第六章 建筑雨水排水系统

第六章 建筑雨水排水系统6.1 建筑雨水排水系统分类与组成6.1.1 建筑雨水排水系统分类 建筑屋面雨水排水系统的分类与管道的设置、管内的压力、水流状态和屋面排水条件等 条件有关。1. 按建筑物内部是否有雨水管道分为内排水系统和外排水系统两类。建筑物内部设有雨 水管道，屋面设雨水斗的雨水排除系统为内排水系统，否则为外排水系统。内排水系统又分 为架空管排水系统和埋地管排水系统。2. 按雨水在管道内的流态分为重力无压流、重于半有压流和压力流三类。重力无压流是 指雨水通过自由堰流入管道，在重力作用下附壁流动，管内压力正常，这种系统也称为堰流 斗系统。 重力半有压流是指管内气水混合，在重力和负压抽吸双重作用下流动，这种系统 也称为 87 雨水斗系统。压力流是指管内充满雨水，在负压抽吸作用下流动，又叫虹吸式系 统。3. 按屋面的排水条件分为檐沟排水、天沟排水和无沟排水。当建筑屋面面积较小时，在 屋檐下设置汇集屋面雨水的沟槽，称为檐沟排水。在面积大且曲折的建筑物屋面设置汇集屋 面雨水的沟槽，将雨水排至建筑物的两侧，称为天沟排水。降落到屋面的雨水沿屋面径流， 直接流入雨水管道，称为无沟排水。4. 按出户埋地横干管是否有自由水面分为敞开式排水系统和密闭式排水系统。敞开式系 统是非满流的重力排水，管内有自由水面，连接埋地干管的检查井是普通检查井。可接纳生 产废水，但暴雨时会出现检查井冒水现象。密闭式系统是满流压力排水，连接埋地干管的检 查井内用密闭的三通连接，室内不会出现冒水现象。但不能接纳生产废水。5. 按一根立管连接的雨水斗数量分为单斗系统和多斗系统。多斗系统中每个雨水斗的泄 流量小于单斗系统的泄流量。6.1.2 建筑雨水排水系统的组成1. 普通外排水 普通外排水由檐沟和敷设在建筑物外墙的立管组成。根据降雨量和管段的通水能力确定 一根立管服务的屋面面积，再根据屋面形状和面积确定立管的间距。适用于普通住宅、一般 的公共建筑和小型单跨厂房。2. 天沟外排水 天沟外排水由天沟、雨水斗和排水立管组成。天沟设置在两跨中间并坡向端墙，雨水斗 设置在伸出山墙的天沟末端，也可设置在靠山墙的屋面。立管连接雨水斗并沿外墙布置。天 沟外排水适用于长度不超过100m的多跨工业厂房。天沟的排水断面形式一般多为矩形或梯形。天沟坡度不宜太大，一般为0.0030.006之 间。应以建筑物伸缩缝、变形缝和沉降缝为屋面分水线，在分水线两侧分别设置天沟。天沟 长度一般不要超过50m。天沟末端宜设置溢流口，溢流口不天沟上檐低50100mm。天沟外排水在屋面不设雨水斗，管道不穿过屋面，排水安全可靠。3.内排水 内排水系统一般由雨水斗、连接管、悬吊管、立管、排出管、埋地干管和附属构筑物几 部分组成。降落到屋面上的雨水，沿屋面流入雨水斗，经连接管、悬吊管、流入立管，再经 排出管流入雨水检查井，或经埋地干管排至室外雨水管道。适用于跨度大，特别长的多跨建 筑，在屋面设天沟有困难的锯齿形、壳形屋面建筑，屋面有天窗的建筑，建筑立面要求高的 建筑，大屋面建筑及寒冷地区的建筑，在墙外设置雨水排水立管有困难时，也可考虑采用内 排水形式。1）雨水斗 设在天沟或屋面的最低处。雨水斗有重力式和虹吸式两类。重力式雨水斗有65 式、79 式和87 式3 种，其中87式雨水斗水力性能稳定，能迅速排除屋面雨水。虹吸式雨水斗设计为下沉式，避免雨水斗渗入空气。2）连接管 连接管是连接雨水斗和悬吊管的一段竖直短管。一般与雨水斗同径，连接管应牢固固定 在建筑物的承重结构上，下端用斜三通与悬吊管连接。3）悬吊管 是悬吊在屋架、楼板和梁下或架空在柱上的雨水横管。