq5F w（式中：K——降雨强度系数；F w ——屋面汇水面积，m2；q5——降雨强度，L/s×100m2）。

天沟断面过水流量Q t=A t V t（式中：V t——天沟过水断面流速；A t——天沟断面积）。

当Q t＞Q y，所取天沟尺寸合理[6]。

3.2.4 管道系统的设计
屋面雨水斗的位置确定后，需按图纸确定水平悬吊管的走向、立管位置、地下室悬吊管走向及排出管方向[7]。

1）确定水平悬吊管走向。

水平悬吊管离天沟底面的标高差，一般取决于屋面结构梁高度，水平管贴屋面结构梁底走。

系统设计的管径大小，需考虑建筑功能的要求。

2）确定立管的位置。

立管一般选择放置在管道井内，当无专门的水井时，一般尽量靠近结构柱设置，不能设置在安装电设备的空间、电梯间或对安静有较高要求的房间内，所以立管位置应尽量与建筑设计单位进行沟通协调。

从系统设计的角度考虑，立管应尽可能布置在各雨水斗对称的位置，以便满足水力平衡的要求。

3）确定地下室悬吊管走向。

悬吊管应紧贴结构梁底走，其标高在结构梁底标高下200mm左右。

4）确定排出管的走向。

排出管的走向需要考虑外排水管井的位置，尽量选择对排水有利的方向敷设。

管道走向的确定，还需结合其他相关专业管线的布置图，必要时与建筑设计单位沟通，确定初步方案，经设计单位确定后，再出施工图。

3.2.5 系统管材的选择
虹吸式屋面排水系统的管道在设计降雨强度下呈负压，管材的选用应考虑承受负压的能力。

管材一般选用HDPE，热熔连接。

HDPE管材使用寿命长，通过添加炭黑，能有效抵抗太阳紫外线引起的管材，管件老化、脆化。

管材与管件之间采用热熔焊接。

本项目中，管道选用HDPE管，热熔或电熔连接，管材外部必须有预制的熔接对准线（牙齿或条纹标记），以便于热熔施工；管材与管件宜采用同一厂家的相同压力规格的产品，其压力等级原则按不小于PN4选取，耐负压能力按0.8公斤选取，管道的轴向回缩率不大于 1.0%。

管材与管件之间的连接应采用热熔对焊连接或电熔连接，金属雨水斗和HDPE尾管的连接应采用螺纹丝扣连接，HDPE管与不锈钢管的连接应采用法兰连接。

4. 虹吸式雨水排水系统设计的优化措施
广州PZB1401项目在现场施工过程中，该系统在立管最顶端的管道内为负压，排水高差也较大，致使立管底部的压力值很大，因此，对管道的连接质量有较高的要求，需要对管道进行加固设计。

于是，有必要对该系统在设计方面加以优化，现结合施工现场主要从以下几个方面论述：
4.1 系统压力平衡方面
可采取以下措施以保证该系统的压力平衡：
1）调小靠近系统立管的连接管管径；
2）调整靠近系统立管处的连接管长度；
3）在靠近系统立管处雨水斗与水平悬吊管上，可采取增大阻力损失的措施，如增加变径等；
4）将负压值较大一段的水落斗用次悬吊管连接，然后依次接入主悬吊管中；
5）悬吊管尽量以立管为中心，侧向对称布置，如不可能，可单侧布置。

4.2 现场施工工艺方面
对于虹吸排水系统的施工工艺，可考虑
从以下几个方面加以优化：
1）悬吊系统的固定方式
此系统选用HDPE管道，其热膨胀系数大，可采用二次悬吊系统的方式固定（又称为消能悬吊系统）。

将雨水悬吊管因温度变化而产生的膨胀变形分解到各固定管卡之间，使变形无法目测察觉，起到美观作用；将雨水悬吊管轴向伸缩产生的膨胀应力，由固定管卡传递到消能悬吊系统上消解，对建筑的结构不会造成影响；将雨水悬吊管工作状态下的振动荷载，通过悬吊管卡传递到消能悬吊系统上，利用悬吊钢结构的刚性进行消解；使管道在固定中有效减少与屋面的固定点数量，减少对屋面的破坏；更适于工厂化工大批量生产，便于施工现场快速组装，加快施工进度；有效提高施工精度，保证工程质量。

2）系统出户管段的处理
管道末端（如检查口后）应加大管径；仅溢流系统出户管采用明排方式，末端设限位挡板装置；排水系统埋地出户，出户管口与室外检查井之间设置泄水井，若溢流系统也埋地出户，需单独设置泄水井，不得与排水系统出口混用。

3）排水管件需有利于排水
管道变径最好采用偏心变径，且其安装方向需要有利于排水，采用的三通是顺水的45°斜三通，选用的HDPE管件最好是一次注塑成型的产品，焊接管件在实际使用中，由于连接雨水斗与水平管处应力较大，容易开裂。

4）管道穿过墙壁和楼板的处理
应设置金属或塑料套管，安装在楼板内的套管，其顶部应高出装饰面20mm，安装在卫生间及厨房内的套管，其顶部应高出装饰面50mm，底部应与楼板底面相平；安装在墙内的套管其两端与饰面相平，管道穿越地下室剪力墙时要加设刚性防水套管。

