保定站房屋面虹吸雨水系統(tǒng)應(yīng)用探討

耿儻

摘要：保定站房屋面采用的是較為先進(jìn)的虹吸式雨水排水系統(tǒng)，運(yùn)行以來取得了較好的效果。但對于虹吸系統(tǒng)應(yīng)用中的一些熱點(diǎn)問題，如天溝或管道的漏水、過量雨水的溢流等問題還需要進(jìn)行探討。本文在介紹虹吸雨水系統(tǒng)構(gòu)成和原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合保定站房虹吸雨水系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，對有關(guān)問題進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)對策。

Abstract： The roof of Baoding Station adopts more advanced siphon rainwater drainage system， which has achieved good results since its operation. However， some hot problems in siphon system application， such as leakage of gutter or pipe， overflow of excessive rainwater and so on， need to be discussed. On the basis of introducing the structure and principle of siphon rainwater system， combined with the concrete characteristics of Baoding Station room siphon rainwater system， this paper analyzes the relevant problems and puts forward corresponding countermeasures.

關(guān)鍵詞：虹吸雨水系統(tǒng)；天溝；應(yīng)用探討

Key words： siphon rainwater system；gutter；application discussion

中圖分類號：TU823 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）19-0151-04

0 引言

在鐵路站房現(xiàn)代化建設(shè)過程中，由于屋面型式較為復(fù)雜，匯水面積大，對外觀的要求高，使傳統(tǒng)的重力式雨水系統(tǒng)很難滿足這一要求，于是開始大量應(yīng)用虹吸雨水排水系統(tǒng)。2014年7月，石家莊火車站站房暴雨時因虹吸系統(tǒng)故障成為候車大廳內(nèi)大面積漏水的原因之一，暴露出虹吸雨水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、施工管理及后期維護(hù)等方面存在的很多問題。

1 虹吸雨水系統(tǒng)構(gòu)成和工作機(jī)理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

屋面虹吸雨水系統(tǒng)的組成部分主要有虹吸式雨水斗、連接管、懸吊管、立管、排出管、雨水檢查井等。如圖1所示。

1.1.1 虹吸式雨水斗

虹吸式雨水斗的主要功能是氣水分離、防渦流等，可以有效控制雨水斗前的水位深度。當(dāng)雨水斗前的水位深度趨于穩(wěn)定并且接近設(shè)計(jì)水深時，系統(tǒng)內(nèi)的水流就保持在滿管流狀態(tài)，系統(tǒng)開始發(fā)揮最大的排水效用。

雨水從雨水斗尾部進(jìn)入連接管時，一般會在此處產(chǎn)生立軸漩渦。從力學(xué)角度分析，這是地球自轉(zhuǎn)、地心引力和大氣壓所產(chǎn)生的切力的共同作用所產(chǎn)生的。從水力學(xué)角度分析，當(dāng)流體的旋轉(zhuǎn)角速度不為零時，流體質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動過程中圍繞自身旋轉(zhuǎn)，于是產(chǎn)生漩渦。為了防止漩渦的產(chǎn)生，一般在雨水斗內(nèi)安裝防渦板。

1.1.2 連接管

連接管是整個虹吸系統(tǒng)能否形成虹吸作用的關(guān)鍵。如果連接管設(shè)計(jì)不合理，雨水在連接管內(nèi)形不成虹吸作用，整個系統(tǒng)將無法在虹吸狀態(tài)下運(yùn)行?？梢哉{(diào)節(jié)連接管的長度和管徑來滿足系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)壓力平衡。

1.1.3 懸吊管

由于虹吸系統(tǒng)的特點(diǎn)，懸吊管可以零坡度設(shè)置，最大程度地減少對建筑空間的影響，但不允許反坡，以避免管道內(nèi)的積水增加對建筑結(jié)構(gòu)的荷載。系統(tǒng)懸吊管的長度越長，雨水充滿懸吊管需要的時間也就越久，間接地提高了天溝的蓄水能力。