连接雨水斗和排水立管，其管径 不小于连接管管径，也不应大于300mm。塑料管的坡度不小于0.005；铸铁管的最小设计坡 度不小于0.01。在悬吊管的端头和长度大于15m的悬吊管上设检查口或带法兰盘的三通， 位置宜靠近墙柱，以利检修。连接管与悬吊管，悬吊管与立管间宜采用45三通或90斜三通连接。悬吊管一般采 用塑料管或铸铁管，固定在建筑物的桁架或梁上。特殊时可采用钢管，焊接连接。4）立管 一根立管连接的悬吊管根数不多于两根，立管管径不得小于悬吊管管径。立管沿墙、柱安装，在距地面1m处设检查口。立管的管材和接口与悬吊管相同。5）排出管 立管与检查井之间的一段有较大坡度的横向管道，管径不得小于立管管径。排出管与下游埋地管在检查井中宜采用管顶平接，水流转角不得小于135。6）埋地管埋地管敷设于室内地下，承接立管的雨水。埋地管最小管径为200m m,最大不超过 600mm。埋地管一般采用混凝土管、钢筋混凝土管或陶土管。管道坡度按表生产废水 管道最小坡度设计。7）附属构筑物 用于埋地雨水管道的检修、清扫和排气。主要有检查井、检查口井和排气井。检查井适用于敞开式内排水系统，设置在排出管与埋地管连接处，埋地管转弯、变径及 超过30m的直线管路上。检查井井深不小于0.7m，井内采用管顶平接，井底设高流槽，流 槽应高出管顶200mm。埋地管起端检查井与排出管间应设排气井。密闭内排水系统的埋地管上设检查口，将检查口放在检查井内，便于清通检修，称检查 口井。6.1.3 雨水排出系统的选用 密闭式系统优于敞开式系统，外排水系统优于内排水系统。堰流斗重力流排水系统的安 全可靠性最差。虹吸式泄流量大管径造价最低， 87 斗重力流系统次之，堰流斗重力流系统造价最高。 总之，屋面集水优先考虑天沟形式，雨水斗置于天沟内。建筑屋面内排水和长天沟外排 水一般宜采用重力半有压流系统，大型屋面的库房和公共建筑内排水，宜采用虹吸式有压流 系统，堰流外排水宜采用重力无压流系统。阳台雨水应自成系统排到室外，不得与屋面雨水 系统相连接。6.2雨水内排水系统中的水气流动规律6.2.1 单斗雨水系统按降雨历时t，系统的泄流状态可分为三个阶段：降雨开始到掺气比最大的初始阶段（0 WtTa）,掺气比最大到掺气比为零的过渡阶段（TaWtVTb）和不掺气的饱和阶段（t三Tb）。1. 初始阶段1）雨水斗和连接管在初始阶段，降雨刚开始，流入雨水斗的雨水很少，在这一阶段，雨水斗大部分暴露在 空气中，掺气比急剧上升，到Ta时达到最大。因泄流量较小，充水率a1/3，雨水在连接 管内呈附壁流或膜流，管内压力很小且变化缓慢，约等于大气压力。2）悬吊管与立管因泄流量小，管内时充满度很小的非满流，悬吊管内压力变化很小。立管管径与连接管 管径相同，立管内也是附壁水膜流。立管内压力变化很小。3）埋地干管因管径、泄流量与悬吊管相同，排出管和埋地干管内的流态与悬吊管相似，系统压力变 化很小。以上分析可以看出，单斗雨水系统的初始阶段，雨水排水系统的泄流量小，管内气流畅 通，压力稳定，雨水靠重力流动，是水气两相重力无压流。2. 过渡阶段1）雨水斗和连接管在过渡阶段，随着汇水面积的增加，泄流量随水深增加而增加，这个阶段水深增加缓慢， 近似呈线性关系。雨水斗进气面积和掺气量逐渐减小，而泄流量增加，掺气比急剧下降，到 Tb 时掺气比为零。因泄流量增加和掺气量减少，管内频繁形成水塞，出现负压抽力，管内 压力增加较快。2）悬吊管与立管悬吊管管内负压不断增大，起端呈正压，末端和立管的上部呈负压，在悬吊管末端与立 管连接处负压最大。立管内的负压值迅速减小，至某一高度时压力为零。