屋面雨水排水技術(shù)綜述

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一、屋面雨水排水技術(shù)的特殊性

　　屋面雨水排水在建筑給水排水范疇是個較為特殊的技術(shù)問題，其特殊性表現(xiàn)在以下幾個方面：

　　1.出過問題，而且出過大問題

　　1953年至1957年第一個五年計劃期間興建的大面積工業(yè)廠房，按重力流計算其屋面雨水排水系統(tǒng)，這些廠房在五十年代末、六十年代初相繼出現(xiàn)車間內(nèi)雨水檢查井冒水，造成地面被淹，停工停產(chǎn)的嚴(yán)重事故。六十年代中期屋面雨水排水在采用壓力流計算時，由于立管管徑減小，出現(xiàn)瓶頸現(xiàn)象，而造成天溝雨水排水不暢，從天窗滿溢進入車間的事故。重力流、壓力流兩個方面的案例，使1957年3月1日試行的《室內(nèi)給水排水和熱水供應(yīng)設(shè)計規(guī)范》TJl5－74在第三章“排水”IV“雨水”的有關(guān)條文中違避了雨水計算的相關(guān)內(nèi)容，造成設(shè)計人員無章可循的尷尬局面。

　　2.搞過長時間的試驗

　　六十年代初，原建工部北京工業(yè)設(shè)計院、第一機械工業(yè)部第一設(shè)計院和清華大學(xué)等單位即開始進行為期三年的雨水試驗。65型雨水斗的開發(fā)，壓力流雨水計算方法的提出是這一階段雨水試驗的主要成果。七十年代由《室內(nèi)給水排水和熱水供應(yīng)設(shè)計規(guī)范》國家標(biāo)準(zhǔn)管理組申報立項，由建設(shè)部全額撥款的新一輪的雨水試驗項目正式啟動。試驗由清華大學(xué)、機械工業(yè)部第一設(shè)計院和第八設(shè)計院等單位參加。試驗歷時八年，取得大量數(shù)據(jù)，最后成果通過鑒定，并納入《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》GBJ15－88.九十年代，中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會為大面積屋面雨水排水系統(tǒng)單獨編制協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)正式立項，主編單位在上海東風(fēng)泵閥廠的協(xié)助下，對新穎雨水斗和雨水排水水力工況作了進一步驗證。除此以外，不少生產(chǎn)企業(yè)和大專院校也做了不少雨水排水方式方面的試驗工作?？傊晁囼灂r間跨度之長，投入人力和耗用財力之多，積累資料之多，與建筑給水排水其他試驗項目相比，是既空前又絕后。

　　3.對屋面雨水排水技術(shù)認(rèn)知的否定之否定

　　對屋面雨水排水技術(shù)的認(rèn)知，決定了屋面雨水排水工程的設(shè)計方法。我國對屋面雨水排水技術(shù)的認(rèn)知，經(jīng)歷了一個從重力流起步，轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫α?，再進展為更為實質(zhì)性的重力流，直至現(xiàn)階段的壓力流。這是一個完全符合否定之否定規(guī)律的一個循回，這一循回經(jīng)歷了半個世紀(jì)的時間，與建筑給水排水范疇別的技術(shù)問題相比，這也是少有的。對屋面雨水排水技術(shù)的認(rèn)知四階段，我們在第二部分再作表述。

　　4.“永遠(yuǎn)”的熱點問題

　　六十年代初雨水成為熱點問題，當(dāng)時是探究雨水檢查井冒水的原因。1962年至1964年《室內(nèi)給水排水和熱水供應(yīng)設(shè)計規(guī)范》首次編制時，爭論最為激烈的技術(shù)問題則是雨水排水計算公式按重力流計算，還是按壓力流計算，最后以重力流計算公式列入規(guī)范條文而告終。

　　六十年代中后期65型雨水斗的研制開發(fā)，重新挑起壓力流和重力流之爭，但由于當(dāng)年的壓力流計算籠統(tǒng)、簡單、粗糙，未注意不同位置雨水斗的不同水力條件，同時片面追求節(jié)省管材和忽略了溢流口的設(shè)置，導(dǎo)致了個別工程的失誤，使剛剛掘起的壓力流傾向隨即堰旗息鼓。

