虹吸排水系统原理（精选4篇）
虹吸排水系统原理 篇1
1 概述
1.1 工作面概况
潘西煤矿主要开采煤层为煤3、煤19两个煤层, 煤19下距奥陶石灰岩含水层平均为60米, 自开采以来累计发生10余次底板出水事故, 给矿井的安全生产带来威胁。煤19后六采区6195综采工作面运输巷沿煤层布置, 长906米, 呈里底外高样式, 最底处标高为-639.9米, 最高处为标高为-633.0米, 高差6.9米。6195工作面上平巷标高-548米, 工作面长195米, 装备综采支架和采煤机, 实现综合机械化采煤 (图1) 。
6195运输巷连接后六运输上山, 原煤经6195运输巷至后六运输上山下运, 运输巷通过6195片口车场连接后六轨道, 后六运输上山和后六轨道巷道倾角均为26度。
1.2 运输巷排水情况
6195工作面2010年11月正式生产, 2011年7月份底板陆续出现多处小股涌水, 总计流量达95m3/h, 分散多处的出水点最终积聚在运输内, 经运输巷外排。
根据现场情况, 在运输巷最低点处扩修卧底, 安装6台潜水泵 (18.5kw和22.5kw各3台) , 巷道内敷设￠108mm管路和￠159mm管路各一趟, 设控制阀门连接6台潜水泵, 正常情况下3台运行, 3台备用, 涌水经两趟管路排至6195片口车场后沿水沟流经至后六轨道实现外排 (图2) 。
2 问题的提出
运输巷内多台潜水泵的投入, 在狭小的巷道空间难以维护, 并且造成电能和人员的浪费。通过对现场条件分析, 由于排水高差不大, 能否利用虹吸原理呢?下面对利用虹吸原理实现自然疏水的可行性进行分析研究。
3 虹吸现象及基本条件
3.1 虹吸现象
虹吸现象在我国很早就被发现并得到应用, 古代称“注子”、“偏提”、“渴乌”或“过山龙”等称谓。据史料记载, 宋朝就有用竹筒制作虹吸管把峻岭阻隔的泉水引下山的记载, 目前我国西南地区的少数民族还常用一根去节弯曲的长竹管饮酒, 也是应用了虹吸现象。
3.2 虹吸原理
虹吸原理根本原因是由于压强差在起作用, 当弯管两侧中同一液面的压强不同时, 管中的液体就会向着压强较小的一侧流动。虹吸现象是液态分子间引力与位能差所造成的, 即利用水柱压力差, 使水上升后再流到低处。由于管口水面承受不同的大气压力, 水会由压力大的一边流向压力小的一边, 直到两边的大气压力相等, 容器内的水面变成相同的高度, 水就会停止流动, 利用虹吸现象很快就可将容器内的水抽出。
3.3 实现虹吸的基本条件
要想利用虹吸原理就必须满足以下三个条件:
(1) 管内先装满液体; (2) 管的最高点距上容器 (要吸取水地点) 的水面高度不得高于大气压支持的水柱高度; (3) 出水口比上容器的水面必须低, 这样使得出水口液面受到向下的的压强大于向上的大气压, 保证水的流出。
4 应用分析与实施方案
4.1 应用分析
要想在现场应用虹吸原理实现自然疏水, 首先要满足三个基本条件:
(1) 通过一台大流量潜水泵充水, 排出空气, 满足管内装满液体要求; (2) 确认准确标高。经测量运输巷最高点标高为-633.0米, 积水点标高为-636.5米, 高差3.5米, 通过计算, 管路阻力损失5.5米, 合计9米, 大气压支持的水柱高度为10米, 满足大气压支持高度; (3) 在后六轨道加接管路, 延长至后六轨道下头, 这样充满水的管内两端产生压差, 能够保证水的流出。
4.2 实施方案
利用运输巷已敷设的￠159mm排水管路, 现用连接方式不变, 在￠159mm管路积水点端加阀门和吸水笼头, 只留一台潜水泵与￠159mm管路连通 (管内充水用) , 其他阀门全部关闭, 巷道内管路接头密封处理。在运输巷最高点处￠159mm管路上方设放气阀门一个, 车场加接管路延深至后六轨道下头处并加控制阀门, 用以限制流速和阻水排净空气。
4.3 应用后排水方式