再向下压力为正，压力变化曲线呈 线性关系，其斜率随泄流量增加而减小，零压点随泄流量增加而上移，满流时零压点的位置 最高。立管底部正压力达到最大。3）埋地干管 （略） p190以上分析可以看出，单斗雨水系统的过渡阶段的泄流量较大，管内气流不通畅，管内压 力不稳定，变化大，雨水靠重力和负压抽吸流动，时气水两相重力半有压流。3. 饱和阶段1）雨水斗和连接管不掺气，管内满流，泄流量达到最大，基本不增加。泄水主要由负压抽力，所以雨水斗 和连接管内为负压。2）悬吊管与立管水单相流，悬吊管起端管内压力可能是负压也可能是正压，管内压力减小，负压增大， 至末端与立管连接处负压最大，形成虹吸。立管内压力由负压逐渐增加为正压。立管与埋地 管连接处达到最大正压。3）埋地干管埋地干管内是水单相流。管内正压值逐渐减小，至室外雨水检查井处压力为零。 由以上分析，单斗雨水系统饱和阶段雨水排水系统的泄流量达到最大，雨水主要靠负压 抽吸流动，是水单相压力流。对于单斗雨水系统，压力流状态下系统的泄流量最大，重力流时泄流量最小。在重力半 有压力流和压力流状态下，雨水排水系统的泄水能力取决于天沟位置高度。雨水斗离排出管 的垂直距离越大，产生的抽力越大，泄水能力也就越大。系统最大负压在悬吊管与立管连接 处，最大正压在立管与埋地干管的连接处。6.2.2 多斗雨水排水系统1. 初始和过渡阶段 一根悬吊管上连接两个或两个以上雨水斗的雨水排水系统为多斗雨水系统。 在初始和过渡阶段，多斗雨水系统中雨水斗之间相互干扰的大小与悬吊管上雨水斗的个 数、互相之间的间距及雨水口距排水立管的远近有关。离立管近的雨水斗排泄水能力大。在设两个雨水斗，且近立管雨水斗至立管距离相等的情况下，总泄流量基本相同。随着 两个雨水斗间距的增加，近立管雨水斗泄流量逐渐增加。当两个雨水斗间距相同，距立管不同时，两个雨水斗泄流量的比值基本相同。但两种情 况的总泄流量不同，离立管越近，总泄流量越大。近立管雨水斗泄流量和总泄流量基本相同。 结论：重力半有压流的多斗雨水排水系统中，一根悬吊管连接的雨水斗不宜过多，雨水 斗之间的距离不宜过大，雨水斗应尽量靠近立管。2. 饱和阶段 系统内为水单相流，悬吊管和立管上部负压值达到最大，应选用铸铁管或承压塑料管。6.3 雨水排水系统的水力计算6.3.1 雨水量计算 屋面雨水排水系统雨水量的大小时设计计算雨水排水系统的依据，其值与该地暴雨强度q,汇水面积F以及径流系数0有关，屋面径流系数一般取0=0.9。1设计暴雨强度q设计暴雨强度公式中有设计重现期P和屋面集水时间t两个参数。设计重现期，一般性 建筑取25年，重要公共建筑物不小于10年。屋面集水时间按5min计算。2. 汇水面积F屋面汇水面积较小，一般按川计。对有一定坡度的屋面，汇水面积按水平投影面积计算。 高出屋面的侧墙，应附加其最大受雨面正投影的一半作为有效汇水面积计算。同一汇水区内高出的侧墙多于一面时，按有效受水侧墙面积的1/2折算汇水面积。3. 雨水量的计算公式Fq510000Q =独Q 3600式中 Q -屋面雨水设计流量， L/s；屮径流系数，取0.9；F -屋面设计汇水面积，m?；q5 一当地降雨历时为5min时的暴雨强度，L/(s 104m2)； h5 当地降雨历时为 5min 时的小时降雨厚度， mm/h;6.3.2 系统计算原理与参数1. 雨水斗泄流量雨水斗的泄流量与流动状态有关，重力流状态下，雨水斗时自由堰流，可按环形溢流堰公式计算：Q = |inDh 2gh式中Q-通过雨水斗的泄流量，m3/s；卩-雨水斗进水口的流量系数，取0.45；D -雨水斗进水口直径，m；h 雨水斗进水口前水深， m；在半有压流和压力流状态下，雨水斗的泄流量与雨水斗出水口直径、雨水斗前水面至雨水斗出水口处的高度及雨水斗排水管的负压有关：Q = |! 