1.1.4 立管

立管在系統(tǒng)中的作用是把雨水從高處輸送到排出管。由于真空作用，雨水立管的管徑比懸吊管的管徑要小，立管中的雨水流速直接影響這個系統(tǒng)的工作效率。

1.1.5 排出管

由于雨水立管中的水流速度較快，在雨水進(jìn)入檢查井前，需要設(shè)置排出管釋放多余的水頭，減少高壓水流對井壁的沖擊和破壞。排出管的管徑比埋地干管要放大兩號處理，使管道內(nèi)的水流由滿管流變?yōu)樽杂梢簯B(tài)流。

1.2 工作機(jī)理

虹吸現(xiàn)象是一種普遍的流體力學(xué)現(xiàn)象，依靠管道內(nèi)的真空作用使液體快速移動。管道內(nèi)充滿液體時，由于管道兩端的液面存在高差，在勢能和大氣壓的作用下，液位較高的液體在管道內(nèi)跌水形成真空，產(chǎn)生抽吸作用，使液體通流向低位管口，這就是虹吸的原理。

形成虹吸作用一般需要具備三個條件：①進(jìn)口水面高于出水口水面；②管道中充滿液體；③管道中有明顯負(fù)壓。

屋面虹吸雨水系統(tǒng)即是依據(jù)這個原理，屋面高度較地面具有足夠的高差，滿足了第一個條件；虹吸式雨水斗能夠有效阻止空氣進(jìn)入管道，在斗前水深達(dá)到設(shè)計(jì)要求時，管道內(nèi)是滿流狀態(tài)，滿足了第二個條件；雨水在進(jìn)入立管時，由于重力作用出現(xiàn)跌水，形成局部真空，產(chǎn)生負(fù)壓作用，滿足了第三個條件。雨水系統(tǒng)在虹吸作用下迅速地把屋面上的雨水排走，減少了雨水帶給屋面的附加荷載。

1.3 虹吸雨水系統(tǒng)運(yùn)行分析

降雨過程中，降雨量并不是持續(xù)不變的，下面對不同降雨量時的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行簡單分析。

①實(shí)際降雨量接近設(shè)計(jì)雨量時。當(dāng)實(shí)際降雨量接近設(shè)計(jì)雨量時，管道內(nèi)的雨水是滿管流狀態(tài)。天溝內(nèi)的水位超過斗前水深后，懸吊管上游率先形成滿管流，并迅速向下游推進(jìn)，此時管道內(nèi)的降雨開始時進(jìn)入的氣團(tuán)也迅速被推向立管方向，當(dāng)管道內(nèi)的氣團(tuán)全部被排出以后，整個系統(tǒng)就在完全的滿管流狀態(tài)下運(yùn)行。

②實(shí)際降雨量超過設(shè)計(jì)雨量時。當(dāng)實(shí)際降雨量超過設(shè)計(jì)雨量時，虹吸系統(tǒng)仍舊以滿管流的狀態(tài)運(yùn)行。區(qū)別只是超出設(shè)計(jì)雨量的降雨會逐漸在天溝內(nèi)聚集，使天溝的水深逐漸增大，超過天溝的保護(hù)高度后進(jìn)入溢流系統(tǒng)。

③實(shí)際降雨量遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)雨量時。實(shí)際降雨過程中，雨水系統(tǒng)在多數(shù)時間是處于這種狀態(tài)的，也就是氣水兩相流的狀態(tài)，這個狀態(tài)的運(yùn)行機(jī)理較為復(fù)雜，本文暫不做討論，但可以確定的是系統(tǒng)的排水效率雖然沒有得到充分發(fā)揮，但是完全可以滿足實(shí)際的排水需求。

2 保定站房虹吸雨水系統(tǒng)應(yīng)用探討

2.1 保定站工程概況

保定站位于保定市中心，京廣鐵路里程K134+587m。新建站房分兩期建成，西站房于2012年12月投入使用；東站房于2015年10月投入使用，站房全部建筑面積34997m2。

