建筑排水系統(tǒng)水舌問題及解決方案

王超杰 梅賢智 張幸濤

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

建筑排水系統(tǒng)水舌問題及解決方案

王超杰 梅賢智 張幸濤

(鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

水舌是影響建筑排水立管壓力波動的主要因素之一，在排水系統(tǒng)設(shè)有通氣管時，由于其阻力系數(shù)很大，使整個立管的總阻力系數(shù)增大，從而導(dǎo)致排水立管負(fù)壓過大，會降低排水立管的通水能力和破壞水封，使管道內(nèi)的有毒氣體、污氣進(jìn)入室內(nèi)，從而影響室內(nèi)空氣質(zhì)量。因此，通過消除水舌的形成或減小水舌的局部阻力系數(shù)和降低終限流速的解決方案可以提高排水立管的通水能力和安全性。

水舌;通水能力;壓力波動;終限流速

隨著各種先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)以及規(guī)范的完善，建筑給排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)趨于成熟，但是現(xiàn)代建筑排水設(shè)計(jì)中困擾人們的一個重大問題是管道內(nèi)壓力波動不穩(wěn)定，特別是在高層建筑中，折引起了人們的廣泛關(guān)注［1］。建筑排水設(shè)計(jì)的目的是使水封不被破壞，并且最大化的增大立管的通水能力。因此，解決立管內(nèi)壓力波動的問題，以保證排水系統(tǒng)的運(yùn)行合理與可靠，具有重大意義，。本文主要從水舌的問題出發(fā)，來尋找影響立管壓力波動的主要因素以及水舌的成因和解決方案。

一、水舌的概念

水舌是水流在沖激流狀態(tài)下，由橫支管進(jìn)入立管下落，在橫支管與立管連接部短時間內(nèi)形成的水力現(xiàn)象。如圖1所示。

它沿進(jìn)水流動方向充塞立管斷面，同時，水舌兩側(cè)有兩個氣孔作為空氣流動通路。這兩個氣孔的斷面遠(yuǎn)比水舌上方立管內(nèi)的氣流斷面積小，在水流的拖拽下，向下流動的空氣通過水舌時，造成空氣能量的局部損失。

二、水舌對管內(nèi)氣壓影響

1、假設(shè)立管內(nèi)為水膜流狀態(tài)，橫支管出流，立管上部通大氣，當(dāng)橫支管出流時，其下部某一位置形成最大負(fù)壓，現(xiàn)以空氣為研究對象，見圖2，列該斷面和通氣管口出斷面的能量方程有

式中V0——0-0斷面處空氣流速，m/s;

V1——1-1斷面處空氣流速，m/s;

P0——0-0斷面處空氣相對壓力，Pa;

P1——1-1斷面處的空氣相對壓力，Pa;

Va——空氣在通氣管內(nèi)流速，Pa;

ρ——空氣密度，kg/m3;

g——重力加速度，9.81m/s2;

ξ——管頂空氣入口處的局部阻力系數(shù)，一般取0.5;

L——從管頂?shù)脚潘畽M支管處的長度，m;

Dj——管道內(nèi)徑，m;

λ——管壁總摩擦系數(shù)，包括沿程損失和局部損失，一般取0.03～0.05;

2、影響因素

由式2分析可知:

2.1 排水立管內(nèi)壁的沿程阻力系數(shù)λ對P1的影響成正比關(guān)系。

2.2 管頂空氣入口處的局部阻力系數(shù)ξ和水舌阻力系數(shù)K對P1的影響成正比關(guān)系。

2.3 排水量Q、終限流速vt對P1的影響成正比關(guān)系。

2.4 排水管壁當(dāng)量粗糙高度Kp對P1的影響成反比關(guān)系。

在無通氣管的情況下，ξ→∞，因此P1值降低，負(fù)壓很大，使水封極易被破壞;在有通氣管的情況下，ξ和λ很小，此時，水舌局部阻力系數(shù)K的影響最為顯著，而K值大小與橫支管與立管連接處的幾何形狀、水流大小等因素有關(guān)。

三、減少水舌局部阻力系數(shù)的方案

本文主要從改變水舌形狀和使向負(fù)壓區(qū)補(bǔ)充的空氣不經(jīng)過水舌這兩種方法來減少水舌局部阻力系數(shù)。

1、設(shè)置通氣立管來增加空氣的流通，常見的通氣方式如下圖3。

設(shè)通氣管后有如下作用:

