1、虹吸雨水排放系統原理及應用虹吸雨水排放系統原理及應用1 1 傳統重力排放系統存在的問題傳統重力排放系統存在的問題 屋面雨水排放系統包括以下幾個環節：屋面雨水排放系統包括以下幾個環節： 天溝；雨水斗；尾管；水平管；立管；埋地管。天溝；雨水斗；尾管；水平管；立管；埋地管。 天溝：希望天溝在正常排水過程中保持適當的天溝水深。天溝：希望天溝在正常排水過程中保持適當的天溝水深。 由于重力排水系統的雨水斗是按溢流堰方式進水，天溝水深和雨由于重力排水系統的雨水斗是按溢流堰方式進水，天溝水深和雨水斗進水口直徑決定了雨水斗的排水量；水斗進水口直徑決定了雨水斗的排水量； 過大的天溝水深會加大天溝負荷，或者在建筑結

2、構上不允許；過大的天溝水深會加大天溝負荷，或者在建筑結構上不允許；重力雨水斗進水示意圖重力雨水斗進水示意圖HDVV=（2gH）1/2 Q=0.45DHV旋渦旋渦,氣水混流氣水混流,較大的天溝水深較大的天溝水深重力雨水斗重力雨水斗 進水是氣水混流，流速完全取決于天進水是氣水混流，流速完全取決于天溝水深溝水深H，排水量則又和雨水斗進口直，排水量則又和雨水斗進口直徑徑d成正比。成正比。 天溝水深是重力排水系統的瓶頸之一。天溝水深是重力排水系統的瓶頸之一。 臨界水深臨界水深:形成一相流的水深。一般的形成一相流的水深。一般的天溝不能滿足臨界深度要求天溝不能滿足臨界深度要求。尾尾 管管 尾管是直接和雨水斗

3、喉部連接的管道。尾管是直接和雨水斗喉部連接的管道。 尾管直徑一般和雨水斗喉管直徑相等。在尾管直徑一般和雨水斗喉管直徑相等。在重力排水系統中，尾管只起到雨水斗和水平重力排水系統中，尾管只起到雨水斗和水平管之間的連接作用（如果有水平管）。管之間的連接作用（如果有水平管）。 但在虹吸雨水排放系統中，尾管卻起著極但在虹吸雨水排放系統中，尾管卻起著極其重要的作用。其重要的作用。懸吊管（水平管）懸吊管（水平管） 水平管用來把雨水斗的落水轉移到遠水平管用來把雨水斗的落水轉移到遠離雨水斗的立管處，并同時匯集多個雨離雨水斗的立管處，并同時匯集多個雨水斗的落水。水斗的落水。 動力：水面落差或者管道坡度。動力：水面

4、落差或者管道坡度。 坡度會嚴重妨礙其他管道的安裝，而坡度會嚴重妨礙其他管道的安裝，而且也影響美觀。且也影響美觀。 當水平管很長時，管內水流動力不足，當水平管很長時，管內水流動力不足，成為重力排水另一個難點成為重力排水另一個難點。 立立 管管 立管用來將一個或多個雨水斗的匯水從立管用來將一個或多個雨水斗的匯水從高處排下。高處排下。由于重力排水系統本身是按水氣兩相流設由于重力排水系統本身是按水氣兩相流設計，所以流速受限于附壁流，單位面積計，所以流速受限于附壁流，單位面積平均流量較小，同樣的流量，重力排水平均流量較小，同樣的流量，重力排水系統需要較大的立管直徑。系統需要較大的立管直徑。過過 渡渡 段

5、（埋地管段（埋地管） 立管水流經埋地管排入窨井或區域排水管網。立管水流經埋地管排入窨井或區域排水管網。 動力；動力； 坡度；坡度； 管徑。管徑。 大流量時如果埋地管內的水流條件和水平管相大流量時如果埋地管內的水流條件和水平管相似，也同樣需要一定的坡度和很大的管道直徑。似，也同樣需要一定的坡度和很大的管道直徑。 實例實例：排量是：排量是400升升/秒，地溝長度是秒，地溝長度是50米，地溝米，地溝寬度寬度B取取0.4米，按照曼寧公式，米，按照曼寧公式，Q=Av=A*C（RJ）0.5式中，式中，A-過流面積，過流面積，m2 C-謝才系數謝才系數，C=R1/6/n R-水力半徑，水力半徑，m n-對混

