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1、屋面虹吸雨水排放系统,一、虹吸技术原理,二、虹吸屋面排水系统概念,三、虹吸原理在虹吸系统中的应用,四、虹吸系统的优势,五、虹吸系统的应用,六、新型虹吸系统方案的研究,七、虹吸系统的工程业绩,一、虹吸技术原理,虹吸技术原理,满管流,通过用一根塑料管从鱼缸往低处的杯子里吸水时，我们 可以观察到虹吸现象（满流状态）,虹吸技术原理 观察,h1 比 h2大 情况1比情况2排水快. 系统上部水面与排水口水面的高 差大，就会产生较大的水头，这 样就有较大的排水能力（高度势 能）,情况 1 情况 2,h1 h2,虹吸技术原理 观察 情况3比情况4排水快. 情况4比情况3走向上有更多,情况 3 情况 4,的弯曲
2、，因此管子的水阻更 大 管道水阻较大的系统排水量 较小（排水速度较慢） 1、管道内径 2、管道内壁粗糙度 3、弯头的个数和角度,4、管道的总体长度 以上是一个简单的虹吸理解，其实虹吸原理也就是伯努利方程式的灵活应用。下面，我们将做详细 的理论讲解。在详细了解如何能形成虹吸之前，我们先简单的了解一下什么是虹吸？虹吸和重力的 简单区别？虹吸的几个主要构成要件等知识,二、虹吸屋面排水系统概念,空气 水,在重力流系统中，水沿着立管的管壁流下 一般情况下，管材断面约1/3为水， 2/3为空气 概念上, 如果管中没有空气，,那么用传统管径的1/2的 管道就能排相同的水量. 水(满管) 满管流,重力流,虹吸
3、屋面排水系统概念,虹吸屋面排水系统概念 雨水斗上方有较高的水深 较大的管径,重力流 雨水斗上方水深可控制 较小的管径,管道走向需要坡度,管道走向不需要坡度 满管流,对其他工作可能有冲突,便于建筑处理,重力流雨水系统,虹吸屋面排水系统概念,虹吸雨水排水系统,虹吸屋面排水系统概念 系统雨水斗, ,雨水斗排水量 Outlet Capacity TY-56 12L/S TY-90 24L/S TY-110 40L/S TY-125 60L/S,有空气挡板（产生虹吸流,无旋涡）,无空气挡板（传统的重力流会产生旋涡）,雨水斗周围的水流状态,虹吸屋面排水系统概念,三、虹吸原理在虹吸系统中的应用,通过以上两个
4、部分的了解，我们知道的虹吸的基本原理是什么， 虹吸系统与传统重力排水的简单区别，虹吸系统的几个主要组成 部件，对虹吸有了一个简单的认识。下面，我们主要从详细的分 析中了解如何灵活利用伯努利方程式来形成虹吸现象，虹吸系统 的优点，虹吸系统的应用范围以及虹吸系统在施工过程中需要注 意的一些事项。,Po,C,虹吸现象给我们的启示,Po H h 在虹吸状态下，池中的水被大气压力压到点C后顺立管流 出。形成虹吸的条件是：,管道内为充满状态（不被大气所贯通 ）； 管道出口低于液面； C点与液面的高差小于大气压力形成的水头（阻力）。,满管流状态下的压力排放在立管顶端C处形成一定的真空度，是虹吸排放的技术核心
5、。而满管流则是 形成虹吸状态的必要条件。假定系统已经处于满管流状态，可以根据伯努利方程计算C点的压力。,C点的压力取决于C-O段的落差H1和 C-O段的压力损失Hf1,以及出口O点的大气压力Po。按照伯努利方程,Pc+ Pvc+ H1=Hf1+Po+ Pvo,假定C点和O点流速相同, Pvc = Pvo，C点压力 Pc=Po+Hf1- H1,显然，当H1Hf1时，Pc将低于大气压力，表压为负值。,A点的压力：A点压力是影响水平管水流动力的参数,如果A-C段的流阻为为Hf3，则A点的压力应当比C点高出Hf3 ，假定Hf3比较小(设计上可以保证这一 点），则Pa仍然会低于大气压力。这种状态保证了从