正常情况下现场五台潜水泵停运并关闭各泵阀门, 一台潜水泵运行供￠159mm管路, 确保管内充满水, 自吸用阀门全开, 轨道下阀门开度保持流量微小于工作面涌水量, 保证自然疏水稳定。当吸水点水量积攒较多时, 开启第二台泵通过￠108mm管路外排。
5 关键措施与注意事项
根据虹吸原理的三个基本条件, 关键做好以下三点:
(1) 管路空气排出与密封。由于巷道排水管路较长, 管接头多, 难免有个别接头处密封不严使空气进入, 影响自吸排水过程。首先在整个管路最高点 (标高-633米处) 设置一个放气阀门, 其次是采用增加一层胶垫的方式, 增强管接头密封性能。
管路首次使用时采用潜水泵充水, 出水口阀门关闭 (同时做为限流量阀门) , 打开位于运输巷最高点的放气阀门, 即可保证管内满水。在正常运行过程中, 结合一台潜水泵运行, 消除因管接头密封不严而进入空气造成的影响。
(2) 严格控制虹吸上水段高差。虽然理想状态下能够达到10米, 但现场实施起来非常困难, 一是管路阻力影响, 会降低吸水高度, 二是管接头密封不严造成空气进入, 也会大大影响吸水高度。若现场应用, 需精准测算高差, 并准确计算管路损失, 控制在9米以内为宜。
(3) 控制管内流速。管内流速过大必然造成负压增大, 溶于水中的空气会释出, 中断自吸过程。因此必须在出水口处加限流量阀门, 保持管路内水流稳定。
(4) 由于最高点放气阀位置与吸水口和出水口较远, 首次充水运行前需提前确定联系方法, 前后默契配合, 选择经验丰富的人员。
6 应用效果
6.1 直接减少了三台潜水泵运行, 现场只运行一台潜水泵即可满足排水需要, 不仅提高了排水效率, 而且减少了电力消耗。
6.2 现场只运行一台设备, 其他停运, 相应的维护维修工作量降低, 可减少1-2名维修工。
6.3 在用机电设备数量少, 降低设备发生故障的机率, 间接降低机电事故, 减少对区域供电系统的影响, 提高了供电系统的稳定性。
7 结束语
虹吸原理普遍存在于我们身边的每个角落, 只要进行合理的分析, 通过一定的措施和方法充分利用, 便会发挥他的长处, 达到预期效果, 实现低投入低成本高产出的目的, 为企业节支降耗起到了积极的促进作用。
参考文献
[1]于励民, 仵自连.矿山固定设备选型使用手册[M].煤炭工业出版社, 2007.
虹吸式屋面排水系统介绍 篇2
排水系统是屋面设计中一个重要的组成部分。屋面坍塌常见的原因是积水量超出了其承受力, 如果在适当的位置设置合适的排水系统, 就可以在很大程度上减少这种情况的发生。
在美国, 虹吸式屋面排水系统的时代已经到来。该系统是芬兰工程师奥瓦利·艾伯林于1968年发明的, 现在已经风靡全世界了。在欧洲, 虹吸式屋面排水系统占了商业建筑1/5的市场份额。1999年, 这种可持续的技术穿越了大西洋来到美国, 其在波斯顿会议中心的应用成为了第1个主要案例。此后, 该技术逐渐被人们接受。
虹吸式屋面排水系统与传统重力排水系统的不同之处在于所谓的“虹吸满管流”。与传统排水系统不同, 虹吸式屋面排水系统独特的组件空气隔板, 可以阻止空气进入管道, 使管道内全部充满水, 还能阻止杂物进入管道系统。
2013年10月, 由美国管道工程协会 (ASPE) 编制的新标准ASPE/ANSI 45—2013《虹吸式屋面排水系统》通过了美国国家标准局的审核, 该标准保留了美国机械工程协会 (ASME) 制订的A 112.6.9—2005标准的测试方法。
屋面排水系统设计的依据
屋面排水系统最基本的功能是排除雨水并将其导入地下管道系统或排水沟, 从而避免水渗入防水层或建筑外围护结构。这种处理技术使水资源保护、雨水回收利用成为可能。
屋面排水系统的设计必须考虑以下因素:1) 建筑地点;2) 屋面结构类型;3) 屋面坡度;4) 预计降水量;5) 预计排水流量;6) 屋面载荷要求。对于建筑师和设计工程师, 还有以下考虑:1) 排水管尺寸和特点;2) 排水管的布置和地点;3) 溢流安全要求;4) 建筑和管道法规要求;5) 抗破坏性能;6) 美学要求。
