虹吸雨水排水系统的优化设计与应用龙锋刘亚杰（深圳中海建筑有限公司，广东广州，510335）摘要：本文在分析了虹吸雨水排水系统的工作原理及技术优势基础上，以广州PZB1401项目为例，针对原设计对该系统进行了优化设计，并说明了该系统水力计算的方法和步骤。

关键词：屋面雨水排水；虹吸式排水系统；优化设计；应用the Design Optimization and Application of the Siphon Rainwater DrainageSystemLong Feng Liu Yajie（Shenzhen China overseas construction limited, 510335, Guangzhou, Guangdong）Abstract:Based on the analysis of the working principle and technique superiority of siphon rainwater drainage system, this paper expounds the procedure of the sys tem’s design optimization by taking Guangzhou PZB1401 project as an example. Besides, it explains the methods and procedure of hydraulic power calculation of the system.Key words: roof rainwater drainage; siphon drainage system; design optimization; Application随着建筑技术的不断发展，大面积、大跨度屋面（汇水面积超过5000m2）排水技术逐渐成为人们关注和研究的课题。

由于此类建筑的屋面跨度大、面积大，使得屋面荷载的承受能力较小，这就要求降雨时屋面积蓄的雨水能够在较短时间内迅速排出。

为满足这一要求，可采用虹吸式雨水排水系统，该系统具有节能、生态、环保特点，同时，该系统的设计方案灵活，可针对建筑物美观要求进行设计，在最大程度上满足建筑使用功能的要求。

1. 虹吸式雨水排水系统工作原理虹吸式雨水排水系统利用虹吸原理，在降雨的过程中，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，在管道中形成局部负压，从而快速排出屋面雨水[1]。

虹吸式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，其计算草图如图1所示。

由此可列出B-B 断面和X-X断面的伯努利方程：22()()22B XB X X j BX y BXV VH P h P h hg g++=++++（1.1）上式中h j(Bx)、h y(Bx)分别为B-B断面到X-X断面总的局部损失和沿程损失，P B=0，V B=0，P X为管道在X-X断面处的压力水头。

图1 虹吸式雨水排水系统计算草图 Fig.1 Sketches of the siphon rainwaterdrainage system令h=H-h x ，则（1.1）式变为：2()()2XX j BX y BX V P h h h g =--- （1.2） 上式是计算管道中任一断面处压力水头的基本公式，若计算结果P x ＞0，则管道内为正压，若P x ＜0，则管道内为负压。

2. 虹吸式雨水排水系统的技术优势虹吸式雨水排水系统采用虹吸式雨水斗，其与重力流雨水排水系统相比，具有以下技术优势[2]：1）雨水斗的排水能力有了很大的提高； 2）在满足水力计算的要求下，接入的雨水斗数量不受限制，从而减少了立管和埋地管的数量；3）悬吊管不需坡度，安装要求空间小，有利于设计和施工；4）系统按照压力流计算，可以减小管道的管径，同时，管内流速增加，使得系统具有较好的自清作用；5）可充分利用屋面与地面排出管高度差形成的位能，提高管内流速，减小管径。

3. 虹吸式雨水排水系统的设计广州市琶洲 PZB1401项目为酒店发展项目，分为地下2层，地上建筑22层，其中首层至四层主要是展览厅及餐厅，五层为转换层，该项目的屋面总汇水面积约为18830m 2（含侧墙面积），总设计雨水排水量为1075L/s ，建筑面积及排水量较大，且裙楼跨度亦较大，因此该项目的屋面雨水排水系统选用虹吸式雨水排水系统。

3.1 虹吸式雨水排水系统的设计技术要求1）虹吸式雨水排水系统雨水斗至过渡段总水头损失与过渡段流速水头之和不大于雨水斗至过渡段的几何高差；2）雨水斗顶面至悬吊管管中的高差不小于1m ；3）雨水斗顶面至过渡段的高差在立管管径小于等于DN75时大于3m ，在立管管径大于DN90时大于5m ； 4）悬吊管设计流速大于0.75m ，立管设计流速大于2.2m/s ，小于10m/s ；5）虹吸式雨水排水系统过渡段下游的流速大于3m/s ，应采取消能措施并采用混凝土雨水井；6）悬吊管的设置应首先选择以立管为中心，两侧对称布置方式，如不可能，可选择单侧布置的方式；7）各雨水斗至过渡段的水头损失允许误差小于5kPa ；8）系统的最大负压计算值应根据安装地的海拔高度、管道材质、管材和管件的最大、最小工作压力等确定，不低于-90kPa ；9）管道的水力坡降可按下式计算2//2j R L D v gλ=⋅⋅ （3.1）式中 λ——摩阻系数；D j ——管道的计算管径，m 。

10）过渡段下游管道按重力流雨水排水系统进行设计[3]。

3.2 虹吸式雨水排水系统的设计流程该系统的设计流程，见图2。

3.2.1 设计参数的选取1）设计降雨历时、设计降雨强度(q 5)、汇水面积(F w )、设计雨水流量等的计算及暴雨强度系数（K ）等的取值，要符合现行国家标准GB50015-2003《建筑给排水设计规范》的有关规定。

该项目中，设计降雨历时按5min 计算；设计降雨强度为广州市5min 暴雨强度值，取q 5=571L/s ·ha ；屋面汇水面积由屋面水平投影面积及高出屋面侧墙折合面积组成，通过计算该项目屋面汇水面积为18830m2；屋面设计雨水流量按Q=Kq5F w计算，带入数据计算得Q=1075L/s。