6、雨水斗到A点水流有足够的动力。从S点（天沟）到A点 允许有如下的压力降落,Hf2=H2-PA,由于PA低于大气压力Ps，为负值，所以尾管及雨水斗部分的水流动力不仅来自尾管高度形成的水头,，还有Ps的作用，这大大加快了雨水斗的进水速度。,纵观以上分析，虹吸排水的动力来源于立管和尾管的高度，尤其是立管高度。立管的水头在减去水平 管和立管的摩阻后的剩余部分形成了C点和A点的真空度，或称负压。大气压力与负压得联合作用，使水流在 尾管和水平管内获得了远大于重力排水状态的动力。这种从雨水斗到立管顶端的有压流动状态是虹吸排水所 有优势的根本原因所在。,立管顶端的最低压力,立管顶端的压力受到物理上和工程上的限
7、制。物理上C点压力不可能低于绝对真空，工程上C,点压力不允许低于常温下水的饱和蒸汽压。,一般设计要求Pc-9m，即高于常温下水的饱和蒸汽压力。当立管过高时，如果设计不当， Pc可能会低于水的饱和蒸汽压力，这时在立管顶端会出现大量水汽，影响虹吸过程。过 分缩小管径又会造成立管流速过高。通常流速不大于10m/s。将立管下部一部分加粗，使 其中的流动状态变成满管流，从而降低立管的有效高度，是一个常用的办法。,工程上需要注意的是最低压力区如果管道的环刚度不足，这个部位的管道可能，会被大气压,力压瘪。,虹吸状态下管道内的压力分布（虹吸负压是指表压，而不是真正的负压，实际上，如果真正的负压即压力,低于真空
8、，则水产生气化现象，降低了系统的排水能力）,虹吸过程中管道内的压力限制,设计规程中要求最低水头不低于-9m。管道中出现过低的压力（低于水的空化压力，即常温下的饱和,蒸汽压力），水中就会迅速产生大量蒸汽泡，从而降低了水的密度，大大影响系统的排水能力。,计算表明，虹吸系统中的最低水头一般出现在立管顶端。,最低负压的限制有可能无法充分利用建筑水头，甚至需要降低立管的有效高度。,压力分布对虹吸过程的作用,系统内的压力分布是保证虹吸过程正常进行的保证。 雨水斗喉部的负压使水流能够在雨水斗盖板下加速,（靠雨水斗喉部的负压，使水流从雨水斗边缘向中心产生加速，可达到6m/s以上）,水平管两端的压力差使水流在水
9、平管内能快速流动 立管内的动力来自立管水头高度,扣除管道阻力和过渡段阻力，立管剩余水头形成顶部负压 过渡段水流靠部分立管水头推动。 结论：,充分利用了屋面雨水的总水头高度，形成管道内的压力流。 管道内基本呈负压状态，对管道刚性、密封性有要求。,虹吸的形成过程,虹吸生成过程描述,水平管充满后能否向立管充满过渡，取决于流量QS和立管直径的配合。,实际排水过程：,1、理想的虹吸排水过程只是一种临界状态。当雨量大于排水能力时，天沟水位会持续上升；当,雨量小于最大排水能力时，首先出现的是气水混合流，随后过渡到重力流状态。,2、虹吸排水和重力排水之间的主要不同点是，虹吸排水达到设计排水能力有一个过渡过程，
10、而,达到设计排水能力后就进入明显的饱和状态。,3、虹吸排水系统设计必须考虑这两个因素。,虹吸生成的滞后现象,影响滞后量的主要因素,雨水斗的排量 尾管高度,水平管的直径和长度 立管的直径和高度 雨量变化速度,对钢结构屋面的长天沟（相应水平管很长），必须进行天沟缓冲能力验算,尾管在虹吸形成过程中的作用,利用尾管水头，获得了一个起始流量，这个流速必须能够使立管达到充满程度，使有效势头 进一步增加，从而使流速进一步上升。,尾管过短，起始流量很小，立管顶端达不到充满的程度，虹吸过程也无法形成。,规程中建议尾管高度不小于1米，是一种安全建议。实际工程中由于吊顶高度或管道布置的限 制，可能要求缩短尾管。在工
11、程实例中，500mm长的尾管依然能够正常工作。,需要关注的几个方面,关于尾管,关于天沟,虹吸生成过程带来的影响：,当雨量急速上升时，天沟内会有相当的雨水累积，累积速度和雨量变化速度正相关。,短时超过设计排水量的落雨量也积累在天沟内，天沟容积必须考虑这种排水滞后现象,1、大直径盖板形成足够的进口面积，保证低进口流速下获得大排量，限制斗前水深。 2、空气挡板下水流从边缘向中心的加速，充分利用从边缘到中心的压力差，保证了水流在,喉部能加速到预期值，实现大排量。 3、盖板的封闭作用： 保持喉部负压 4、盖板结构应有助于防堵塞和防漩涡 5、雨水斗的实际流量取决于系统结构,关于虹吸雨水斗,虹吸排水存在排量