　　八十年代清華雨水試驗成果鑒定，使雨水排水技術(shù)再次成為熱點，但鑒定出現(xiàn)反復(fù)，公式受到質(zhì)疑，可以認(rèn)為最終在《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》GBJ15－88上反映的并不是試驗的最佳成果，而是最穩(wěn)妥的、最留有余地的、也是在現(xiàn)階段急需調(diào)整的內(nèi)容。

　　九十年代新穎壓力流系統(tǒng)的引進，壓力流計算又再次提上議事日程。大面積會展中心、候機樓、科技館、大劇院和汽車城等民用和工業(yè)建筑的興建使壓力流有了用武之地。但分歧依然存在，這個分歧既有壓力流和重力流適用范圍之爭，也有不同類型的壓力流之爭，也有什么是典型的壓力流系統(tǒng)之爭。

　　當(dāng)然“永遠(yuǎn)”不會永遠(yuǎn)，隨著技術(shù)的發(fā)展，最終會在新的認(rèn)知高度上達(dá)成新的共識。

　　二、對屋面雨水排水技術(shù)認(rèn)知的四個階段

　　1.認(rèn)知的第一階段

　　當(dāng)時采用蘇聯(lián)規(guī)范的重力流理論，來設(shè)計我國屋面雨水排水工程，典型的例子是計算方法采用438公式，小檐降雨量采用蘇聯(lián)規(guī)范的50、60和75mm三項參數(shù)。造成的后果是大面積工業(yè)廠房相繼出現(xiàn)車間內(nèi)檢查井冒水現(xiàn)象，冒水的檢查井井蓋即使用鑄鐵錠壓住也旋即被掀翻沖動，洛陽拖拉機廠、洛陽軸承廠等工廠當(dāng)年一逢大雨就頻頻告急，專業(yè)人士有鑒于此，確定：

　　1）應(yīng)按我國的降雨量計算雨水量。

　　2）著手進行雨水試驗，探索屋面雨水排水的正確方法。

　　2.認(rèn)知的第二階段

　　當(dāng)年有關(guān)單位有關(guān)人員在雨水試驗的基礎(chǔ)上提出屋面雨水排水系統(tǒng)壓力流計算公式。公式以斗前水面標(biāo)高和雨水管系出口端標(biāo)高差的位能為動力，按孔口出流公式為基礎(chǔ)演繹出壓力流計算公式。當(dāng)時的壓力流系統(tǒng)雨水斗采用以少摻氣或不摻氣為指導(dǎo)思想而設(shè)計的65型雨水斗；強調(diào)提高雨水斗前水深，以減少摻氣量；有意識縮小雨水立管管徑，以平衡立管和埋地排出管的通水能力；按密閉系統(tǒng)布置管道；強調(diào)單斗系統(tǒng)。壓力流計算方法符合雨水排水水力工況，但由于當(dāng)年未重視事故溢流口的設(shè)置，也由于立管管徑縮小后導(dǎo)致瓶頸現(xiàn)象，造成天溝雨水排水受阻，從天窗滿溢進入車間的事故。

　　3.認(rèn)知的第三階段

　　通過清華大學(xué)等歷時八年的雨水試驗，得出雨水流態(tài)為重力－壓力流的結(jié)論，即小流量時為重力流，大流量時為壓力流；雨水立管的下部為正壓區(qū)，上部為負(fù)壓區(qū)：壓力零點隨流量的變化而變動，流量增大時壓力零點向上移動；懸吊管的末端近立管處為負(fù)壓，始端為正壓；負(fù)壓造成抽吸和進氣，因此立管頂端不設(shè)置雨水斗，但其它部位采用不同型式的雨水斗時，摻氣現(xiàn)象仍難以避免：管系內(nèi)水流為氣水雙相流或稱摻氣流，而其中的氣系處于壓縮狀態(tài)；由于雨水斗在懸吊管位置的不同，近立管的雨水斗泄流量大，遠(yuǎn)立管的雨水斗泄流量小，因此不提倡不對稱布置的多斗系統(tǒng)。

　　雨水試驗組根據(jù)重現(xiàn)率很高的大量數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出多元因子的雨水排水計算公式。由于公式計算繁復(fù)，需要試算，在當(dāng)時的計算工具條件下，未被采用。在該試驗基礎(chǔ)上而制訂的規(guī)范條文采用以下技術(shù)措施：