2g（H + P）式中Q 雨水斗出水口的泄流量，m/s；卩-雨水斗出水口的流量系数，取0.95；d 一雨水斗出水口内径，m；H -雨水斗前水面至雨水斗出水口处的高度，m；h 雨水斗排水管中的负压， m；各种类型雨水斗的最大泄流量见表6.3.1 选取。87式多斗排水系统中，一根悬吊管连接的87式雨水斗最多不超过4个，离立管最远端 雨水斗的设计流量不得超过表中的数值，其他雨水斗的设计流量一次比上游斗递增10%。2. 天沟流量屋面天沟为明渠排水，天沟水流流速可按明渠均匀流公式计算1V = R2/3I1/2nQ = VX 3式中Q -天沟排水流量，m3/s；V 流速， m/s；n 天沟粗糙度系数，与天沟材料和施工有关，见表 ；I 天沟坡度，不小于 0.003；3-天沟过水断面积，m?；3. 横管横管包括悬吊管、管道层的汇合管、埋地横干管和出户管。横管可近似按圆管均匀流计 算：1V = R2/3I1/2nQ=VX3式中Q 排水流量，m/s；v -管内流速，m/s，不小于0.75m/s，埋地横干管出建筑物外墙进入室外雨水 检查井时，流速应小于 1.8m/s；n 粗糙系数，塑料管取0.010，铸铁管取0.014，混凝土管取0.013；3-管内过水流断面积，m?；R -水力半径（m）悬吊管按充满度h/D=0.8计算，横干管按满流计算；I 水力坡度，重力流的水力坡度按管道敷设坡度计算，金属管不小于0.01，塑 料管不小于0.005；重力半有压流的水力坡度与横管两端管内的压力差有关：按下式计算：I = h + Ah /L式中h-横管两端管内的压力差，悬吊管按其末端（立管与悬吊管连接处）的最大 负压值计算，取0.5m，埋地横干管按其起端（立管与埋地横干管连接处）的最大正压值计 算，取 1.0m；Ah -位置水头，悬吊管是指雨水斗顶面至悬吊管末端的几何高差（m）,埋地 横干管是指其两端的几何高差， m。；L 横管的长度， m；见附录 6.1、6.2、6.3。横管的管径根据各雨水斗流量之和确定，并宜保持管径不变。4. 立管重力流状态下雨水排水立管按水满流计算7890K-1/6 a5/3d8/3p式中Q -立管排水流量，m/s；Kp 粗糙高度，m,塑料管取15X10-6m,铸铁管取25x10-6m ； a充水率，塑料管取0.3,铸铁管取0.35；d -管道计算内径， m 。重力流立管最大允许流量见附录6.4重力半有压流系统状态下雨水立管按水塞流计算，铸铁管充水率a = 0.570.35,小管 径取大值，大管径取小值。重力半有压流系统立管由于有负压抽吸作用，故其排水能力大于 重力流。单斗流系统立管的管径与雨水斗口径、悬吊管管径相同，多斗系统立管管径根据立 管设计排水量按表确定。5. 压力流（虹吸式）1）沿程阻力损失计算压力流系统的连接管、悬吊管、立管、埋地横干管都按满流设计，管道的沿程阻力损失 按海森-威廉公式计算：2.83 X Q1.85 X 10-4R =C1.85 X d4.87j式中 R -单位长度的阻力损失， kpa/m；d.-管道的计算内径，m内壁喷塑铸铁管塑膜厚度为0.005m；jQ -流量， L/min；C -海森威廉系数，塑料管130；内壁喷塑铸铁管，110；钢管，120；铸铁管， 100；常用的内壁喷塑铸铁管水力计算表见附录6.5。2）局部阻力损失计算v2h = 10 x J2g式中 hj -管件的局部阻力损失， kpa；v -流速， m/s; -管件局部阻力系数，见表 。