式中:P1——立管內(nèi)最大負(fù)壓值，Pa;

ρ——空氣密度，kg/m3;

Kp——管壁粗糙高度，m;

Q——排水流量，m3/s;

dj——管道內(nèi)徑，m;

β——空氣阻力系數(shù)，β=

1.1設(shè)置專用通氣管，使立管負(fù)壓區(qū)的補(bǔ)氣不經(jīng)過水舌，通過結(jié)合通氣管來補(bǔ)氣，這時，水舌阻力系數(shù)K→0。

1.2 為了避免立管下部形成正壓，可以在立管下部設(shè)通氣管來及時排放正壓氣體。

1.3 當(dāng)排水橫支管上不設(shè)置環(huán)形通氣管和器具通氣管時，通過在橫支管上設(shè)置單向吸氣閥補(bǔ)氣，這種方法可解決立管負(fù)壓過大和橫支管內(nèi)負(fù)壓的現(xiàn)象，但是由于吸氣閥單向，因此對正壓過大的情況不起作用。

2、通過避免水舌形成來減小水舌阻力系數(shù)，可以采用上部特制配件，如混合器，通過在排水立管與橫支管連接處的立管內(nèi)設(shè)置擋板，來阻擋橫支管排出的沖激流。

3、在橫支管上設(shè)置單路進(jìn)氣閥，單路進(jìn)氣閥是只進(jìn)氣不出氣的通氣閥。當(dāng)某一支管排水時，其他支管上的進(jìn)氣閥打開補(bǔ)氣，使向負(fù)壓區(qū)補(bǔ)充的空氣不經(jīng)過水舌，這時，水舌阻力系數(shù)K→0。

4、通過錯開排水立管與橫支管的軸線，使水流沿切線方向流入立管。此時，氣流斷面會由于管中心形成暢通的空氣柱而增加，減小了水舌阻力系數(shù)。

5、將排水立管內(nèi)壁制作成有螺旋線導(dǎo)流突起，立管內(nèi)的水流在螺旋線導(dǎo)流下，旋轉(zhuǎn)下落，立管中心形成一個暢通的空氣柱，避免形成水舌。［4］

6、可以采用兩側(cè)氣孔面積大的斜三通或異徑三通來使水舌面積減小，從而減小水舌阻力系數(shù)。

四、其他方案 (減小終限流速)

除了減小水舌阻力系數(shù)來增加立管的通氣能力的方法外還可以采用減小終限流速的方法，主要有一下措施:

4.1 增加管材內(nèi)壁的粗糙高度，提高水膜與管壁的界面張力，減小水膜的下降加速度，在一定高度內(nèi)可以減小水流的下降速度。［3］

4.2 設(shè)置乙字管來改變水流方向并且消耗立管水流的動能從而減小終限流速 (一般每5～6層設(shè)置一個)。

五、結(jié)論

通過分析排水立管壓力影響的因素可知，影響立管壓力波動的主要因素是水舌局部阻力系數(shù)K、終限流速vt和管壁粗糙度，其中水舌局部阻力系數(shù)K和終限流速對排水立管內(nèi)的壓力波動影響最大。

對于水舌問題，采用專用通氣管或者單向排氣閥來使立管負(fù)壓區(qū)的補(bǔ)氣不經(jīng)過水舌，此時，水舌阻力系數(shù)趨向于0;管道內(nèi)壁設(shè)置螺旋線導(dǎo)流突起、錯開立管和橫支管以及設(shè)擋板來使水流沿切線方向進(jìn)入立管，可避免形成水舌;采用特制部件，如斜三通和異徑三通來減小水舌面積。

對于終限流速，可以通過增大管內(nèi)壁粗糙度和設(shè)置乙字管來消耗水流的動能，從而降低流速。

［1］廖足良，張勤，程民權(quán).建筑排水系統(tǒng)氣壓波動原因剖析［D］.給水排水，1996.

［2］王增長.建筑給水排水工程 ［M］.6版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010.

［3］樊建軍，梅勝，何芳，等.建筑給水排水及消防工程［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［4］吳俊奇，付婉霞，曹秀芹，等.給水排水工程 ［M］.北京:中國水利水電出版社，2004.

王超杰 (1992.11-)，男，河南周口人，鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院2012級本科生，建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)，研究方向:建筑排水系統(tǒng)水舌問題及解決方案。