每个工程地点都有自身的历史降水量数据, 包括累积量、强度 (如持续时间和频率) 、雨滴大小和自由沉降速度的记录。降水强度对于确定最优屋面排水系统设计包括排水管的类型、数量、尺寸和布局起着重要作用 (由于每个项目都不同, 咨询屋面排水系统制造商是很有必要的) 。
传统屋面排水系统
传统屋面排水系统主要依靠重力以及水的扩散和流向最低点的特性。随着水的累积, 水深增加并成为使水流至屋面排水口的动力, 每一个排水口都有落水管将水直接导入地下, 只是水进入到排水管的同时也会吸入空气, 这会降低排水系统的效率。
其他非虹吸式屋面排水系统
对于受热带风暴或其他恶劣气候影响的区域, 快速和高效地排除径流水十分必要。为了获得高的体积效率, 大容量的屋面排水管应运而生, 它的体积效率比标准排水管增加了30%以上。屋面排水管的安装位置和出水管的直径大小必须精心考虑。
对于平屋面、坡屋面或限制雨水排水能力的区域来说, 限流屋面排水系统是十分理想的。利用该系统, 屋面上多余的积水是可控的, 雨水在风暴减弱后会以可计量的速率排出去。但要获得这样的效果, 关键是要有大面积的屋面可以临时储存雨水。
限流屋面排水系统只需较少的排水管、更小直径的管道系统、更小的下水道尺寸和更低的安装成本。另一好处是可以通过减小下水道的负荷来降低雨水淹没下水道和回流到地下室或其他低洼区域的可能性, 减轻暴雨造成的破坏;屋面上的储存水也可以暂时改善屋面的热损失。为了确保限流屋面排水系统正常发挥作用, 设计师必须仔细考虑排水管的安装位置、屋面板的挠度、排水口的大小、是否溢出排水沟和屋面荷载等。
虹吸式屋面排水系统
虹吸式屋面排水系统可以实现全流程最大流量和更小的管径并且无需排水坡度。虹吸式屋面排水系统的第1项商业应用是在1972年, 成功应用于瑞士汽轮机厂。
虹吸式屋面排水的理论可追溯到流体力学的一个基本公式———以18世纪瑞士数学家和物理学家丹尼尔·伯努利名字命名的伯努利能量方程。伯努利能量守恒原理认为:液体有3种基本能量形式———重力势能 (静能) 、动能和压力势能 (位能) , 即使系统能态从一种状态转换到另一种状态, 这3种能量之和不变且为一个常数。这个等式假设流体是不可压缩的, 系统不做功且绝热 (无热量的增加和损失) , 伯努利能量方程可以用来判定排水系统任意两点间的水流变化。虹吸理论自身也经过了一些修改, 如考虑水管的摩擦损失等。
在目前的设计中, 虹吸式屋面排水管和传统的重力屋面排水管看起来很相似, 它们有一些相同的特征, 如排水管的主体、圆顶过滤器和膜夹紧装置。但精心设计的空气挡板是虹吸式屋面排水系统独特的部件。空气挡板被安装到标准排水管的集水坑, 用来阻止涡流。换言之, 空气挡板阻止了科里奥利效应 (即水流沿着排水管旋转, 将空气引入到中间并使其进入管道) 。通过阻止空气进入排水管和水平收集管道, 产生了负水头压力, 能将水从屋面上吸出去。排水管上的大气压是排水系统的驱动力。集水坑中挡板的安装位置对于排水系统十分关键, 挡板的安装位置变低, 则可发生虹吸效应的水量减小。
一旦雨水穿过排水管进入尾管, 水就流向了水平管, 位置正好在屋面下方。在排水系统的该部分, 水压继续下降, 要增加管道系统的尺寸以防止空穴和排水管壁在负压下内爆。当雨水到达立管时, 它仍处于虹吸满管流中, 当水下降到零位 (如虹吸破坏) 时水压继续减小。当到地下时, 排水管转到一个垂直的落水管, 通过增大管道直径变成了传统的重力排水管。
排水系统的液压头是从屋面到排放口之间的整个高度, 这与传统排水系统是不同的, 传统排水系统只有屋面水作为水头压力。正因为这个优势, 排水管道尺寸相同时, 虹吸式屋面排水系统的流量和速度比传统的排水系统要高。高流速也意味着虹吸式屋面排水系统具有自净能力, 从而省去了清洁口的安装。
采用虹吸式屋面排水系统的原因
虹吸式屋面排水系统有诸多优点:
1) 管道系统的安装无需坡度, 与其他建筑系统的安装不冲突, 配合难度低。
2) 排水管的水平安装可以为建筑留出天花板的空间, 降低建造费用。
