关于屋面雨水排水设计要点的探究

关于屋面雨水排水设计要点的探究

乔德广,杨富斌

基准方中建筑设计股份有限公司西安分公司

摘要：屋面雨水排水系统是建筑给排水设计中十分重要的组成部分.屋面雨水能否迅速、稳定地排至室外直接影响着建筑物的使用和安全性.屋面雨水系统因专业交叉多、知识点较为零散,故设计中经常会出现考虑不全面、设计不合理的情况.因此,本文在屋面雨水系统的分类及选择、屋面雨水的流态分析、屋面雨水系统的计算等多方面进行屋面雨水设计的要点的梳理和探究,为以后相关的设计及研究工作提供依据.

关键词：屋面雨水排水;雨水系统的分类及选择;流态分析;雨量计算

上世纪90年代以来,我国现代建筑发生了翻天覆地的变化.各种跨度大、构造难、海拔高的建筑在各大城市不断涌现,建筑给排水也面临着前所未有的挑战.在建筑给排水中,屋面雨水排水是十分重要的组成部分,然而现代建筑追求外观造型千姿百态、丰富多彩,故对建筑屋面雨水排水系统的设计提出了更高的要求[1].

经过多年的努力,目前我国在大型复杂屋面雨水排水领域的理论基础和设计水平已日臻完备,但因屋面雨水系统专业交叉多、知识点较为零散,故设计中经常会出现考虑不全面、设计不合理的情况,最终导致严重的安全事故.2014年3月深圳机场航站楼发生“水漫金山”事故[2];2014年8月,石家庄火车站发生 “水帘洞”事故[3];2016年6月天津某实训中心发生严重漏雨事件[4].本文参考相关专业规范及文献,梳理屋面雨水排水的设计要点,并做相应的探究,为以后设计及研究工作提供必要的依据.

1 屋面雨水系统的分类及选用原则

1.1屋面雨水系统的分类

屋面雨水系统有多个分类方式,主要有: 1）按雨水管道的设置位置,屋面雨水系统可分为内排水系统、外排水系统和混合式排水系统; 2）按雨水管道中的流态,屋面雨水系统可分为重力流雨水系统、半有压雨水系统和压力流雨水系统; 3）按屋面排水条件可分为檐沟排水系统、天沟排水系统和无沟排水系统; 4）按出户横管（渠）在室内部分是否存在自由水面可分为敞开系统和密闭系统; 5）按单根雨水立管连接的雨水斗数量可分为单斗雨水系统和多斗雨水系统[5].

1.2 屋面雨水系统的选用原则

屋面雨水系统应根据不同建筑的特点、要求进行选择.住宅、学校及医院等屋面较小且结构简单的建筑一般采用重力排水系统;古建筑、民族建筑、星级酒店及商业办公楼等对外观造型要求高的建筑一般采用重力流内排水系统或压力流内排水系统;大型工厂、车间等屋面较大但级别相对较低的的建筑一般采用压力流内排水系统或压力流敞开式排水系统;车站、航站楼等屋面特大且级别要求很高的建筑,一般采用压力流排水.

2屋面雨水系统的组成

屋面雨水系统的组成主要有天沟（檐沟）、雨水斗、连接管、悬吊管、雨水立管、排出管以及雨水检查井等,如图1所示.

图1 屋面雨水系统的组成

如图1,图中1表示天沟,天沟主要是将屋面雨水汇集起来,进而有组织的排出,图中2表示雨水斗,雨水经雨水斗以重力或压力流态排入雨水管中,常见的有87斗、65斗等;图中3表示连接管,连接管将雨水斗和悬吊管连起来,也称尾管.虹吸雨水系统中,连接管是能否发生虹吸作用的关键;图中4表示悬吊管,悬吊管承接连接管中的雨水,一般会有0.003~0.005左右的坡度;图中5表示雨水立管,压力流时雨水立管和悬吊管的连接处是最大负压点,虹吸由此产生;图中6表示雨水排出管,排出管将雨水排至室外雨水检查井,因立管中水流速度较快,排出管宜相应放大以消减流速水头,保证水流稳定排入检查井;图中7表示室外雨水检查井,其作用是收纳建筑及室外雨水,统一汇集后排至雨水管网系统.