2.2 保定站房虹吸雨水系統(tǒng)基本情況

根據(jù)站房的結(jié)構(gòu)形式，劃分為五個大的匯水區(qū)域。中間候車廳為金屬板屋面，屋面坡度為5%，總匯水面積為17496m2，設(shè)置8組虹吸雨水系統(tǒng)，采用YG80虹吸式雨水斗38個，每個雨水斗匯水面積為460m2。兩側(cè)辦公區(qū)單個屋面匯水面積1440m2，分別設(shè)置1組虹吸雨水系統(tǒng)，采用YG80虹吸式雨水斗4個，每個雨水斗匯水面積為360m2。管道系統(tǒng)采用HDPE管材，雨水懸吊管的最大管徑為De200mm，雨水立管的最大管徑De160mm，排出管的最大管徑De315mm。

系統(tǒng)天溝采用沿主體外墻外側(cè)設(shè)置環(huán)行天溝，采用2mm厚不銹鋼板工廠預(yù)制，現(xiàn)場焊接拼接，在相鄰的虹吸系統(tǒng)間設(shè)置溢流堰。天溝尺寸為：寬度W=0.5m，高度H=0.3m，天溝內(nèi)設(shè)計(jì)最大水深240mm，天溝保護(hù)高度60mm。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)時采用了50年暴雨重現(xiàn)期來計(jì)算降雨量，滿足《虹吸式屋面雨水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的“屋面虹吸雨水系統(tǒng)與溢流設(shè)施的總排水能力不應(yīng)小于50年暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的雨水量”，所以未設(shè)置溢流口。

2.3 虹吸雨水系統(tǒng)應(yīng)用的相關(guān)問題探討

保定站房虹吸雨水系統(tǒng)運(yùn)行三年多以來，運(yùn)行良好，但是隨著使用期的延長以及今后應(yīng)對極端天氣方面，難免會出現(xiàn)一些問題。下面對一些常見問題展開探討：

2.3.1 天溝漏水問題

近期發(fā)現(xiàn)不銹鋼天溝底板表面出現(xiàn)斑點(diǎn)的銹跡，表明天溝受到腐蝕。除了材質(zhì)的原因外，酸性雨水腐蝕應(yīng)該是主要因素。在潮濕環(huán)境下，空氣中的硫化物或氮的氧化物與水結(jié)合形成腐蝕性較強(qiáng)的酸雨，不銹鋼板長期處于這樣的環(huán)境下就會發(fā)生腐蝕漏水。另外焊縫位置存在的物理缺陷，比如說氣孔、未熔合或者未焊透都是潛在的腐蝕源。

由于天溝與雨水斗均為不銹鋼材質(zhì)，不會因腐蝕電勢區(qū)別而產(chǎn)生銹蝕，但焊縫檢驗(yàn)合格后未做酸性鈍化處理，且焊接部位未采取合理的防腐措施，在長期的銹蝕影響下，很可能發(fā)生漏水。

不銹鋼焊接時應(yīng)采用不銹鋼焊絲，氬弧焊，可用環(huán)氧基防腐涂料涂刷焊接部位，如果現(xiàn)場條件允許，在涂刷防腐涂料后，還應(yīng)該采用丙綸無紡氈，以便將腐蝕對不銹鋼板材的影響降到最低程度。發(fā)現(xiàn)表面出現(xiàn)銹蝕后，我們及時對銹蝕部位了采取除銹、刷防腐涂料等防腐措施，以控制腐蝕的發(fā)展。

2.3.2 天溝向室內(nèi)溢水問題

反思石家莊站出現(xiàn)的“水簾”問題，除了系統(tǒng)出現(xiàn)“氣塞”以外，系統(tǒng)未設(shè)置溢流措施也是原因之一。天溝的溢水問題主要以下三個方面：

