關于建筑排水橫管水流研究的探討

周彤

合肥質(zhì)子建設有限公司 安徽合肥 230000

摘要：從我國建筑排水研究現(xiàn)狀來看，人們對排水立管的研究遠遠大于對排水橫管的研究。由于研究手段和方法的限制，橫管設計仍建立在恒定均勻流的基礎之上，與實際并不相符。但整個建筑排水是一個系統(tǒng)工程，要確保排水的暢通無阻，對排水橫管水力工況進行深入的研究是很有必要的。而且，對橫管中非恒定流進行研究與節(jié)水也有著密切的聯(lián)系。對建筑排水管道而言，節(jié)水就意味著沖洗水量的減少，相同前提條件下，污水中的固體雜質(zhì)沉積的可能性便會增加，而目前所采用建立在恒定流基礎上的眾多設計方法則無法做到與實際相符。本文就建筑排水橫管水流研究進行探討。

關鍵詞：建筑排水；橫管水流；研究

研究建筑排水系統(tǒng)內(nèi)水流運動規(guī)律，掌握水流運動與排水系統(tǒng)內(nèi)壓力變化的關系，從而解決好居住建筑的排水系統(tǒng)通氣問題，保障人們良好的居住環(huán)境，建立人與自然的和諧關系，已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)人士關注的焦點問題。

一、基本研究

1.水封的作用及破壞原因。水封即人們常說的存水彎，它的作用是利用一定高度的靜水壓力來抵抗排水管內(nèi)的氣壓變化防止管內(nèi)氣體進入室內(nèi)。水封設在衛(wèi)生器具的排水口下，是防止排水管內(nèi)氣體溢出的重要措施。衛(wèi)生設備在瞬時排出大量的水，使水封形成虹吸，排水后，致使水封內(nèi)的水量會發(fā)生少量損失，稱為自虹吸損失；相近衛(wèi)生器具排水引起系統(tǒng)壓力變化，變化的壓力使得水封內(nèi)的水發(fā)生波動形成虹吸而引起的水量損失稱為誘導虹吸損失；在水封流入端，水封水面的自然蒸發(fā)，流出端，因水封內(nèi)壁的不光滑會在管壁上積存較長的纖維和毛發(fā)產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象，從而引起水封內(nèi)的水量損失稱為靜態(tài)損失。以上原因造成水封內(nèi)水量的減少，當水封內(nèi)水量減少到其高度不足以抵抗管道內(nèi)允許的壓力變化值時，管內(nèi)氣體就會沖破水封進入室內(nèi)，這種現(xiàn)象被稱為水封破壞。

2.衛(wèi)生器具的排水狀況。衛(wèi)生器具的排水曲線間接反映了其沖洗效果，而在衛(wèi)生器具中抽水馬桶的沖洗效果顯得尤為重要。圖1為一個典型抽水馬桶的流量隨時間變化的關系曲線，從圖中可看出，抽水馬桶在開始排水后很快就達到了整個排水過程中的峰值流量，并將持續(xù)很短的時間，而隨后的低速水流將持續(xù)幾秒鐘。對衛(wèi)生器具如抽水馬桶的排水流量隨時間變化關系的測定，不僅可用來分析其沖洗效果，同時也為后續(xù)的數(shù)學模型提供相應的初始條件值。從圖1曲線可以看出，當排水量一定時，峰值流量越大，高峰流量持續(xù)時間越長，排水系統(tǒng)的水力工況越好。

圖1

3.固體污物的運動。固體在橫管中運動的關鍵描述參數(shù)是運動速度。70年代英國學者Wakelin與Swaffield等人為弄清固體的輸送機理，曾進行了一系列試驗。他們對各種固體在一個透明的、管徑100mm、長14m的塑料管（坡度設在1/40～1/150范圍內(nèi)）中的輸送進行觀測，并采用了6組光電管/光源裝置來測定固體經(jīng)過這6個點時的速度。這6組裝置間隔距離為200mm。而固體經(jīng)過的時間則分別通過6個電子計時器來記錄。根據(jù)所測參數(shù)，整理后得出單個固體的固體速度與管段位置的關系。同時他們對控制體速度的經(jīng)驗關系式進行分析。