4.3 系统密封性方面
虹吸雨水系统设计是建立在满管流基础上，故系统内严格控制空气的进入，可从以下两个方面考虑:
1）管道接口的处理
一是尽量采用热熔接口，以使虹吸雨水系统处于密闭的状态，二是注意接口的质量，管材的切割断面垂直于管轴线，切割后管材端口应除去毛边并保持端面清洁、干燥、无油。

热熔时使接头处粘接均匀牢固。

HDPE管道与安装好的虹吸雨水斗的丝扣连接，此接口一定要牢固，密封材料常用白厚漆和聚四氟乙烯生料带。

2）节点防护处理
对于任何形状的压型金属板来说，在檐口板肋下不可避免地会有缝隙，而且屋面板在檐口处较为薄弱，最易被大风从此处掀开。

要在滴水角与屋面板之间，塞入与屋面板板型一致的泡沫密封条，使板肋形成的缝隙能够完全密封，防止因风吹灌入雨水。

将密封件与屋面板板肋用防水铆钉连接固定，并在密封件后塞入与板型一致的泡沫密封条，然后将屋脊盖板与密封件用铆钉在中间固定，这样即使屋脊盖板上外漏的铆钉漏水，雨水也是滴在下面的屋面板上而不是室内[8]。

屋脊U型密封件和泡沫密封条能阻止雨水顺着屋脊倒流进入室内，屋脊的板端向上弯起，可以作为第二道屏障防止渗漏进去的水流进室内。

5．工程实例应用
本工程虹吸式雨水排水系统的屋面总汇水面积约为18830m2（含侧墙面积），系统总设计排水量为1075L/s，共设置10个系统，采用虹吸雨水斗61个。

本工程屋面虹吸式雨水系统降雨强度采用广州市10年重现期降雨强度（q=571L/s·ha）设计（降雨历时按5min考虑）。

屋面雨水排水系统与溢流设施总排水能力不小于50年重现期，按
设计院要求超设计重现期雨水量在各屋面女儿墙处设置溢流口或溢流系统排出。

现仅以HY-F-Q-4系统中的最不利管段为例，对该系统进行水力计算。

其水力计算管系如图3所示，水力计算结果见表1。

图3 HY-F-Q-4系统水力计算管系
Fig.3 Hydraulic calculation of the
HY-F-Q-4 pipe system
水力计算结果分析：
从表1及图3可知，管段69~5为悬吊管，其计算流速最小为1.6m/s，符合悬吊管设计流速不宜小于1m/s的要求。

管段5~2为立管，其计算流速为7.2m/s，符合立管设计流速不宜小于2.2m/s，不宜大于10m/s的要求。

在接入重力流系统之前，将管段2~1的管径放大至DN300，这样其中的流速减小为2.9m/s，满足设计流速不宜大于3m/s的要求，因此在接入室外排水窨井前不需要另设消能井。

管段6~5最大负压值为-7352mm，即-9.8kPa，悬吊管要求计算负压值不大于80kPa，且同一系统不同支路的节点压差不大于10kPa，因此，计算结果均满足虹吸式屋面雨水排水系统的设计技术要求。

表1 HY-F-Q-4系统水力计算结果
Table 1Hydraulic calculation of the
6、结语
在该项目原设计中，虹吸雨水排水系统共有17根排水主立管，通过优化设计，该系统共有10根排水主立管；原设计中该系统的管道管径较大，通过优化设计，该系统管道的管径均有两至三级的缩小，同时由于该系统管道管径减小，在施工过程中可灵活地与其他专业的管线进行协调，给施工带来了很大的方便；更为重要的是，该系统的管道安装无坡度的要求，由此节省了大量宝贵的建筑空间。

虹吸式雨水排水系统所具有的管径小、节省安装空间、悬吊管无需坡度的优点将使它更适合于大屋面、大跨度的屋面雨水排水工程。

同时，埋地管和检查井数量的减少及良好的自清作用，也会使得工程量减少和日后管理工作方便。

当然，其最重要的是它为工程节省了资金且不失安全性。

因此，随着虹吸式雨水排水系统应用技术的不断发展和成熟，其工程实际应用会越来越多。

参考文献：
[1] 潘俊杰，何蓉. 压力流虹吸式屋面雨水排水系
统的设计与应用探讨.给水排水。

[2] 徐志通，童球. 压力流_虹吸式_屋面雨水排水
系统的设计与应用.给水排水。

[3] 刑福共. 屋面虹吸雨水排水系统设计与施工
给水排水。

[4] 任毅，马晖. 浅议虹吸式屋面雨水排水系统在
大型工业建筑中的应用.给水排水。

[5] 祝健，李鹏峰. 虹吸式屋面雨水排水系统的优
越性及应用.给水排水。

[6] 邬艳华.小议建筑屋面虹吸排水系统的工作原
理与施工设计.给水排水。

[7] 殷敏，王磊刚，袁毅宏，姚华土，彭泽令.虹
吸式屋面雨水排水系统设计.给水排水。

[8] 徐景昌. 虹吸式排水在大型场馆屋面工程中
的应用.给水排水。

作者简介：龙锋，男，1986年3月生，湖南人，longfeng@。