6、凝土表面，對混凝土表面，n=0.017 J坡度坡度 如取水深和溝寬如取水深和溝寬B相等，則相等，則 R=B/3=0.133mC=0.1331/6/0.017=15 A=0.4*0.4=0.16m2 J=(Q/A/C) 2/R=(0.4/0.16/42) 2/0.133=0.0266 地溝兩端落差需要地溝兩端落差需要50*0.0266=1.33m 這在實現上是非常困難的，尤其是在廠房內部。這在實現上是非常困難的，尤其是在廠房內部。例：采用虹吸排水的埋地管例：采用虹吸排水的埋地管 埋地管通徑埋地管通徑400mm，內徑，內徑380mm，截面，截面積積A=0.113m2，管內流速，管內流速3.54m/

7、s，取沿，取沿程阻力系數為程阻力系數為0.015，則沿程壓力損失為，則沿程壓力損失為 h=0.015*50/0.38*3.542/(2*9.8)=1.26m 這樣的壓力水頭在虹吸系統中很容易實這樣的壓力水頭在虹吸系統中很容易實現，即布置一條直徑現，即布置一條直徑400mm的水平埋地的水平埋地管就能夠實現管就能夠實現400升升/秒流量的排放。秒流量的排放。 小小 結結重力排水系統中，重力排水系統中， 大排量時天溝水深難以控制；大排量時天溝水深難以控制； 管內流速（尤其是水平管和埋地管或地管內流速（尤其是水平管和埋地管或地溝內）無法加快。溝內）無法加快。 這是制約重力排水系統排水能力的根本這是制約

8、重力排水系統排水能力的根本矛盾。究其根本原因，是在雨水斗進口矛盾。究其根本原因，是在雨水斗進口處和水平管道內缺乏必要的動力處和水平管道內缺乏必要的動力。2 虹吸屋面排水系統的基本原理虹吸屋面排水系統的基本原理2.1 虹吸現象虹吸現象ACOH1H2右方水頭高度右方水頭高度H2在在C點產生負壓點產生負壓Pc=hj+Pvo-H2左方靠左方靠Pa-Pc-H1-hj1-Pvc將水流壓向將水流壓向C點，點，Pa=0，Pc為負值為負值關鍵詞：水頭差關鍵詞：水頭差H2-H1；大氣壓力；最大虹吸高度；滿管流；大氣壓力；最大虹吸高度；滿管流；2.2 虹吸屋面排水虹吸屋面排水總水頭總水頭=尾管高度尾管高度H1+立管

9、高度立管高度H2AC的水力平衡：的水力平衡：PA+H1=hac+Pvc+Pc按表壓計算，按表壓計算， PA =0，AC間應滿足阻力間應滿足阻力hachj2，所以Pc-9m 立管高度：決定了立管提供的最大勢頭 立管直徑：影響立管阻力 埋地管長度和直徑：影響阻力 臨界壓力（飽和蒸汽壓）：限制C點的最低壓力 立管最小流速：限制某一流量下的最大管徑 小結：利用總水頭高度在C點形成負壓，為水平管水流提供動力，形成有壓流動。2.4 虹吸排水的基本優勢虹吸排水的基本優勢 采用虹吸雨水斗，低天溝水深下獲得大排水量采用虹吸雨水斗，低天溝水深下獲得大排水量 水平管為壓力流，從而：水平管為壓力流，從而： 完全水平布

10、置；完全水平布置； 允許長距離鋪設允許長距離鋪設 布斗靈活布斗靈活 少挖地溝少挖地溝 流速高，管徑小流速高，管徑小2.5 .5 主要影響因素主要影響因素 大氣壓力降低對虹吸系統的影響：大氣壓力降低對虹吸系統的影響： 降低了系統的最大排水能力降低了系統的最大排水能力 立管流速和立管阻力、臨界壓力的矛盾立管流速和立管阻力、臨界壓力的矛盾 為臨界壓力而減小管徑以加大流阻和流速上限有矛盾，為臨界壓力而減小管徑以加大流阻和流速上限有矛盾，限制了最小管徑。對長立管，可管徑分段限制了最小管徑。對長立管，可管徑分段 上小下大：限制上小下大：限制C點壓力（長立管）。點壓力（長立管）。 為減小立管阻力（短立管）為