3) 虹吸满管流无需借助管道坡度即可实现。
4) 水平管的安装需要较少的垂直堆叠, 因为水平管道系统可以运行更长的距离, 从而可以节约成本;垂直堆叠的布置十分灵活。
5) 小的管道直径有利于降低成本, 同时对空间和建筑的整体设计产生更少干扰。
6) 预备场地和开挖造价费用降低, 因为可以将落水管安放到离下水道更近的位置, 下边板的安装需求可以最少化。
7) 由于管道系统的水流大, 具有自净功能, 这意味着可以省去系统的清洗工作。
8) 低的挡板位置使得较少量的屋面积水就可以产生虹吸作用。
9) 排放点可以安置在建筑的某一个区域或角落。
10) 虹吸式屋面排水系统对业主来说还有诸多其他优点, 包括节水, 降低能耗、资源损耗和建造成本。而且, 雨水回收利用较易实现, 回收的雨水可用于灌溉、冲洗小便池和厕所、自动喷水灭火系统和地面消防龙头等。通过利用收集的雨水, 可以降低成本。
理想的应用条件
虹吸式屋面排水系统与全工程管道系统联合使用时可以提供虹吸满管流, 虹吸满管流是通过自然液压作用实现的。这个系统设计是为了充分利用管道的全容积, 当管道全部充满水时虹吸作用就产生了。
虹吸式屋面排水系统只需要较少的下水管、较小的管道尺寸和较少的空间。这意味着该系统具有更大的设计灵活性、较少的安装次数、消耗更少的材料, 并可节约成本。虹吸式屋面排水系统可以在所有的建筑上使用, 不受尺寸、高度和降水量的限制。当然, 在大面积的低层房屋如购物中心和工厂, 虹吸式屋面排水系统的排水效率更高。这是因为在虹吸式屋面排水系统中, 在负压下, 雨水穿过了横管, 但当雨水从立管垂直落下时压力会增大, 直到压力变为零, 接着通过增加管道的尺寸变为重力流。建筑的占地面积越大, 管道系统中负压越大, 这可使水流在转变前就从建筑的一侧下落。而大多数的高层建筑占地面积较小, 且屋面面积也较小, 这就会导致在水平管中无法产生很多负压。
特定的虹吸式屋面排水系统
在美国, 标准的虹吸式排水管直径是380 mm, 还包括50 mm、76 mm和102 mm直径的无轮毂机械连接头。排水管和夹圈可以用铁或不锈钢打造, 圆顶过滤器可以用聚丙烯、铝、铜或铁制造, 还应采用不锈钢五金件来帮助组装。
虹吸式屋面排水系统适用于很多基础的、常见的屋面排水管配置。推荐使用顶板等安装设备来加快安装速度;排水立管和延伸器可以在拉平屋面排水管时发挥作用;在砾石屋面应用时, 砾石防护装置可以帮助确保适当的排水量;如有需要, 溢流排水管可以和标准虹吸式排水系统联合使用, 连接到一个独立的排水线路中, 从而可以将水排放到外部装置而不是下水道。
虹吸式屋面排水系统需要的排水管数量的确定方法和传统屋面排水系统一致。当将虹吸式屋面排水管和传统的屋面排水管尺寸相比较时可以发现, 同样的排水区域, 虹吸式管道的尺寸大约是传统排水管尺寸的一半。当然, 这只是初步的估算, 确切的数据还需要由屋面排水系统制造商和工程技术人员通过计算得到;另外还要查阅当地的管道规范来确认降水量是否在规定范围。
虹吸式设计指导方针
虹吸设计软件被用来设计和计算在安装过程中是否存在设计可接受范围内管道系统的压力和速度的微小变化。前面提及的ASPE/ANSI 45—2013标准可用来确定虹吸式屋面排水系统和传统的屋面排水系统的区别, 最主要的一个差异就是当管道直径发生变化时偏心异径管的使用, 这有助于使管道上部的水保持平整的表面, 从而排除气泡。
屋面面积少于4 645 m2时, 应该将排水管连接到同一个集水管, 否则, 系统将会由于排水管和大管道间的距离过大而很难保持平衡。由不同材料制成的屋面排水管不能连在同一个集水管上, 否则, 由于这些屋面材料有着不同的流量系数会导致不能同时形成虹吸 (不同的装配也可以有不同的摩擦系数评级, 应采用软件来选择最合适的转换类型) 。坡度变化较大或不在同一水平面的屋面也必须将排水管连接到独立的集水管。
