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1、南京慧通工程技术有限公司屋面雨水虹吸排放系统专家 给你一个完美的解决方案虹吸雨水排放系统 原理及实践so-soon 劲驰TM1 重力屋面排水系统存在的主要问题1.1 必需的水平管坡度给管道铺设带来困难有坡度的长管道两端的落差可能被禁止；有坡度的排水管道会影响其他相邻管道铺设。 1.2 大量的立管可能需要开挖排水沟在现代化车间内排水沟是被禁止的；在暗沟内布置有坡度的排水管实现上也往往存在困难（100米长 坡度1%会有1米落差）； 1.3 不能适应灵活布置立管位置的要求 1.4 雨水斗即使以淹没方式进水，也必须有相当大的斗前水深以管径100mm为例，如果流量为20升/秒，即进口流速为V=0.02/
2、(0.7854d2)=2,55m/s，设进口局部阻力 系数为0.1，斗 前水深为H=(1+0.1)V2/(2g)=0.345m 设计师的希望：能够像布置导线那样布置水管会多么方便！2 虹吸现象给了我们什么启示hPoPo在如图的典型虹吸过程中，C点水流具有势头H，速度水头hv，如果右侧管道存在 沿程损失hy，且流速不变，则根据伯努利方程，C点的水头为hc=Po+hy-HPo为大气压力。hy肯定远小于H，所以hc将低于大气压力，即C点呈现负压。正是由于C点的负压，才使水池中的水能够源源不断被大气压力压到C点，然后顺流而下，使虹吸过程继续下去。当然，C点的负压至少应当足以克服C点对水面的势头，由于右
3、侧水管低于水面，这一点可以得到保证。如果把这种动力用到屋面雨水排放中去，就可以克服雨水横管中存在的阻力，在没有坡度的情况下将远处的雨水输送到立管顶端。CH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的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。 3 屋面排水中虹吸的形成过程虹吸的形成过程是指管道中从非满管流向满管流的过渡过程。 重力排水状态（雨量小时，管道内处于非满管流状态，即重力排水） 雨水斗的淹没-雨水斗喉部的充满（随着雨量加大，首先出现的是淹没雨水斗盖板， 靠天沟水深在雨水斗喉部所能产生的流速足以使雨水斗喉部处于充满状态） 尾管的
4、充满和流速的加快，形成虹吸起始流量（喉部充满部分向下延伸，使有 效水头增大，而不再限于天沟水深。当整个尾管全部充满时，形成虹吸起始流量） 水平管的充满或不充满，不起重要作用（起始流量流过水平管时，由于一般水平 管没有坡度，所以大多会形成满管流动。其阻力会使起始流量有所下降。希望阻力尽可能小，所以一般 水平管都比较粗） 立管顶端开始充满，起始流量和立管顶部直径的协调（起始流量能否将立管顶端充满，是虹吸过程正常发展的关键。被水平管降低的起始流量必 须足以把立管顶端充满，或者说立管直径绝对不能大到起始流量无法充满的程度。） 立管充满高度向下延伸，直至全部充满（立管顶部一旦被充满，则充满部分就会 向下
5、延伸，同时由于立管充满部分的高度起到增大水头的作用，从而使流量同时加大。当立管全部充满 时，系统达到最大排量。） 过渡段的充满（过渡段一般是水平段，排出需要压力，所以立管下端的压力会高于大气压力 。）过渡段的阻力会使立管充满时所形成的流量有所下降。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。尾管充满段水平管充满段立管充满段最大流量QS4 尾管在虹吸形成过程中的作用从上一节的讨论中我们看到，当雨量上升到一定程度 时，系统首先被充满的部分是尾管，这一点很容易被人理解 。由于尾管被充满而造成有效势头增大，从而获得了一个起 始流量，也就是靠这个流量在立管顶端形成了