①天溝尺寸不足。

由于天溝側(cè)壁與金屬屋面板間存在縫隙，假如天溝內(nèi)雨水排除不及時，雨水就會滿流過天溝而進(jìn)入室內(nèi)。

虹吸雨水系統(tǒng)在降雨初期雨量較小時，其排水方式仍舊是重力流排水。隨著雨量增大，天溝內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)水深以后，虹吸式雨水斗就能有效阻止空氣進(jìn)入系統(tǒng)，形成穩(wěn)定的滿管流，相當(dāng)于屋面上一個水面穩(wěn)定的水池在進(jìn)行泄水，因此天溝的尺寸必須保證產(chǎn)生虹吸的水位深度和保護(hù)高度以及溢流系統(tǒng)需要的高度等，同時天溝的寬度應(yīng)該能夠保證雨水斗周圍均勻進(jìn)水，以最大程度發(fā)揮虹吸系統(tǒng)的排水效能。

虹吸系統(tǒng)施工前有必要對天溝尺寸進(jìn)行校核。

對本工程的天溝尺寸進(jìn)行驗(yàn)證：

設(shè)計(jì)雨水流量為Qr=1.5*553*460/10000=38.16L/s；

天溝的最大設(shè)計(jì)水深Hw=0.8*H=0.24m；

不銹鋼表面粗糙度系數(shù)N=0.0125；

天溝局部的最不利坡度S=0.001；

經(jīng)計(jì)算天溝的過水?dāng)嗝鍭g=0.5*0.24=0.12m2；

則水力半徑R=Ag/（W+2Hw）=0.12/（0.5+2*0.24）=0.122；

天溝的排水速度Vg=0.1222/3*0.0011/2/0.0125=0.624；

天溝的允許排水量Qg=0.12*0.624=74.9L/s>Qr=38.16 L/s。

經(jīng)驗(yàn)證，天溝尺寸滿足排水要求。

②鋼結(jié)構(gòu)撓度異常導(dǎo)致天溝變形，產(chǎn)生溢水。

不銹鋼天溝與金屬屋面連成一體，特別對于跨度大的鋼結(jié)構(gòu)屋面，在承受雨水、積雪等荷載時，容易出現(xiàn)撓曲現(xiàn)象。鋼結(jié)構(gòu)屋面產(chǎn)生的撓曲變形，導(dǎo)致天溝局部塌落、局部凸起，凸起位置的雨水斗不再是天溝內(nèi)的最低點(diǎn)而使其排水功能減弱或喪失，當(dāng)天溝變形嚴(yán)重導(dǎo)致排水功能降低較多時，就會導(dǎo)致過量雨水從天溝和屋面板間的縫隙溢流到室內(nèi)。

應(yīng)用中，大型屋面鋼結(jié)構(gòu)的撓度異常校核非常重要，設(shè)計(jì)人員須充分了解工程當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，并且考慮應(yīng)對最不利情況的出現(xiàn)，最大程度減少撓度變異的危害。后期維護(hù)也應(yīng)該關(guān)注天溝的撓度變化，及時采取應(yīng)對措施消除隱患。

③天溝沒有設(shè)置溢流措施導(dǎo)致溢水。

《虹吸式屋面雨水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定的“屋面虹吸雨水系統(tǒng)與溢流設(shè)施的總排水能力不應(yīng)小于50年暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的雨水量”，本工程采取提高暴雨設(shè)計(jì)重現(xiàn)期（實(shí)際采用50a）的方式提高排水能力，所以未設(shè)置溢流口。這種做法是存在弊端的。提高暴雨重現(xiàn)期導(dǎo)致系統(tǒng)管徑過大，在一般的降雨條件下，系統(tǒng)形成虹吸作用的幾率減小，排水效果降低，假如系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞或者管道氣密性失效，過量雨水就會直接溢流到室內(nèi)。

可以說，對于天溝與屋面板存在縫隙的屋面，溢流措施是防止雨水進(jìn)入室內(nèi)的最后一道屏障，這道屏障缺失，給系統(tǒng)的安全運(yùn)行埋下了極大的安全隱患，石家莊火車站的漏水事件即是典型的案例，需要人們深刻反思當(dāng)前虹吸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路和改進(jìn)方法。