虹吸式屋面排水系统在安装时必须避免两个问题:一是一个单独的管道系统中有多个垂直下降;二是管道系统中有低于障碍物的垂直下降。这两个问题将会使虹吸式屋面排水系统的启动变慢, 同时使虹吸现象滞后。
每一个屋面都必须至少有一个虹吸排水管。当最初设计一个系统时, 连接到同一个集水管的排水管的设置间距应不大于20 m, 距离最远的排水管到集水管的距离应不超过楼高的20倍。当然, 上述距离只是指导性方针, 如果经过适当地平衡, 这些距离也是可以增加的。超过20 m长的排水管应该被分成更小的部分, 以此来确定在什么位置管道的直径可以增加。排水管的表面和水平集水管中心之间的距离至少应该保持1 m。排水管底部的尾件在连接至水平集水管前至少应该有0.5 m长的距离。
对于虹吸式屋面排水系统来说, 每一个独立的系统和整个系统都必须在负压10.13 k Pa和正压10.13k Pa之间, 整个系统的失衡应尽可能接近0。铸铁或聚氯乙烯 (PVC) 管道可以承受最低90 k Pa的负压, 如果压力过低, 必须增大管道的直径。
零位水管 (打破虹吸现象后的第1部分水管, 并且已经完成了向重力排水管的转变) 的流速必须小于2.5 m/s, 以防止排水管遭到破坏。在大多数情况下, 流速会被降到1 m/s左右, 来与基于屋面面积和降水量的传统排水管尺寸相匹配, 该流动速率是确保排水系统保持自净的最小值。
结论
虹吸式屋面雨水排水系统设计 篇3
1. 虹吸式屋面雨水排水系统简介
虹吸式屋面雨水排水系统的原理是根据伯努利定律, 通过能实现气水分离的特殊雨水斗, 充分利用屋面与地面的高度差产生的能量使雨水管形成负压, 从而使雨水管最终达到满流状态, 当管中的水呈压力流状态时, 虹吸作用就产生了。在降雨过程中, 由于连续不断的虹吸作用, 整个系统得以快速排放屋面上的雨水。
虹吸式屋面雨水排水系统和重力式屋面雨水排水系统均由雨水斗、雨水悬吊管、雨水立管、雨水埋地管组成, 但因为系统的工作原理完全不同, 在二种不同水力条件下工作, 因此系统中各部件的功能要求是不一样的, 系统也有其相应的一套计算方法。虹吸式屋面雨水排水系统的最大改进和技术进步是开发了一种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, 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, 在降雨过程中相当于从屋面上的一个稳定水面的水池中泄水, 经屋面内排水管系, 从排出管排出, 管道全充满的压力流状态, 屋面雨水的排水过程是一个虹吸排水过程。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。但在比较小的降雨强度或降雨过程的末期, 降雨量减小, 雨水斗淹没泄流的斗前水位降低到一定的值, 雨水斗开始有空气渗入, 排水管道内的真空被破坏, 排水系统会从虹吸压力流的工况转向重力流。
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。从上面的分析可以得出, 雨水斗的进水水面至临界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。
2. 虹吸式屋面雨水排水系统特点
传统的重力式屋面雨水排水系统采用重力式的雨水斗, 流入雨水斗的雨水易掺入空气, 从而形成水、气混合流, 影响雨水斗的雨水量, 且悬吊管需要较大的管径和一定的坡度。通常, 为了维持连接在同一悬吊管上的各个雨水斗的正常工作, 连接雨水斗的数量一般不多于四只, 因而增加了雨水管的立管数量。重力式屋面排水系统因受其水力特征的限制, 造成排水立管多、管径偏大, 因此对于大面积工业及公共建筑屋面雨水排水系统来说, 它具有一定的局限性。
虹吸式屋面雨水排水系统克服了传统的屋面重力式排水系统所存在的缺陷, 其排水能力也有很大的改善和提高, 在满足水力计算的情况下, 悬吊管接入的雨水斗数量一般不受到限制, 从而减少了立管的设置;而且, 悬吊管不需设坡度, 其安装方便、外形美观;另外, 该系统按虹吸式压力流计算可以减小选用管道的直径。