6、一个初始流速 ，这个流速必须能够使立管达到充满程度，并在立管内形成 有效势头的增加，从而使流速进一步上升。设想如果尾管非常短，因而起始流量也就很小，在立 管顶端甚至达不到充满的程度，那么立管也就永远不能起到 加速的作用，虹吸过程也无法形成。必要的尾管高度起到了 使系统一步步充满的关键作用。规程中建议尾管高度不小于 1米，是一种安全建议。实际建筑中由于吊顶高度或管道布 置的限制，可能要求尾管缩、短，甚至短到0.3m，这时就需 要按规程推荐的公式对尾管高度进行必要的验算。但规程中 提供的验算公式在某些情况下并不合用，而需要针对具体情 况具体分析。不同雨水斗和尾管高度所形成的起始流量规格流量 高度T
7、Y-56TY-90TY-110-125流速 （m/s)流量 （m/s)流速 （m/s)流量 （m/s)流速 （m/s)流量 （m/s)流速 （m/s)流量 （m/s)0.5m2.364.652.4312.52.4519.32.4725.20.7m2.725.352.9214.62.8622.52.8829.41.0m3.136.103.3917.03.3428.33.3834.54 虹吸状态下管道内的压力分布可以利用伯努利方程定性分析整个管道内的压力分布状态。过渡段：假设过渡段为水平管，则前后端势头相等；再假定管道没有直径 变化，则进出口流速相同，速度水头不变。由于出口压力水头为零，所以管道前
8、 端必须存在正压，以克服过渡段对水流形成的阻力。立管：立管上下端存在势头差H，立管阻力损失水头hs， 立管尾部压力水 头hg，仍假定管道直径不变，速度水头不变，则立管顶端的压力水头为 hc=hg+hs-H，在设计上保证适当的立管损失hs和过渡段损失hg之和小于H，从 而使立管顶端保持负压状态。水平管：为克服水平管对水流的阻力，水平管前端的压力必然大于后端压 力。但设计合理的系统，可以使水平管在距立管得最远端仍保持负压状态。尾管以及连接管：由于尾管高度的作用，在除去尾管和连接管损失之后， 尾管顶端会形成比水平管远端更低的压力，也就是在雨水斗的喉部形成相当低的 负压。这个负压是维持小斗前水深的重要
9、条件。雨水斗喉部到边缘：雨水斗从边缘向中心有一个水流的加速过程，这个加 速过程的动力来源于从边缘到中心的压力差。雨水斗喉部的负压和边缘处的大气 压力之差推动了水流的加速过程。从以上分析可见，虹吸过程中，整个管道中除过渡段之外，几乎全部都处 于负压状态。负正正负5 虹吸过程中管道内的压力限制在我们分析虹吸排水过程中，会发现势头向压力水头的转换中涉及到水的密 度。如果减小，相当于势头成比例减小，也就意味着排水能力的下降。水中如 果存在气泡（包括空气泡和蒸汽泡），都会明显降低水的密度，从而影响虹吸排 水能力。 雨量不足时混入水中的空气泡会随着雨量加大而被水流带走，但如果管道中 出现过低的压力（低于水
10、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。为此，虹 吸系统设计严格限制系统中的最低压力不得低于水的空化压力，在设计规程中要 求最低水头不低于-9m。 计算表明，虹吸系统中的最低水头一般出现在立管顶端。 从充分利用立管高度带来的势头看，应尽可能降低立管顶端的水头，从而使 水平管获得更大的水流动力，但这个水头的极限值是-9m。当立管高度过高时， 可能会出现立管水头剩余的现象。取沿程阻力系数为=0.02，当最高流速限制为 10m/s时，除去沿程损失，每米高度管道能够剩余的水头近似等于（1-.1/d)(m) 。 如果管道内径为0.1
11、8m（200PE管），则（1-0.1/0.18)=0.44m。即便是考虑 到过渡段的损失，当立管高度超过25米时，立管顶端的水头仍有可能低于-9m。 在这种情况下往往需要舍弃一部分立管的作用，即降低立管的有效高度。常用的 做法是在立管的下部加大管径，形成重力流。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。 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。 尾管的作用形成上升段的喉部负压，获得上升段流量 盖板的封闭作用： 保持喉部负压 盖板结构应有助于防堵塞 由于盖板的存在，出现影响满管流的漩涡已经不 存在