3 屋面雨水系统的流态分析

3.1 重力流雨水系统

重力流系统是最为常见的屋面雨水系统.其原理是雨水通过自由堰流进入雨水斗,空气掺入雨水中形成气水两相流,最后在重力作用下沿立管排出.如图2是重力流时管道中流态示意.

图2 重力流时管道中流态示意图

由图2可知,重力流时管道中为非满管流,管中压力变化和污水立管相似[6].

3.2压力流雨水系统

压力流雨水系统出现较重力流系统运用晚,却是近些年运用很广泛的系统.该系统中雨水以淹没流进入压力雨水斗,该雨水斗具有带孔隙的整流罩装置,雨水通过该装置可实现气水分流,使得水雨水斗上方在一段时间内有一个稳定的水面,管道中只有液相而无气相,呈满管流.如图3为压力流时管道中的流态及压力变化.

图3 压力流时管道中流态及压力变化示意图

由图3可知,雨水从悬吊管与立管连接处形成最大负压,此时立管会对悬吊管形成很强烈的抽吸作用（虹吸作用）,从而加速了雨水的排出.该现象可通过能量方程解释.

如图4为压力流雨水系统示意图.

图4 压力流雨水系统示意图

以0-0面为基准列出雨水斗斗前水面1-1面任意断面x-x的能量方程[7]

                （1）

式中  H1、Hx  — 断面1-1和x-x的位置水头；

、 — 断面1-1和x-x的压力水头；

     、 — 断面1-1和x-x的速度水头；

      — 断面1-1和x-x的水头损失。

其中,P1=0,v1=0, γ=1,hx=H1-Hx,得

Px= hx--（2）

Px为管道任意断面处的压力水头.公式（2）的物理意义是管道中任一点的压力水头等于该点与雨水斗的高度差减去该点的速度水头和该点至雨水斗管段的总水头损失,由此可以计算出管道中任意断面处的压力水头.

在连接管上,雨水经过雨水斗时会有较大的损失（）,在加上连接管道较细（同雨水斗）,所以管道内流速较快，速度水头较大（）,两项之和与可利用的水头（hx）之差的绝对值不大,故连接管内呈小的负压或正压.

在悬吊管上,随着x断面从悬吊管的最远端（A点）向立管一侧偏移，管道的水头损失（）增大,可利用的水头（hx）维持不变;因为管中为稳定不可压缩流,故速度水头（）保持不变.因此由（2）可知,悬吊管中压力沿水流方向越来越小。水流至悬吊管末端（A点）时,可利用的水头（hx）与损失（）保持不变，然而速度水头（）迅速增加，此时管中压力迅速减小。

当水流至立管后，以0-0面为基准面，列出悬吊管末端A点所在平面A-A面与任意断面x-x的能量方程[7]

         （3）

同理，令HA-x=HA-Hx,得

        （4）

令hA-x=cHA-x, 其中c为水力损失（沿程加局部损失）系数，可得，

      （5）

式中，HA-x = vx·t,其中t水流时间，可得，

        （6）

公式（6）中，vx、vA、PA均为常数，由此可知，Px∝t，如图5所示.

图5 压力流雨水系统示意图

由公式（6）及图5可知,

当t=0时，vx = vA , Px= PA;

当0＜t＜a时，Px逐渐增大，PA＜Px＜0;

当t=a时，Px=0 ;

当a＜t＜ 时，Px逐渐增大，Px＞0＞PA;

当t=（即立管底部）时，Px取最大值;

由此可知，在悬吊管末端产生最大负压（PA），考虑到管材承压及避免发生气蚀等因素，实际工程中管中的最大负压应不小于实时蒸气压,一般控制在-80KPa以内.立管中的压力经历了“最大负压—零压力—最大正压”的过程，而且立管中速度（vx）越大，零压力（a点）越靠近悬吊管.