3. 工程设计实例
广州市轨道交通三号线呈南北“Y”字形走向, 主线北起广州东站, 南到番禺广场;支线北起天河客运站, 在体育西路与主线汇合。线路全长36.33km, 全部为地下线路, 设18座车站、1个车辆段。车辆段的运用库天面采用网架钢结构设计, 呈“凸”字形, 长266.5m, 宽153m, 屋面总汇水面积31434m2。
设计为虹吸式屋面雨水排水系统, 共采用20个系统, YG100B型雨水斗90个, 雨水管选用HDPE管。
4. 结语
屋面虹吸雨水排水系统设计与施工 篇4
屋面虹吸雨水排水系统的设计是精确、严谨的,否则系统只能在设计的近似范围内运行,或者根本就不能形成虹吸。为保证每一个步骤均能达到设计要求,应严格按照如下设计流程展开设计工作。
1.1 设计流程
设计流程,见图1。
1.2 设计依据
1.2.1 有根据的准确的基础资料。
1.2.2 项目所在地区的气象参数。
1.2.3 降雨历时5 min的暴雨强度或其计算公式。
1.2.4建筑结构设计图:1)建筑屋面平面图。图上应标明:(1)屋面汇水面积的划分,屋面坡向和坡度,各屋面之间的高差,平面尺寸应满足计算汇水面积的要求;(2)建筑屋面平面的标高,各分水线的标高,汇水点的标高;(3)建筑屋面平面上的天沟或檐沟的准确位置,沟的坡向、坡度,沟的宽度和深度,沟底标高,无天沟的平屋面应标出各汇水点的标高。2)建筑物各层(包括首层和地下各层)平面图、剖面图。3)建筑物屋面结构平面图、剖面图、雨水斗设置处的结构详图。4)屋面建筑构造图,排水沟详图以及防水层大样。
1.2.5 室外雨水管设计图。
图上应标明:1)室外雨水管位置、排水管径,管底标高。2)屋面雨水排水系统的立管出口与室外雨水管连接点位置和连接点标高。
1.2.6 安全措施要求:
1)在建筑平面图上标出安全溢流口的位置。2)给出屋面防水和结构荷载允许的屋面最大积水深度。
1.3 基本规定
1.3.1 设计参数选取:
1)设计降雨历时、设计降雨强度、汇水面积、设计雨水流量等的计算及暴雨强度修正系数、屋面迳流系数等的取值,要符合现行国家标准GB 50015—2003《建筑给排水设计规范》的有关规定。2)降雨重现期的确定,应根据建筑物的重要程度、汇水区域性质等因素确定,一般性建筑取5 a,重要建筑取10 a。虹吸雨水系统与所设置的溢流口或溢流装置的总排水能力,应达50 a(特别重要或危险性特大的可取100 a)设计重现期的雨水流量。3)当业主或设计院设计师提出特殊要求时,在系统安全、可靠的前提下,可按其要求进行取值。
1.3.2 雨水斗设置:
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上的雨水斗,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)弧形或抛物线形屋面,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)在平屋面设置雨水斗时,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。
1.3.3 雨水斗排水能力Qd计算:
式中:Qd———虹吸雨水斗排水量,m3/s;d———雨水斗出水短管内径,m;H———雨水斗顶部至出水口的高度,m;P———虹吸系统设计最大负压,m(水柱)。
屋面虹吸雨水斗的排水量取决于三个因素:雨水斗顶部至雨水斗出水口的高度,雨水斗出水短管的内径大小,虹吸系统的最大负压大小(m水柱)。
1.3.4 设计雨量Q计算:
式中:Q———设计雨量(屋面雨水量);K——降雨强度系数;q5———5 min暴雨强度值,q5=167i;i———5min平均降雨量,i=H/t;t———降雨历时,一般按照5min计算;Fw———屋面汇水面积,m2,由屋面水平投影面积及高出屋面侧墙折合面积组成。
