某体育场馆虹吸及排水设计

重庆李渡新区体育中心
虹吸雨水排放及渗透排水系统初步设计
1、前言
重庆李渡中心虹吸雨水排放系统包括雨篷屋面、场馆房屋面，由于屋面形式较特殊，屋面总汇水面积达10000㎡以上，尤其是雨篷和场馆房天沟坡度较大且部分天沟为环形，另外由于建筑和结构等专业对雨水立管布置位置的限制，采用重力流雨水系统无法满足安全排水要求，故而本工程设计采用虹吸式雨水排放系统，管道及管配件选用HDPE材料，运行实践证明此系统能很好的实现安全、高效的屋面雨水排放。

2、虹吸式屋面雨水排放系统与重力流雨水系统的区别
2.1 重力流雨水系统
重力流雨水排放系统采用重力流雨水斗，排水状况为自由堰流，流入雨水斗的雨水掺入空气，形成气水混合流，雨水斗的设计流量小；悬吊管要求不大于0.8的充满度和不小与5‰的坡度，因此需要较大的管径和坡降；为了维持悬吊管上各个雨水斗的正常工作，要求连接的雨水斗数量不多于4个，导致雨水立管根数增多。

可见重力流雨水排放系统受其水力特性限制，造成排水立管多、管径大、排水能力小，对于大面积工业厂房和公共建筑屋面雨水排放系统则更为突出。

2.2 虹吸式雨水排放系统
虹吸式雨水排放系统采用虹吸式雨水斗，排水管道均按满流有压状态设计，因此虹吸排水系统中雨水悬吊管可做到无坡度敷设；同时，当产生出虹吸作用时管道内水流流速很高，因此系统具有较好的自清作用；虹吸式雨水排放系统中排水管泄流量要远大于重力排水系统中同一管径排水管的泄流量，也即排除同样的雨水流量，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，因此埋地管相对重力式排水系统要明显减少，对于建筑物内不允许开沟设井的场所尤为合适。

可见虹吸式雨水排放系统与重力流相比有明显的技术优势。

3、系统组成及工作原理
虹吸式屋面雨水排放系统由虹吸式雨水斗、尾管、连接管、雨水悬吊管、雨
水立管、埋地管、出户管及二次悬吊系统等组成（见图1）。

图1 虹吸式雨水排放系统
形成虹吸式屋面雨水排放的前提条件是：必须具备拥有良好气水分离装置雨水斗。

在设计降雨强度下，雨水斗不掺入空气，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，经屋面内排水系统，从户外排出管排出。

在这一过程中，排水管道中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作用的结果。

因此，把这样的系统称为虹吸式屋面雨水排放系统。

虹吸式雨水排放系统管内压力和水的流动状态是不断变化的过程。

降雨初期，雨量一般较小，悬吊管内是一有自由液面的波浪流。

随着降雨量的增加，管内逐渐呈现脉动流，拔拉流，进而出现满管气泡流和满管汽水混合流，直至出现水的单相流状态。

降雨末期，雨水量减少，雨水斗淹没泄流的斗前水位降低到某一特定值（根据不同的雨水斗产品设计而不同），雨水斗逐渐开始有空气掺入，排水管内的虹吸作用被破坏，排水系统又从虹吸流状态转变为重力流状态。

在整个降雨过程中，随着降雨量的增加或减小，悬吊管内的压力和水流状态会出现反复变化的情况。

与悬吊管相似，立管内的水流状态也会从附壁流逐渐向气泡流，气水浮化流过渡，最终在虹吸作用形成的时候，出现接近单向流的状态。

4、管材的选用
经大量试验数据并根据各类管材的性能特点，目前推荐使用的管材主要为优质HDPE管、不锈钢管、铸铁管及其他能满足虹吸雨水系统要求的优质管材，各类管材、管件的选用标准如下：
（1）各类型的管材均严格控制质量，保证所有部件的强度、尺寸、稳定性和耐久性等。

（2）管材的耐压性能满足以下要求：最大耐负压绝对值不小于0.08Mpa；
最大耐正压值不小于0.35 Mpa。

（3）管材、管件的连接应保证虹吸雨水系统的气密性。

（4）所选用的管材、管件均经过严密的水力学测试。

5、体育场排水设计
体育场馆屋面投影面积巨大,达33280 m2 ,按暴雨重现期P = 20 a ,降雨强度50 mm/ h 计算,5 min的暴雨强度达462 L/ s。