　　1）對管系留有足夠余地，以防檢查井冒水和天窗溢水事故重現(xiàn)。

　　2）對于超重現(xiàn)期的雨量采用事故溢流口來解決。

　　3）強調(diào)外排水系統(tǒng)，強調(diào)密閉系統(tǒng)，強調(diào)單斗系統(tǒng)或?qū)ΨQ布置的雙斗系統(tǒng)，以盡可能地發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)勢。

　　4）禁止立管頂端設(shè)雨水斗，限制多斗系統(tǒng)，禁用高低跨雨水系統(tǒng)……，以盡可能地消除隱患。

　　這些技術(shù)措施一直延續(xù)至2003年的9月1日《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》GB50015－2003施行為止。這個認(rèn)知階段就其實質(zhì)是重力流，但不同于第一階段的重力流，屬于有足夠安全度、不致出現(xiàn)事故的重力流。

　　4.認(rèn)知的第四階段

　　壓力流再次占據(jù)主導(dǎo)地位，與認(rèn)知的第二階段的壓力流一個主要不同點在于不把負(fù)壓抽吸看成負(fù)面因素，而是將它作為積極因素予以充分利用，與認(rèn)知第二階段的壓力流的區(qū)別還在于：

　?、倏捎糜诙喽废到y(tǒng)。

　　②系統(tǒng)計算不單純計算總水頭和總水頭損失的平衡，而需分段計算流量和壓力的平衡，這就是所謂的精確計算。

　　③配置相應(yīng)的雨水斗。

　　④重視溢流口的設(shè)置。

　　這個階段的壓力流，由于工作重點的不同、工作基礎(chǔ)的不同等原因，又可分成多種模式，其中最具有代表性的有兩種模式，在未經(jīng)充分醞釀討論前，我們暫且命名為虹吸壓力流和壓力虹吸流。

　　兩種模式的其他方面都是相同的，如懸吊管不設(shè)坡度、可適用于多斗系統(tǒng)、以溢流口作為超重現(xiàn)期雨量的應(yīng)急技術(shù)措施、由于負(fù)壓抽吸和被壓縮的空氣泡體積和壓力變化，水流動時管道有振動，對管材承壓要求高……等。

　　三、系統(tǒng)分類

　　其中檐溝外排水長期以來在設(shè)計院是屬于建筑專業(yè)范疇的，檐溝上沿本身可以作為溢流堰來對待，也不存在超重現(xiàn)期超量排水隱患。只有天溝外排水，重力流內(nèi)排水和壓力流內(nèi)排水屬于給水排水專業(yè)份內(nèi)之事。

　　屋面雨水排水系統(tǒng)的分類有以下幾種：

　　a.按設(shè)計流態(tài)分：重力流、壓力流

　　b.按排水方式分：外排水、內(nèi)排水

　　c.按系統(tǒng)組成分：密閉系統(tǒng)、敞開系統(tǒng)

　　d.按雨水斗數(shù)量分：單斗系統(tǒng)、雙斗系統(tǒng)、多斗系統(tǒng)

　　四、虹吸壓力流雨水排水系統(tǒng)技術(shù)要點

　　1.合理布置、精確計算

　　將系統(tǒng)看成一個整體，以高差即位能作為動力是壓力流計算區(qū)別于重力流計算的主要不同點。而合理布置、精確計算則是虹吸壓力流區(qū)別于其他壓力流的主要不同點。合理布置、精確計算包括以下內(nèi)容：

　　1）在屋面的每一個最低點至少設(shè)置一個雨水斗。

　　2）將雨水斗的排水用懸吊管接至雨水立管，并以密閉系統(tǒng)方式排至室外。

　　3）合理布置雨水立管，有條件時盡量將雨水立管設(shè)于懸吊管中間部位。當(dāng)必須設(shè)于盡端時，靠近雨水立管的雨水斗連接管管道長度宜適當(dāng)引長，以平衡阻力。

　　4）大面積屋面（指5000㎡以上）至少設(shè)兩套獨立的虹吸式雨水排水系統(tǒng)。

　　5）控制懸吊管長度為落差的10倍至20倍。

　　6）將管道（包括懸吊管和雨水立管）分若干計算單元段。雨水斗所在位置、水

　　流匯合點（三通位置）、水流改向處（彎頭位置）和管道變徑、變速處（異徑管位置）均作為計算單元段的起止點（計算節(jié)點）。在計算單元段內(nèi)水流的流量和流速值不變。