1.3.5 屋面天沟设置:
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500 mm、深度不宜小于300 mm,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Qy=Kq5Fw。式中:K———降雨强度系数;Fw———屋面汇水面积,m2;q5———降雨强度(L/s×100m2,即每1 s在100 m2内的水量)。天沟断面过水流量Qt=AtVt。式中:Vt———天沟过水断面流速,1/n×R 0.667×i0.5;At———天沟断面积,WD,其中W为宽,D为深;R———水力半径,At/(W+2D);i———天沟坡度;n———天沟底面材质粗糙系数。当Qt>Qy,所取天沟尺寸合理。
1.3.6 管道系统设置:
1)悬吊管与雨水斗出口的高差,宜大于1.0 m。2)悬吊管不宜穿越建筑物的伸缩缝、沉降缝和抗震缝,如必须穿越,应采取必要的补偿措施(设置伸缩节,金属波纹管等)。在穿越防火墙或其它防火分隔体的时候,应加阻火圈。3)悬吊管的设置,应首先选择以立管为中心,侧向对称布置方式;如不可能,可选择单侧布置方式。4)虹吸管道系统各节点上游不同支管的计算水头损失之差,在管径小于等于DN75时,不应大于10 kPa;在管径≥DN100时,不应大于5 kPa;超出时应采取变更管径、增加支管长度和局部损失或改动系统组合等方法,调正后,再行复算。5)悬吊管水头损失不得大于80 kPa。6)不同高度的屋面,彼此之间又有较大高差时,宜分别设置立管和出户管。7)立管距地面1.0 m处,应设检查口;如有需要,悬吊管可相应地设置清扫口,但须确保系统的气密性。8)悬吊管内的设计流速不宜小于1.0 m/s;立管内最小流速不宜小于2.0 m/s,不应大于10 m/s,立管底部接至室外窨井的排出管应放大管径,管内流速不宜大于2.5 m/s。9)立管的末端或检查口以下及接至室外的排出管应加大管径,按重力流(非满流)系统计算。10)大面积屋面(5 000 m2以上),须至少设置2套以上彼此独立的屋面虹吸排水系统来完成排水任务。11)管道应固定在建筑物承重结构上;管道可不设坡度;管道不应穿过对安静有较高要求的的房间;管道表面如可能结露的,应采取防结露措施。
1.3.7 安全溢流口设置:
1)虹吸式屋面雨水排水系统除外檐沟外,均必须设安全溢流口。2)安全溢流口或溢流立管的溢流量,必须按设计重现期总排水量减去虹吸式的设计雨量进行计算。3)有女儿墙的屋面,应在女儿墙上设矩形堰。女儿墙上矩形堰设计流量Q=mB(2g)1/2H03/2。式中:Q———矩形堰流量;m———矩形堰流量系数,薄壁堰取450、宽顶堰取385;B———矩形堰顶宽度;g———重力加速度;H0———矩形堰前水位。4)溢流水位以下的水深荷载,应提供结构专业核准。5)溢流口应标注在建筑专业图纸上,屋面天沟的溢流口,宜设于天沟末端的最低处。溢流口上不得设格栅或其他装饰物。溢流口采用无组织排水时,不应危及本身或影响相邻建筑物的安全;溢流口采用有组织排水时,可设置多个雨水斗组成溢流口接至溢流立管,单独排向室外。
2 施工安装工艺
2.1 雨水斗安装
2.1.1 金属屋面天沟内雨水斗安装:
见图2。1)根据图纸确定雨水斗在天沟中安装的轴线位置,然后根据雨水斗规格型号的不同,画出安装开孔线。2)按照开孔线实施开孔作业,孔的大小以能放入斗体的下沉部分为宜,一般开孔直径比斗体直径大2 mm。开孔作业时,应采取防止天沟及孔口边缘变形的措施,开孔后应对孔口边缘进行刮(磨)处理。3)把雨水斗放入天沟孔内,划出螺栓开孔位置,取出斗体,用电钻进行开孔。4)按照雨水斗安装说明书及要求安装雨水斗及其它部件。雨水斗安装完毕后应进行表面清洁和完善成品保护措施,防止杂物进入斗体内。5)若图纸有特殊安装要求,按设计图纸要求执行。