4 屋面雨水系统的计算

4.1 雨量的计算

（1）雨水设计流量

屋面雨水设计流量可由以下公式计算[5]

           Q = Ψ·q·F（3）

式中  Q — 雨水设计流量（L/s）;

Ψ — 径流系数;

q — 设计降雨强度（L/s·100m2）;

F — 汇水面积（100m2）.

注：当采用天沟集水,切沟沿溢水会流入室内时,降雨强度应乘以1.5的系数.

该式中,径流系数Ψ和屋面材料有关,具体可查阅径流系数表知道,一般屋面径流系数取值0.9~1.0.

（2）设计降雨强度

降雨强度根据当地降雨强度公式计算,见下式[5]

                                 （4）

式中  q — 设计降雨强度（L/s·100m2）;

P — 设计重现期（a）;

T — 降雨历时（min）;

A、b、c、n — 当地降雨参数.

该式中,设计重现期P可根据建筑类型选择.设计中一般性建筑屋面取值2~5年,重要公共建筑屋面取值10年.降雨历时t跟屋面材料及构造有关,一般取值5min.

（2） 汇水面积计算

1）一般坡度（i ≤ 0.1）的屋面汇水面积按屋面水平投影面积计算,如图6所示.

Ae=Ah

图6 水平屋面有效汇水面积计算

2）球型、抛物面或坡度较大（i > 0.1）的屋面,其汇水面积等于屋面的水平投影面积加上竖向正投影面积的一半,如图7所示.

Ae=Ah+ 1/2 Av                              Ae=Ah1 + Ah2 + (Av2- Av1)/2

Ae=Ah+ 1/2 Av

图7 倾斜及圆形屋面有效汇水面积计算

3）高出屋面的毗邻侧墙[9]:

a、只有一面侧墙时,按侧墙面积的一半折算成汇水面积;

b、同一排水分区内有两面相邻侧墙: 1）若两侧墙等高,按两面侧墙形成的三棱柱外侧柱面的一半折算成汇水面积,如图8所示; 2）若两面墙不等高,低墙以下部分按本条1）计算,低墙以上部分按a条计算;

Ae= 1/2·H高·c

图8 倾斜及圆形屋面有效汇水面积计算

c、同一排水分区内的两面相对侧墙: 1）两侧墙等高,不计面积; 2）两侧墙不等高,按高出低墙上面面积的一半折算成汇水面积;

d、同一排水分区内有三面墙时,最低墙顶以下的中间墙面积的一半,加上最低墙顶以上墙面有效汇水面积（按b或c计算）.

e、同一排水分区内有四面墙时,最低墙顶以下的侧墙不计,最低墙顶以上的侧墙面积按b、c、d条计算[10].

综上可得出屋面雨水的设计流量,由此可确定屋面所需的雨水斗的数量n1,单个雨水斗的最大泄流量q0可查阅《建筑给水排水设计规范》表

4.9.16.

                                           （5）

式中  n1 —所需的雨水斗的数量（个）;

Q — 雨水设计流量（L/s）;

q0— 单个雨水斗的最大泄流量（L/s）.

4.2 溢流设施的计算

（1） 溢流量的计算

设计中,对于超出重现期的雨水需要设计溢流口排出.一般建筑的重力流屋面雨水排水工程与溢流设施的总排水能力不应小于10年重现期的雨量.重要公共建筑、高层建筑的屋面雨水排水工程与溢流设施的总排水能力不应小于其50年的重现期的雨水量.

溢流量Q溢计算方法如下

Q溢 = Q1 – Q                        （6）

式中Q溢—溢流量（L/s）;

Q1 — 重现期P为10或50年的雨水量（L/s）;

Q— 雨水设计流量（L/s）.