12、。6 虹吸雨水斗工作原理7 雨水斗设计要点虹吸雨水斗往往被认为是虹吸系统中的核心部件，甚至有人会夸大它 的神秘感。这会有意无意中削弱了立管在虹吸过程中的关键作用。 其实虹吸雨水斗的唯一作用在于降低正常排水过程中的斗前水深。在 条件许可的情况下，没有雨水斗也同样可以构建虹吸排水系统，比如利 用集水井。 分析雨水斗进水过程时假定天沟内水流流速为零。如果雨水斗在指定 斗前水深下能够获得设计流量，沿雨水斗边缘必然有相应的流速V1，产 生这个流速的动力只能来自于斗前水深形成的势头。设雨水斗进口直径 为D=0.3m，进口高度h=0.035m，进口平均水深h1=0.1m，雨水斗进口 面积为Ain=3.14*
13、0.3*0.035=0.033m2。 雨水斗进口流速V1=(0.1*2*9.8/(1+0.1)0.5=1.33m/s 进口流量Qin=Ain*V1=0.033*1.33=0.044m3/s=44L/s 作为设计流量40L/s的雨水斗，这样的结构尺寸是可以满足天沟水深 要求的。 雨水斗是否能够实现这个排量还要取决于系统设计，即系统必须保证 雨水斗中心部位能够形成足够低的负压，从而保证水流从边缘到中心的 加速动力。雨水斗自身只是保证在指定天沟水深下有可能获得预期的进 水量。hV1h2V2P0大气压力，Py雨水斗喉部压力，V1进口流速，V2喉部流速 h进口高度，D进口直径，Dy出口直径 h1斗前水深
14、，h2平均水深DPyP0h1DyV1=(h2*2g/(1+)0.5进口局部阻力系数 水面适当的圆角，能明显 减小局部阻力薄片状格栅雨水斗的喉部直径需要根据设计流速决定。一般雨水 斗喉部的设计流速约35m/s。 雨水斗设计的另外一个要点是在最大限度防止空气进 入的前提下，减小雨水斗局部阻力。无论是流道高度选定， 还是流道造型设计，都必须符合流体动力学的要求。过低的 通道高度或者在流道中存在障碍，都会明显加大雨水斗的局 部阻力系数。不同厂家的雨水斗，局部阻力系数会在0.21.2的范 围内变化。雨水斗盖板起到了保持雨水斗喉部负压的作用，而周 边的栅栏则可以防止大的杂物进入雨水斗。盖板顶部的筋则 有助
15、于减轻漂浮杂物对排水效果的影响。so soon 劲驰TM 基本型雨水斗TY-56雨水斗 设计排量：12升/秒, 接管直径 56mmTY-90雨水斗 设计排量：24升/秒, 接管直径 90mmTY-110/125雨水斗,设计排量 40/80升/秒, 接管直径 110/125mm扩展盖板8 关注天沟8.1 虹吸生成过程对天沟的要求QthQ1Q2Qth设计排量 Q1落雨量 Q2实际排量tQ8.2 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 雨量减小时，累积的雨水会迅速排出 天沟容积必须考虑这种排水滞后现
16、象238.3 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 迳流系数 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，防止在突 降暴雨时天沟泛水。8.4 系统溢流对天沟的要求虹吸排水与重力排水的重大不同：重力排水的排量会随天沟水深的增加而增加，而且几 乎没有时间滞后；虹吸排水存在排量饱和问题，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。这一根本性的差别要求设计虹吸系统设计时，同时充 分关注天沟尺寸，需要满足两个方面的要求：在突降暴雨的情况下，有必要的缓冲能力；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。由于这两点要求，虹吸系统同样要求有足够大截面积 的天沟，而不是仅仅满足正常排水所需要的深度。9 系统设计 9.1 基本设计步骤虹吸系统设计包括以下几个方面：管路布局设计 ，水力分析计算和施工设计。其中管路布