2.1.2 混凝土屋面天沟内雨水斗安装:
见图3。1)根据图纸确定雨水斗在天沟中安装的轴线位置,将雨水斗体连同防水压环固定螺栓预埋在已确定位置的混凝土中。2)在预留孔中安装雨水斗,孔洞要打毛、冲洗,灌浆所用水泥砂浆配比要比该处结构层高一个标号,灌浆要分2次或3次完成,每次都要做灌水试验,灌水不渗漏,后续灌浆可一次完成。3)预埋斗体后应进行表面防护工作,以防杂物进入斗体,造成管道堵塞。4)旋掉防水压环固定螺栓上的定位螺母,将表面清洁干净,装上自粘密封圈,铺设柔性防水卷材,再用螺帽将防水压环紧固在雨水斗斗座上。5)依次安装整流装置、导流罩。6)雨水斗安装完毕后,应进行表面清洁和成品保护措施。
2.2 雨水斗与管道连接
雨水斗与管道常见的连接方式有:喉箍连接、法兰连接、氩弧焊接,见图4。
2.3 管道安装
2.3.1 HDPE悬吊管安装:
见图5。1)按设计的数量和位置先把安装片焊接在屋面钢结构上,如果是钢筋混凝土结构,则用膨胀螺栓把安装片固定在钢筋混凝土屋面板下方,用螺杆、方钢卡把方钢固定起来,调整至设计标高并保持水平。2)依据计算出的适当管卡间距,把悬吊固定管卡、悬吊滑动管卡固定在方钢管上。对没有流量汇入的悬吊管,以5 m的间距固定一个悬吊固定管卡(与固定套环配套使用);对有流量汇入的悬吊管三通处和悬吊管与立管连接处,均要加设固定管卡(与固定套环配套使用)。悬吊滑动管卡则根据各段管道的规格,按管道直径的10倍均匀分布。3)把预制好的HDPE管套入悬吊管卡固定就位,固定管卡处要加设固定套环,防止管道发生轴向位移。调整管道,使整个悬吊管道保持在同一水平上。
2.3.2 固定套环安装:
见图6。
2.3.3
无法制作悬吊系统或管径≥200 mm的HDPE管的安装:可采取直接悬吊安装。
2.3.4 HDPE管二次悬吊系统常见的安装固定形式:
见图7。
2.3.5 HDPE立(悬吊)管安装:
见图5。1)按要求的间距,把安装片焊接固定在钢结构柱子或用膨胀螺丝固定在钢筋混凝土柱子、墙壁上。2)通过立管卡、M18螺杆,把HDPE管固定在柱子或墙壁上。3)HDPE立管按照≤6 m的间距,安装固定套环。
2.3.6 不锈钢管和涂塑钢管等金属管道安装:
不需要用二次悬吊固定系统安装,可用管卡直接悬吊安装。
2.3.7 常见的套管安装形式:
见图8。
2.3.8 管道阻火圈及波纹伸缩器安装:
HDPE管道穿越防火墙或楼板时需要加设阻火圈,阻火圈的安装方法见图9。
2.3.9 波纹伸缩器安装:
见图10。1)不锈钢波纹伸缩器与管道之间,采用法兰连接保证系统密封性。2)安装完毕后,松动相关螺栓,保证波纹伸缩器的规定伸缩量。
2.3.1 0 系统灌水试验和隐蔽验收:
系统灌水试验和隐蔽验收,是虹吸雨水系统安装工程中两个非常重要的质量控制点,关系到系统的验收和运行。在施工过程中要做好以下工作:1)系统安装完成后应做灌水试验,灌水高度必须到雨水斗,灌水试验持续1 h,以不渗不漏为合格。试验合格后,要及时向甲方、监理办理灌水试验记录签署手续。2)敷设在地下、管井、装饰层内的管道,在灌水试验合格后,需向甲方、监理提出隐蔽验收申请,验收合格后签署隐蔽验收记录表,最后对管道进行隐蔽。
3 结语
虹吸雨水系统在国内运用近10 a的时间,《虹吸式雨水斗的施工标准图集》、《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》、《虹吸式雨水斗》(生产标准)在国内也相继发布,可以说虹吸雨水系统的产品配套、设计和施工技术已经成熟。以上是本人在工作过程中对虹吸雨水系统的设计及施工几个技术要点的总结,供参考。
参考文献
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[5]高羽飞,高峰.全国注册公用设备师执业手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.