2.3.3 負(fù)壓造成HDPE管材開裂漏水

本工程管道采用的是排水專用的HDPE管材，其特點(diǎn)是密度小、重量輕，焊接工藝簡單，施工方便，具有良好的韌性、氣密性，較小的伸縮率，抗沖擊性較好。但是在其他工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，雨水排放過程中出現(xiàn)管道漏水現(xiàn)象，經(jīng)檢查是立管上部局部管壁凹陷，產(chǎn)生裂縫漏水，同時系統(tǒng)的排水效率顯著降低。

通過虹吸系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)理，在立管頂部出現(xiàn)最低負(fù)壓值，一般在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，需通過水力計(jì)算控制該負(fù)壓值在允許范圍之內(nèi)，防止由于負(fù)壓作用破壞管材或者出現(xiàn)雨水“汽化”。虹吸規(guī)程規(guī)定系統(tǒng)最低的負(fù)壓不能低于-90kPa。為了保證管材不被破壞，設(shè)計(jì)時應(yīng)采用不低于PE80等級的高密度PE材料，并要求供貨商提供耐正壓和耐負(fù)壓的檢測報(bào)告。對于雨水立管來說，必須能夠承受設(shè)計(jì)要求的最低負(fù)壓，而由于排出管已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)重力流，所以沒有耐負(fù)壓的限制。

2.3.4 “氣塞”或“水塞”導(dǎo)致雨水井冒水、排水效率降低

虹吸規(guī)程規(guī)定，每個虹吸雨水系統(tǒng)要設(shè)置專門的雨水檢查井，且必須與大氣連通，井蓋上的通氣孔面積不少于井蓋面積的30%。同時應(yīng)注意下游管路應(yīng)比系統(tǒng)排出管放大管徑處理，并保證管道通暢。

由于虹吸雨水系統(tǒng)為有壓流，排水速度是普通重力流的3至5倍，暴雨時短時間內(nèi)會有大量雨水被排進(jìn)雨水檢查井，要求檢查井及下游管路要有足夠的排水能力并且保持暢通。如果檢查井尺寸偏小或者下游管路管徑不足，就會使排入井內(nèi)的高流速雨水受到壅塞形成“水塞”，對檢查井造成破壞并影響排水效果。同時，降雨初期形成的氣團(tuán)不能順利排出，在系統(tǒng)內(nèi)形成“氣塞”，使整個系統(tǒng)的虹吸作用遭到破壞，極大的降低排水效率。

虹吸雨水系統(tǒng)投入使用的第一年，站房北側(cè)的雨水檢查井在暴雨時出現(xiàn)檢查井蓋被頂開，雨水噴泉般從井內(nèi)涌出。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)雨水井下游管路因其他施工造成堵塞，造成井內(nèi)雨水無法順利排走，經(jīng)處理管道通暢后系統(tǒng)運(yùn)行正常。

2.4 保定站房虹吸雨水系統(tǒng)的維護(hù)要點(diǎn)

①檢查格柵罩是否被固定在雨水斗上，對松動的格柵罩進(jìn)行加固；②檢查屋面上是否有障礙物阻礙雨水進(jìn)入系統(tǒng)，保證雨水徑流通暢；③每年對天溝、雨水斗進(jìn)行兩次檢查和清理，保證天溝、虹吸雨水斗和管道內(nèi)無沉積的泥沙或樹葉等雜物，發(fā)現(xiàn)天溝銹蝕時應(yīng)及時采取防腐措施，防止腐蝕加?。虎芙⒉⒈４嫒粘z查記錄。⑤為了保持虹吸系統(tǒng)內(nèi)部的負(fù)壓，要特別注意管道和檢查口的水密性和氣密性，定期對虹吸雨水系統(tǒng)進(jìn)行檢查，確保整個系統(tǒng)狀態(tài)良好。

3 結(jié)語

屋面虹吸雨水系統(tǒng)主要針對各種大面積屋面或復(fù)雜屋面的雨水排放，其排水性能較重力流雨水系統(tǒng)得到了極大的改善。在驗(yàn)收和后期維護(hù)過程中，需嚴(yán)格按照給排水規(guī)范和虹吸雨水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程的規(guī)定，做好質(zhì)量控制和后期維護(hù)，使其更好地服務(wù)于鐵路運(yùn)輸安全生產(chǎn)。

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