（2） 溢流口流量计算

1）金属天沟溢流孔溢流量可按宽顶堰流（）计算.宽顶堰流公式如下[6]

                                （7）

式中Qy —溢流孔流量（L/s）；

m —流量系数,取400；

b —溢流孔宽度（m）；

g —重力加速度（m/s2）,取9.81；

h —溢流水位高度,即溢流孔口高度（m）.

2）墙体方孔溢流量计算方法如下

当溢流水位h＞100mm时

                       （8）

当溢流水位h≤100mm时

             （9）

式中δ— 溢流水流断面与天沟断面之比,即：δ=ω/Ω;

溢流水流断面为ω=h×b（m2）;天沟断面为Ω=H×B（m2）.

3）墙体圆管溢流量计算方法如下

                                 （10）

式中d—溢流管内径（m）；

h —天沟水位至管中心淹没高度（m）.

4）漏斗型管式溢流量计算方法如下

                                 （11）

式中d—漏斗喇叭口直径（m）；

h —喇叭口上边缘溢流水位深度（m）.

注：直管式溢流量可按上式计算，其中D=d（漏斗型溢流管内径;m）.

由公式（6）~（11）即可得所需的溢流口的个数n2

                                         （12）

式中n2—所需的雨水斗的数量（个）.

（3） 溢流口设置高度的计算

一般情况下,溢流口的设置高度需要考虑三个因素:结构荷载、屋面坡度以及管中流态.

对于上人屋面,结构专业设计中允许的荷载一般为2.0kN/m2,折算成雨水量后,即屋面允许的积水厚度不超过200mm;对于不上人屋面,结构荷载一般控制在0.5 kN/m2以下,即屋面允许的积水厚度不超过50mm.因此,在不增加,结构成本的情况下,对于上人屋面，溢流口底部距建筑完成面尽量小于200mm,对于不上人屋面,溢流口底部距建筑完成面尽量小于50mm.

综上,结合屋面的结构荷载、屋面坡度及排水的流态,建议溢流口底距屋面建筑完成面100mm为宜.

4.3 天沟尺寸的计算

一般设计中,天沟的位置以及尺寸建筑专业负责设计,但为了屋面雨水排水安全流畅,给排水专业需要对其复核.

天沟内水流的速度采用曼宁公式计算[5]

                                  （9）

式中V —天沟内水流速度（m/s）；

n — 天沟粗糙程度；

R — 水力半径（m）；

I — 天沟坡度.

天沟过水断面积计算公式如下

                                        （10）

式中— 天沟过水断面积（m2）；

Q — 雨水设计流量（L/s）。

注：天沟实际断面应另加保护高度50~100mm，天沟起端深度不宜小于80mm.

通过公式（9）、（10）即可得天沟的断面面积,由此可校核建筑专业设计天沟尺寸是否满足要求,进一步配合深化.

5小结

（1）设计中应根据建筑的类型、等级合理选择雨水系统,保证屋面雨水安

全、顺利的排出.

（2）设计过程中需要掌握雨水的流态,了解管道中的压力变化,这是材料选型、控制成本的重要依据.

（3） 汇水面积的确定需要根据建筑特点详细计算可得,应避免漏算、多算.

（4）屋面溢流口的设高度应根据结构荷载、屋面坡度及排水的流态综合而得,一般为溢流口底距建筑完成面100mm.

参考文献

[1] 王珂. 建筑屋面雨水排水系统研究[D].重庆大学,2007.

[2]深圳机场新航站楼再漏雨候机厅遭淹停车场漏水[N].中国民用航空网,2014,3.31.

[3]耿傥.保定站房屋面虹吸雨水系统应用探讨[J].价值工程,2018,37(19):151-154.

[4]顾文康.浅析某工程屋面虹吸雨水溢流事故[J].安装,2016(05):62-64.

[5]全国民用建筑设计工程技术措施-给水排水（2009）[M].北京:中国计划出版社,2009.

[6]王增长;高羽飞,《建筑给水排水工程》（第六版）

[M],北京:中国建筑工业出版社,2014.