　　7）按所選用的管材和所確定的管件，精確計算管道沿程水頭損失和管件的當(dāng)量長度值，重點應(yīng)放在管件的局部水頭損失值上。以懸吊管轉(zhuǎn)向雨水立管的彎頭為例，不同曲率半徑、不同節(jié)段組成的彎頭在相同公稱直徑條件下，其形成虹吸壓力流的最小流量值有很大差異。

　　8）確定管徑，平衡每個節(jié)點的壓力和流量值，并使誤差在允許公差以內(nèi)。這個階段有反復(fù)試算的過程，應(yīng)采用軟件程序計算。

　　2.設(shè)置溢流口

　　設(shè)計重現(xiàn)期是根據(jù)建筑物的重要性，匯水地區(qū)性質(zhì)、地形特點、氣象特點和因積水而造成后果的嚴(yán)重性而確定的一項重要設(shè)計參數(shù)，它的確定也決定于國家的整體經(jīng)濟水平。

　　由于雨水的不可控制性，超重現(xiàn)期的雨水客觀存在，因此內(nèi)排水系統(tǒng)必須設(shè)置應(yīng)急超量排水口，即溢流口。

　　溢流口設(shè)置具體要求對于虹吸式雨水排水系統(tǒng)為：

　　1）按百年一遇降雨量，保證5min超量排水。

　　2）雨水斗前和天溝內(nèi)雨水超量時能順利通過溢流口排出。

　　3）溢流口排水不致造成危害。

　　4）溢流口下緣高出雨水斗上緣不小于50mm.

　　5）無法設(shè)置外露的溢流口時，應(yīng)另設(shè)置超重現(xiàn)期雨水量的排水系統(tǒng)。

　　6）按水深計算溢流排水時的屋頂承載能力。

　　3.配置相應(yīng)的雨水斗

　　不同系統(tǒng)應(yīng)配置不同型式的雨水斗，虹吸壓力流雨水排水系統(tǒng)應(yīng)配置虹吸式雨水斗，如經(jīng)過測試符合D1N19559標(biāo)準(zhǔn)的雨水斗。雨水斗應(yīng)有最大流量值，還應(yīng)有阻力系數(shù)值等主要設(shè)計參數(shù)。

　　4.主要控制數(shù)據(jù)

　　除了前面涉及的控制數(shù)據(jù)外，虹吸壓力流雨水排水系統(tǒng)還有下列數(shù)據(jù)有待控制：

　　1）雨水斗的連接部位，管道與管件的連接部位必須嚴(yán)密，有良好的密封性，

　　包括氣密性和水密性。

　　2）雨水斗間距不得大于20m.

　　3）懸吊管長度大于10m時，應(yīng)增設(shè)計算單元段。

　　4）雨水斗排水量不得大于該雨水斗經(jīng)實測后確定的額定排水量。

　　5.存在問題：屋面雨水排水系統(tǒng)目前存在主要問題是：

　　1）城市暴雨強度公式編制方法不一，有用數(shù)理統(tǒng)計法的、有用解折法的、還有濕度飽和差法、圖解法和CRA法等，有的方法并不完全符合設(shè)計規(guī)范要求，有待統(tǒng)一。

　　2）資料年代久遠(yuǎn)和資料年數(shù)過短。大部份暴雨強度公式是根據(jù)1983年前實測

　　資料推導(dǎo)而得出的，還有不少沿用1973年版《給水排水設(shè)計手冊》公式，乃至1964版《給水排水設(shè)計手冊》，那就更為滯后、更為陳舊了。有的公式資料年代

　　過短，只依據(jù)8年、6年乃至5年的資料統(tǒng)計而成，缺乏1975年暴雨和近年來的厄爾尼諾現(xiàn)象的反常雨量資料。公式嚴(yán)重滯后的現(xiàn)象有待有關(guān)方面重視，這種情況急待改變。在工程設(shè)計有條件時應(yīng)收集當(dāng)?shù)亟涤炅抠Y料重訂公式，使雨水排水工程有一個堅實的基礎(chǔ)和前提。