11、加大立管直徑，受流速為減小立管阻力（短立管）為加大立管直徑，受流速下限限制：過低影響虹吸生成。下限限制：過低影響虹吸生成。3 雨水斗設計雨水斗設計3.1 設計要點設計要點 空氣擋板直徑和間隙與設計流量的協調空氣擋板直徑和間隙與設計流量的協調 雨水斗喉部直徑與雨水斗起始流量的協雨水斗喉部直徑與雨水斗起始流量的協調調 流道阻力盡量小流道阻力盡量小 防止雜物和漂浮物堵塞雨水斗防止雜物和漂浮物堵塞雨水斗3.2 虹吸雨水斗工作原理虹吸雨水斗工作原理天溝水深的控制；天溝水深的控制；空氣擋板下水流從邊緣向中心的加速；空氣擋板下水流從邊緣向中心的加速；尾管的作用：形成喉部負壓；尾管的作用：形成喉部負壓；空氣擋

12、板的作用：保持喉部負壓?？諝鈸醢宓淖饔茫罕３趾聿控搲骸Y-56TY-56雨水斗雨水斗 設計排量：設計排量：1212升升/ /秒秒.TY-90TY-90雨水斗雨水斗 設計排量：設計排量：2424升升/ /秒秒TY-110雨水斗雨水斗 設計排量設計排量 50升升/秒秒4 虹吸的形成過程虹吸的形成過程 雨水斗的淹沒雨水斗的淹沒 雨水斗喉部的充滿雨水斗喉部的充滿 尾管的充滿和流速的加快，形成虹吸起尾管的充滿和流速的加快，形成虹吸起始流量始流量 水平管的充滿或不充滿，不起重要作用水平管的充滿或不充滿，不起重要作用 立管頂端開始充滿，起始流量和立管頂立管頂端開始充滿，起始流量和立管頂部直徑的協調部直徑的

13、協調 立管充滿高度向下延伸，直至全部充滿立管充滿高度向下延伸，直至全部充滿 過渡管的充滿過渡管的充滿5 5 虹吸狀態下管道內的壓力分布虹吸狀態下管道內的壓力分布負 正正負系統內的壓力分布系統內的壓力分布 雨水斗喉部的負壓使水流能夠在雨水斗蓋板下加速雨水斗喉部的負壓使水流能夠在雨水斗蓋板下加速 水平管兩端的壓力差使水流在水平管內能快速流動水平管兩端的壓力差使水流在水平管內能快速流動 立管內的動力來自立管水頭高度立管內的動力來自立管水頭高度 扣除管道阻力和過渡段阻力，立管剩余水頭形成頂部扣除管道阻力和過渡段阻力，立管剩余水頭形成頂部負壓負壓 過渡段水流靠部分立管水頭推動。過渡段水流靠部分立管水頭推

14、動。結論：結論： 充分利用了屋面雨水的總水頭高度，形成管道內的壓充分利用了屋面雨水的總水頭高度，形成管道內的壓力流。力流。 管道內基本呈負壓狀態，對管道剛性、密封有要求管道內基本呈負壓狀態，對管道剛性、密封有要求6 關注虹吸過渡過程關注虹吸過渡過程6.1 虹吸生成需要一個時間過程虹吸生成需要一個時間過程 QthQ1Q2Qth設計排量 Q1落雨量 Q2實際排量6.2 6.2 虹吸生成過程帶來的影響虹吸生成過程帶來的影響 排出流量的變化落后于落雨量 落雨量上升段，天溝內會有相當的雨水累積，累積深度和雨量變化速度正相關 短時超過設計排水量的落雨量也積累在天溝內 雨量減小時，累積的雨水會迅速排出 天溝

15、容積必須考慮這種排水滯后現象6.36.3 影響滯后量的主要因素影響滯后量的主要因素 雨水斗的排量雨水斗的排量 水平管的直徑和長度水平管的直徑和長度 立管的直徑和高度立管的直徑和高度7 雨水斗及各個管段規格確定的原則雨水斗及各個管段規格確定的原則 雨水斗雨水斗：可大不可小，但不能過大：可大不可小，但不能過大 尾尾 管：管：應與雨水斗喉管一致，必要時可縮小，應與雨水斗喉管一致，必要時可縮小， 不得過短不得過短 水平管水平管：盡可能短，管徑可適當大于立管：盡可能短，管徑可適當大于立管 立管立管：限制流速，限制頂點負壓：限制流速，限制頂點負壓 埋地管埋地管：限制出口流速：限制出口流速8 結論結論 虹吸排水可以保證小的天溝水深；虹吸排水可以保證小的天溝水深； 虹吸排水可以采用很少的立管；虹吸排水可以采用很少的立管； 虹吸排水便于把雨水斗的匯水傳送到遠虹吸排水便于把雨水斗的匯水傳送到遠離雨水斗的落水點，并可水平布管；離雨水斗的落水點，并可水平布管； 虹吸排水管道內的設計流速遠高于重力虹吸排水管道內的設計流速遠高于重力排水流速