由于屋面呈弧型设计,如此巨大的降雨量只能从东西两侧排放。

东、西两侧设雨水沟分别承担降雨量,并要求雨水系统能迅速有效地排放屋面雨水。

场馆屋面排水在设计上将屋面分环向14 块长条型的集水区,每块集水区从中间沿弧形屋面分别向边沿的雨水沟排水。

在集水沟内,基本上对应每块集水区设一个虹吸排水系统,每个排水系统承担着巨大的排水量。

本设计采用了铎麒屋面虹吸排水系统的虹吸雨水斗,每个系统选用2～4 个雨水斗已满足需要。

面的雨水排放要求。

在雨水沟的设计方面,由于体育场屋面呈弧型设计,中间最高处与四周的雨水沟高差达9 m ,巨大的高差使雨水汇集到雨水沟时产生较大的冲击力,为避免雨水冲出沟外, 雨水沟的设计宽度达1 m ,深度达0.8 m。

由于每条雨水沟沿弧形屋面设置,不同位置的标高相差较大,为避免雨水过分集中到标高较低的雨水斗处,在雨水沟内根据每个集水区分段设置挡水板,使屋面雨水均匀排放。

挡水板比雨水沟的设计水位低100 mm ,万一某个雨水斗意外堵塞,雨水可溢流到相邻的雨水斗排放, 。

另外,在每个雨水斗的位置,各专门设计了一个有效容积1～1.8 m3的不锈钢集水井,以保证系统能迅速形成虹吸。

系统设计负压不低于- 90 kPa ,大部分排出管的流速控制在4 m/ s以内。

管材的选用:隐蔽部分采用卡箍式离心铸铁管;外露部分配合立面设计要求,采用不锈钢管,使不锈钢管与结
构桁架完美地结合在一起,仿佛钢结构构件的一部分。

6、体育场内排水设计
体育场馆屋面投影面积巨大,达33280 m2 ,按暴雨重现期P = 20 a ,降雨强度50 mm/ h 计算,5 min的暴雨强度达462 L/ s。

场馆的雨水流入场地内，设计使用透水砖铺装一排导水沟和雨水渗透系统。

雨水通过表层透水滤水砖汇集导流进入系统渗透排放。

如图
低成本、高效率收集雨水同时，同步过滤净化，补充地下水
有效解决硬化路面积水难题，消除城市暴雨洪涝
结合设计用水量及当地的实际情况，本方案在项目场地内设置道路雨水收集渗透系统，道路和绿地面的雨水通过自然渗透和路边雨水渗透井，渗透进入地下，补充地下水，消除场内积水，减缓局部洪涝。

体育场馆屋面投影面积巨大,达33280 m2 ,按暴雨重现期P = 20 a ,降雨强度50 mm/ h 计算。

渗水池计算容积已抛去弃流雨水量，即实际可收集雨水量为42.5mm，综合径流系数取0.65，设计雨水量
Q=33280×0.0425×0.65=919.4m³，取Q=920m³。

沿场地四周布设雨水渗透系统，设计每个系统一次储存渗透12m³雨水，沿体育场内场地边沿每隔25m设置一座深水井，共计20座渗水系统均匀布置在沿路两侧，渗水井壁透水率大于2.0×10-2 cm/s。

水池体积为：5m×1m×2.4m=12m³。

渗水池前端设置溢流装置，可溢流进城市污水管网。

需水量核算:渗水池总容积=l×d×h=5×1×2.4=21.6m3，储水净高2.25m，可存水11.25m3，池内渗水面积32㎡，在1h内能渗透完40m³雨水，不会造成积水溢出现象。

可满足设计渗透要求。

排水核算：20个渗水井每小时
渗排水量Q渗=20×40=800m³
储存水量Q蓄=20×12=240m³
Q渗+Q蓄=800+240=1040m³＞920m³
采用雨水收集渗透系统、渗透铺装等措施后，场内雨洪泄水率和泄水量都能满足不积水的设计要求。