二、排水橫管模型建立

1.排水橫管非恒定流數(shù)學模型的建立。建立數(shù)學模型的作用就在于以少量容易獲取的實測數(shù)據(jù)來預測大量未知的、不易測量的參數(shù)值，對設計工況進行預測，從而指導設計工作。建筑排水橫管中的水流狀態(tài)屬于非恒定、非滿管流。通過對微元控制體進行相應的分析可得到橫管中水流速度v、水深h隨時間t變化關系的基本方程為：，式中：h--過水斷面的水深；A--過水斷面的面積；T--過水斷面水面寬度；v--過水斷面平均流速；對建筑排水非恒定、非滿管流的方程的數(shù)值求解尚不多見，但考慮到這對控制方程組與計算水力學中研究較多的明渠一維非恒定流控制方程同屬一類為一階擬線性雙曲型偏微分方程，故而可參考對明渠一維非恒定流的分析，對建筑排水非恒定、非滿管流控制方程組的數(shù)值求解進行相應的分析。

2.根據(jù)前面的數(shù)學模型，給出初始條件和邊界條件后便可進行模擬計算。由于計算比較復雜，需利用計算機編程處理，現(xiàn)以簡單橫管（無分支管）為例，采用VB610進行可視化編程，對橫管非恒定水流進行了數(shù)值模擬運算。運算所采用的初始流量與時間的數(shù)值關系是對某馬桶在排水量為6L時實測所得，將其作為入口斷面的基本參數(shù)。管徑（內(nèi)徑）D=100mm，管坡s0=0.02，從入口斷面到出口斷面之間管長為4.06 m，管道的曼寧系數(shù)n=0.009。另外，需要確定總的模擬時間tmax，該參數(shù)可用排水過程持續(xù)時間為參考數(shù)據(jù)，本實例中，水流從馬桶中排出后經(jīng)過5.8s的時間流到測量斷面，這樣，整個模擬時間應大于25.8s，實例中取tma=30s。同樣，用排水量為5L時普通馬桶的實測數(shù)據(jù)作為入口斷面的基本參數(shù)，取管坡s0=0.02，管徑（內(nèi)徑）D=100mm，入口斷面到出口斷面之間管長為4.06m，管道的曼寧系數(shù)n=0.009。對整個排水系統(tǒng)而言，節(jié)水在很大程度上是指采用各種節(jié)水型衛(wèi)生器具。根據(jù)節(jié)水衛(wèi)生器具的基本排水參數(shù)以及相應的邊界條件，采用數(shù)學模型便可對管道中水流狀態(tài)進行模擬，確定出污物可能沉積的位置，從而可對節(jié)水衛(wèi)生器具以及整個排水系統(tǒng)工況的好壞做出判斷。

三、施工建議

1.排水管道的布置和敷設。高層住宅的底層或群房的使用功能大多為公共活動用房，例如辦公、商場等。為了不影響其使用功能，上部住宅的排水管道要在使用功能轉(zhuǎn)換處進行匯交，合并后的排水管道應配合建筑使用功能，方便污水的就近排出。但每處排出管最好不少于2根，這樣不但可保證使用的安全性，同時分散排出的污水流量可減小排出管內(nèi)的水躍高度。對于高層住宅底部公共用房的排水，應根據(jù)使用功能單獨設置排水立管和出戶管，排水立管上部接至住宅部分的專用通氣立管上，這樣，即解決了使用功能不同的排水系統(tǒng)的通氣問題，又排除了由于使用功能不同所產(chǎn)生的水流、氣流及壓力變化的相互影響。

2.衛(wèi)生器具的選型。存水彎是防止排水管內(nèi)氣體溢出的重要環(huán)節(jié)，有些衛(wèi)生器具的存水彎隱含在器具自身的構(gòu)造中，因此，一定要選用能夠保證存水彎內(nèi)水封深度足夠的產(chǎn)品，確保水封深度不小于現(xiàn)行規(guī)范所規(guī)定的50mm。對于不經(jīng)常使用的房間應慎設地漏，如衛(wèi)生間內(nèi)，由于不經(jīng)常使用會造成地漏存水彎內(nèi)的水蒸發(fā)而減少甚至干涸，從而導致排水系統(tǒng)氣體溢出。在排水支管較長時，可在末端器具前設置吸氣閥改善橫支管的水流條件。

建立的建筑排水橫管非恒定流數(shù)學模型是可行的，結(jié)合排水系統(tǒng)中衛(wèi)生器具排水狀況和固體污物運動等基礎研究，并與計算機程序相結(jié)合，數(shù)學模型可用于對排水橫管水流的模擬和預測，從而有助于對設計方案的擇優(yōu)。在滿足了居住面積、合理的使用功能、幽雅的小區(qū)環(huán)境后，高質(zhì)量的室內(nèi)環(huán)境已成為人們的迫切要求，設計、施工、管理等部門協(xié)同努力，定會營造出健康、環(huán)保、和諧居住環(huán)境。

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