3 ）阻力损失估算管路的局部阻力损失可以折算成等效长度，按沿程水头损失估算L = kL0式中 L0 -等效长度， m；L -设计长度， m;k 考虑管件阻力引入的系数：钢管、铸铁管k=1.21.4,塑料管k=1.41.6 计算管路阻力损失估算 计算管路单位等效长度的阻力损失可按下式公式计算：E 9.81HR =0 L0L0式中 R0 -计算管路单位等效长度的阻力损失， kpa/m；E -系统可以利用的最大压力， kpa;H -雨水斗顶面至雨水排出口的几何高差， m；L0 -计算管路等效长度， m； 悬吊管阻力损失估算悬吊管单位等效长度的阻力损失按下式计算：Pmaxx0x0kpa/m；式中 Rx0 -悬吊管单位等效长度的阻力损失 /最大允许负压值，kpa；maxLx0 悬吊管等效长度， m；x04）管内压力系统中不同断面管内的压力变化很大，为使各个雨水斗泄流量平衡，不同支路计算到某 一点的压力差不大于 510kpa。系统某断面处管内的压力按下式计算v2Pi = 9-8Hi 才 +%式中 Pi i 断面处管内的压力， kpa；-雨水斗顶面至i断面的高度差，m；vi i 断面处管内流速， m/s;A-雨水斗顶面至i断面的总阻力损失，kpa； 压力流雨水排水系统的最大负压值在悬吊管与总立管的连接处。选用铸铁管和钢管时 系统允许的最大负压值为-90kpa，选用塑料管时，小管径（de=50150mm）允许的最大 负压值为-80kpa,大管径（de = 200300mm）允许的最大负压值为-70kpa。5）系统的余压 排水系统的总水头损失与排水管出口速度水头之和应小于雨水斗天沟底面至排水管出口的几何高差，其压力余量宜稍大于10kpa。系统压力余量为：AP = 9.8H Vn+h2n式中AP -压力余量，kpa；vn2 排水管出口的管道流速， m/s;H 雨水斗顶面与排水管出口的高差， m;h -雨水斗顶面到排水管出口处系统的总阻力损失，kpa；n6）管内流速 压力流雨水排水管道系统内的流速和压力直接影响着系统的正常使用，悬吊管的设计流速不宜小于1m/s，立管的设计流速不宜小于2.2m/s，系统的最大流速通常发生在立管上， 为减小噪声，立管的设计流速宜小于6.6m/s，最大不大于10m/s。系统底部的排出管的流速 小于1.8m/s，以减少水流对检查井的冲击。6. 溢流口的计算 溢流口的主要功能是雨水系统事故时排水和超量排除。按最不利情况考虑，溢流口的排 水能力应不小于50年重现期的雨水量。溢流口的孔口尺寸可按下式近似计算。Q = mb 2gh2/3式中 Q 溢流口服务面积内的最大降雨量， L/s；b 溢流口宽度， m；h 溢流孔口高度， m;m 流量系数，取 386； g 一重力加速度，m/s2，取9.81。6.3.3 设计计算步骤1.普通外排水系统（宜按重力无压流系统设计）1）根据屋面坡度和建筑物立面要求，布置立管，立管间距812m；2）计算每根立管的汇水面积；3）求每根立管的泄流量；4）按堰流式斗雨水系统查附录6.4 确定立管管径。2. 天沟外排水（宜按重力半有压流系统设计 ）天沟外排水系统的设计计算主要是配合土建要求，确定天沟的形式和断面尺寸，校核重 现期。天沟断面形式多采用水力半径大、湿周小的宽而浅的矩形或梯形，具体尺寸应由计算 确定。为了排水安全，天沟应有不小于100mm的保护高度，天沟起点水深不小于80mm。天沟的设计计算有两种 （见书 P198） 一种是已经确定天沟的长度、形状、几何尺寸、坡度、材料和汇水面积，校核重现期是 否满足要求。其设计计算步骤为：另一种是已知天沟的长度、坡度、材料、汇水面积和设计重现期，设计天沟的形状和几 何尺寸，其设计步骤是：