12、饱和问题，一旦达到设计排量，将不会由于天沟水深上升而使排量上升。 在超过预定暴雨重现期雨量时，天沟能够提供足够的溢流能力。 溢流系统对天沟的宽度和深度同时提出了需求。,关于系统溢流对天沟的要求,需要关注的几个方面,关注虹吸排水系统排出口集水井,1、所有虹吸排水系统的计算都是到过渡段出口为止,2、排出口被淹没的影响：排出口不能封闭或被淹没，如果排出口与市政管网连为一体，并且封闭，则市政管网也被系,统自动视为一个整体，不利于排水。通常的做法是排出口不完全封闭,3、集水井盖被封闭的影响,4、加强集水井筒壁，要求集水井井壁为混凝土结构，或镶嵌加强钢板。因为形成虹吸的出水口水流速度快，冲击力大,误区,人
13、们往往会强调虹吸雨水斗可以限制天沟水深的优点，而误认为虹吸排水系统不需要足够宽和足够深的天沟。,这一认识上的误区可能会带来错误的天沟设计。,天沟的缓冲作用,虹吸系统的强大排水能力是在虹吸状态形成之后才产生。从重力排水发展到虹吸排水有一个过渡过程。其间排,水能力不足造成的雨水累积需要用天沟的容积实现缓冲,关于虹吸屋面排水中天沟设计的重要性,需要关注的几个方面,虹吸系统的优势,四、虹吸系统的优势,现代大屋面建筑对屋面雨水排放系统提出新的要求,1、要求使用更少、更细的管道；,（细管道便于隐蔽安装，使建筑美观。）,2、立管位置不受限制；,（为了建筑美观，某些地方不允许配置立管，或者就近配置立管将需要开
14、挖长的地沟。开挖地,沟在某些建筑中受到限制（如现代厂房），同时也加大工作量。）,3、要求能根据汇流特点在屋面上灵活配置雨水斗；,（合理配置雨水斗能够使大屋面上的雨水顺利排放，但应不影响立管位置。虹吸排水顺利解决,了这一问题，它允许配置长的水平管,使雨水斗几乎可以放到屋面的任何位置。）,4、限制斗前水深，降低天沟负荷。,（虹吸专用雨水斗在大流量时只需很低的天沟水深。）,传统重力屋面雨水排放系统存在的根本问题,1 、 水在管道中是靠重力(坡度)流动，水流速度低，管道直径大；（非满管流，只能靠管道坡度产生,流动，流速不可能高，平均流速低。）,2、水平管不可过长，限制了立管位置；（有坡度的水平管不便于
15、布管，尤其长管道。立管必须靠近,雨水斗就近安装）,3、雨水斗和立管不能灵活布置，难以实现同一水平管配置多个雨水斗；,4、普通雨水斗排水能力差，无法限制天沟水深。（普通重力雨水斗是以溢流堰方式进水，进口流速 取决于斗前水深，所以大流量时要么加大雨水斗规格，要么增大天沟水深。增大天沟水深会明 显加大天沟负荷。,5、水平管要求坡度给管道铺设带来困难,6、大量的立管可能需要开挖排水沟，某些建筑内排水沟被禁止；,根本症结：无法解决水平管无坡度铺设。,虹吸排水要解决的根本问题是什么？,利用大气压力将远离立管的雨水斗汇水经水平铺设横管输送到立管顶端 解决了这个根本性问题，就会看到虹吸排水的许多优点。,1、
16、比重力系统管径小1/2至2/3,2、横管不需要坡度,4、可减少与减小屋面预留洞要求,3、屋面雨水斗布点灵活,6、水流速度快具有自洁管道功能,虹吸系统的优势,5、管道材料可灵活选配,重力系统,虹吸系统,虹吸系统的优势 1、 比传统系统管径小1/2至2/3,重力流 空气 水 水 ( 满) 满管流,虹吸系统的优势 1、小巧为美,置于柱内,置于外墙建筑包面内,置于混凝土板,虹吸系统的优势,2、 悬吊横管不需要坡度,无坡度,虹吸系统的优势,2、 埋地横管不需要坡度,无坡度,65,900m2 75 l/s,虹吸系统,160,200,900m2 75 l/s 重力系统,虹吸系统的优势 3、 屋面雨水斗布点灵活,160,900 m2 75 l/s 虹吸系统,200,900m2 75 l/s 重力系统,虹吸系统的优势 4、 减少与减小屋面预留洞要求,虹吸系
