屋面雨水排水系统的设计分析
摘要：从水力学的角度分类，屋面雨水排水系统一般可分为重力流和压力流虹吸式屋面雨水排水系统两类。文章在分析压力流虹吸式屋面雨水排水系统工作原理的基础上，对该排水方式与传统重力流雨水排水方式进行了比较，讨论了压力流虹吸式屋面雨水排水系统的特点和优势并对压力流虹吸式屋面雨水排水系统的设计与应用中的几个问题进行了分析。
关键词：屋面排雨水；压力流虹吸式；设计
0 前言
随着近年来我国经济和社会的快速发展，建筑屋面的造型千姿百态丰富多彩，各种大面积的场馆、现代工业厂房在全国各地大量兴建，这些建筑往往气势宏伟、美观实用，但随之也带来了大或超大屋面雨水排水系统设计的问题。近10年来，虹吸式屋面雨水排水系统得到了广泛应用，如上海世博会主题馆、浦东国际机场航站楼、首都机场T3A航站楼以及部分核电厂的常规岛主厂房等都采用了虹吸式屋面雨水排水系统。与重力流排水系统相比，虹吸式屋面雨水排水系统有其优势，但也存在一定的局限性，有必要对其设计和应用进行分析和探讨。
1 虹吸式屋面雨水排水系统的工作原理
虹吸式屋面雨水排水系统利用虹吸原理，在降雨过程中，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，在管道中形成局部真空(负压)，从而快速排出屋面雨水。
1．1 工作原理
压力流虹吸式屋面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。虹吸式雨水排水系统水力分析(系统排出管为自由出流)如图1所示，系统最高处B —B 断面为屋面雨水斗进水口，X —X 断面为计算断面，可定在系统任意高度处，系统最低处A ～A 断面为排出管出水口。
图1 虹吸式屋面雨水排水系统
根据图l 列出B —B 和X —x 断面的伯努利方程，具体如下：
)()(2222BX y BX j X X X B B h h g
V P h g V P H ++++=++ (1) 式(1)中)(BX j h 、)(BX y h 分别为雨水斗B —B 断面到X —X 计算断面的
总的局部损失和总的沿程损失，P B =O ，V B =0，P X 为管道X —X 断面处的
压力水头，令h=H-h X ，，代入式(1)得：
)()(22BX y BX j X X h h g
V h P ---= (2) 式(2)是计算管道中任一断面处压力水头的基本公式，它表示
管道中任一点的压力水头等于雨水斗与该点的高度差减去该点的速度水头及相应的总的局部损失和沿程损失。如果式(2)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。
1．2虹吸式系统的压力分析
以虹吸式雨水排水系统的主管道为分析对象，以雨水斗为起点，雨水检查井为终点，管道沿程长度为横坐标，管道内流体的压力水头为纵坐标，绘制压力水头变化，结果见图2。
图2虹吸式屋面雨水排水系统压力水头分析
①雨水斗及其连接管(1～3段)
当系统在设计工况运行时，在雨水斗的连接管上一般虹吸式雨水
斗的)(BX j h 较大，加上雨水斗的出水管较细，则g
V X 22较大，而可利用的水头h 不大，通过式(2)计算可知，雨水斗前通常有较小的压力水头，在雨水斗连接管上通常呈较小的负压。
②雨水悬吊管(3～4段)
随着计算断面X —X 沿水平悬吊管由雨水斗一侧向雨水立管一侧偏移，由于虹吸式系统的雨水悬吊管一般为水平安装，因此h 维持不
变，管道内的)(BX y h 增加，g
V X 22变化不大，则按式(2)计算可得，管内负压将不断增大，并在其与立管的交叉处负压达到最大。
③雨水立管(4～5段)
从立管与悬吊管的交叉点向下，h 迅速增加，大大超过因管道长
度增加而增大的)(BX y h ，而g
V X 22和)(BX y h 保持不变，通过式(2)计算可知，立管内的负压值将减小至零，继而出现逐渐增加的正压值，在立管底部正压值达到最大值。
④雨水排出管(5—6段)
压力水头在该管段内逐渐被消耗，至排水井处与大气相通，管道的压力水头降为零，雨水斗的进水水面至排出口的总高度差，即有效作用水头全部用尽。为了保证系统的可靠运行以及便于后续对设计的修改，一般保留系统有一定的余量(节点6处)，而非将压力水头耗尽。
1．3特点和优势
与传统的重力流屋面雨水排水系统相比，虹吸式屋面雨水排水系统具有以下特点：虹吸式系统内呈负压状态，悬吊管管内为压力流，无需坡度，管道布置灵活，占用空间小。就相同的雨水排水量而言，虹吸式排水系统所需雨水立管的数量和管径远小于重力流系统，但为了保证虹吸作用的实现，对排水管道的刚性和密封性有较高要求。此外，虹吸式排水系统的设计较为复杂，其系统设计需要由专业的厂家
进行计算，其设计计算软件要获得国家的专业认证，虹吸式雨水斗是各个厂家的专利，需要有专门的性能测试报告，其雨水斗的价格要远远高出常规的雨水斗。通过技术经济分析比较可知，虽然虹吸式系统自身造价较高，但该系统可以有效提高建筑的空间利用率，从而减少整个工程投资造价。
2虹吸式雨水排水系统的设计与应用
目前，虹吸式屋面雨水排水系统设计主要参考的技术规程和规范包括：《建筑给水排水设计规范》(GB50015—2003，以下简称《设计规范》)、《虹吸式屋面雨水排水系统技术规程》(CECS183：2005，以下简称《技术规程》)和《建筑与小区雨水利用工程技术规范》(GB 50400--2006，以下简称《技术规范》)，在具体的系统设计和计算中还存在一定的争议，为此就以下设计与计算问题进行分析和讨论。2．1 关于总有效水头的确定
通过原理分析可知，在虹吸式排水系统设计时，管道内压力水头的计算是通过总的有效水头扣减总的局部损失、总的沿程损失和速度水头得到。目前关于总有效水头的计算还存在争议，总有效水头的计算最高点是指雨水斗高度，但《技术规程》中最低点计算断面为过渡段的高度，而《技术规范》中为排出室外地面的高度，两者在虹吸式系统的总有效水头的计算上存在一定差异。从法律效力来分析，两者都是系统设计时需要遵守的技术文件。从设计的保守性分析，按《技术规程》中的计算方法进行设计更为保守。以下从合理性角度对上述两者进行比较和分析：由于虹吸式雨水排水系统的设计重现期(一般