图2 虹吸雨水排水系统设计流程Fig. 2 Design process of the siphonrainwater drainage system2）降雨重现期的确定，应根据建筑物的重要程度、汇水区域等因素确定，一般性建筑取5a，重要建筑取10a。

虹吸式雨水排水系统与所设置的溢流口或溢流装置的总排水能力，应达50a（特别重要或危险性特大的可取100a）设计重现期的雨水流量[4]。

该项目中，降雨重现期取为10a。

3.2.2 雨水斗的设计虹吸雨水斗是该系统的关键部件，独特设计的虹吸雨水斗带有反涡流装置，在设计条件下，进水漩涡被破坏，进入系统的雨水呈现水满流状态。

雨水斗一般选用不锈钢材质，空气挡罩采用铝合金材质，并且带有格栅，格栅间隙形状可以是孔状或细槽状，间隙口直径应不小于6mm，且不大于15mm，可有效的阻隔雨水中携带的杂质，且该构件易于拆卸、清洗。

虹吸雨水斗的设置要求[5]：1）屋面的每1个最低点至少配置1个雨水斗；建筑屋面各汇水区域范围内，不论其面积大小，雨水斗的设置均不少于2个；2）设置在同一个虹吸雨水系统的雨水斗，其进水口宜在同一水平面上；3）靠近雨水立管的顶端，不得直接设置雨水斗；4）弧形或抛物线屋面，当其天沟不在同一水平面上时，宜在等高线或汇水分区的最低处集中设置多个雨水斗，再按不同水平面上的雨水斗分别设置独立的虹吸雨水系统；5）在水平面设置雨水斗时，雨水斗的单斗流量不宜过大，屋面找坡应坡向雨水斗，以满足斗前水位的要求。

该项目中，雨水斗选用带环氧涂层的硅铝合金空气挡板、不锈钢集水盘，长期使用斗体不会产生锈腐蚀。

虹吸式雨水排水系统共分10个系统，采用虹吸雨水斗61个。

3.2.3 屋面天沟的设计1）雨水斗设置在天沟或檐沟内时，天沟的宽度和深度应满足雨水斗的安装要求。

一般天沟的宽度不宜小于500mm、深度不宜小于300mm，具体项目的天沟尺寸应以计算校核确定。

2）天沟或檐沟的沟底应在同一水平面，沟底无需有坡度，沟内不应有任何分隔。

3）天沟尺寸校核。

屋面汇水流量Q y=Kq5F w（式中：K——降雨强度系数；F w ——屋面汇水面积，m2；q5——降雨强度，L/s×100m2）。

天沟断面过水流量Q t=A t V t（式中：V t——天沟过水断面流速；A t——天沟断面积）。

当Q t＞Q y，所取天沟尺寸合理[6]。

3.2.4 管道系统的设计屋面雨水斗的位置确定后，需按图纸确定水平悬吊管的走向、立管位置、地下室悬吊管走向及排出管方向[7]。

1）确定水平悬吊管走向。

水平悬吊管离天沟底面的标高差，一般取决于屋面结构梁高度，水平管贴屋面结构梁底走。

系统设计的管径大小，需考虑建筑功能的要求。

2）确定立管的位置。

立管一般选择放置在管道井内，当无专门的水井时，一般尽量靠近结构柱设置，不能设置在安装电设备的空间、电梯间或对安静有较高要求的房间内，所以立管位置应尽量与建筑设计单位进行沟通协调。

从系统设计的角度考虑，立管应尽可能布置在各雨水斗对称的位置，以便满足水力平衡的要求。

3）确定地下室悬吊管走向。

悬吊管应紧贴结构梁底走，其标高在结构梁底标高下200mm左右。

4）确定排出管的走向。

排出管的走向需要考虑外排水管井的位置，尽量选择对排水有利的方向敷设。

管道走向的确定，还需结合其他相关专业管线的布置图，必要时与建筑设计单位沟通，确定初步方案，经设计单位确定后，再出施工图。

3.2.5 系统管材的选择虹吸式屋面排水系统的管道在设计降雨强度下呈负压，管材的选用应考虑承受负压的能力。

管材一般选用HDPE，热熔连接。

HDPE管材使用寿命长，通过添加炭黑，能有效抵抗太阳紫外线引起的管材，管件老化、脆化。

管材与管件之间采用热熔焊接。

本项目中，管道选用HDPE管，热熔或电熔连接，管材外部必须有预制的熔接对准线（牙齿或条纹标记），以便于热熔施工；管材与管件宜采用同一厂家的相同压力规格的产品，其压力等级原则按不小于PN4选取，耐负压能力按0.8公斤选取，管道的轴向回缩率不大于 1.0%。

管材与管件之间的连接应采用热熔对焊连接或电熔连接，金属雨水斗和HDPE尾管的连接应采用螺纹丝扣连接，HDPE管与不锈钢管的连接应采用法兰连接。

4. 虹吸式雨水排水系统设计的优化措施广州PZB1401项目在现场施工过程中，该系统在立管最顶端的管道内为负压，排水高差也较大，致使立管底部的压力值很大，因此，对管道的连接质量有较高的要求，需要对管道进行加固设计。