虹吸管道原理

1．虹吸系统简介

1.1 虹吸式屋面排水系统的特点

虹吸式排水系统在降雨初期，屋面雨水高度未超过雨水斗高度时，整个排水系统工作状况与重力排水系统相同。

随着降雨的持续，当屋面雨水高度超过雨水斗高度时由于采用了科学设计的防漩涡雨水斗，通过控制进入雨水斗的雨水流量和调整流态减少漩涡，从而极大地减少了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，利用建筑物屋面的高度和雨水所具有的势能，在雨水连续流经过雨水悬吊管转入雨水立管跌落时形成虹吸作用，并在该处管道内呈最大负压。屋面雨水在管道内负压的抽吸作用下以较高的流速被排至室外。

1.2 虹吸式与重力式与面雨水排放系统的区别

虹吸式屋面雨水排放系统系统排水管道均按满流有压状态设计，因此虹吸排水系统中雨水悬吊管可做到无坡度敷设。同时，当产生出虹吸作用时管道内水流流速很高，因此系统具有较好的自清作用。而重力式排水设计计算不按满流计算，雨水悬吊管的敷设坡度不得小于0.005。

虹吸排水系统中排水管泄流量要远大于重力排水系统中同一管径排水管的泄流量，也即排除同样的雨水流量，采用虹吸排水系统的排水管管径要小于采用重力排水系统的排水管管径。 虹吸排水系统其实质是一种多斗压力流雨水排水系统。因此埋地管相对重力式排水系统要明显减少。

目前该系统在国内应用刚刚开始，而在国际上该系统已有近二十年的应用历史，涉及建筑有航站楼(法国戴高乐机场航站楼、香港新机场航站楼、瑞士苏黎世机场航站楼)、展览馆(香港会展中心)、体育场(丹麦哥本哈根足球场、澳大利亚悉尼体育场)、工业厂房(奥地利克莱斯勒汽车厂、法国雪铁龙汽车厂)、商业中心、停车场、货运仓库、办公大楼等等。据不完全统计，采用吉博力虹吸排水系统的工程项目有近4万个，约3000万m2屋面排水面积。

2．系统组成及工作情况

2.1 综述

屋面雨水排水系统一般由虹吸式雨水斗、无坡度悬吊管、立管和雨水出户管（排出管）组成。 形成虹吸式屋面雨水排放的前提条件是：必须具备拥有良好气水分离装置雨水斗。在设计降雨强度下，雨水斗不掺入空气，降雨过程中利用雨水斗与出户管之间的高差所形成的压差，经屋面内排水系统，从户外排除管排出。在这一过程中，排水管道中是全充满的满管压力流状态，屋面雨水的排放过程是一个在虹吸作用的结果。因此，把这样的系统称为虹吸式屋面雨水排放系统。

虹吸式雨水排放系统管内压力和水的流动状态是不断变化的过程。

降雨初期，雨量一般较小，悬吊管内是一有自由液面的波浪流。根据雨量大小的不同，部分情况下初期无法形成虹吸作用，是以重力流为主的流态。随着降雨量的增加，管内逐渐呈现脉动流，拔拉流，进而出现满管气泡流和满管汽水混合流，直至出现水的单向流状态。 降雨末期，雨水量减少，雨水斗淹没泄流的斗前水位降低到某一特定值（根据不同的雨水斗产品设计而不同），雨水斗逐渐开始有空气掺入，排水管内的虹吸作用被破坏，排水系统又从虹吸流状态转变为重力流状态。

在整个降雨过程中，随着降雨量的增加或减小，悬吊管内的压力和水流状态会出现反复变化的情况。

与悬吊管相似，立管内的水流状态也会从附壁流逐渐向气泡流，气水浮化流过渡，最终在虹吸作用形成的时候，出现接近单向流的状态。

2.2 雨水斗

一般来说，雨水斗的设计是整个虹吸系统的能否按设计要求工作的关键所在之一，它的稳流性越好，产生虹吸所需的屋面汇水高度越低，总体性能就越优越。

标准型的雨水斗，它是由雨水斗底座（PE材料），碟片（ASA），格栅顶盖(PE)组成。另外根据需要可提供通用型的绝缘底座，固定件，法兰片，焊接片，防火保护帽，微型加热电

圈等配件。

压力流(虹吸式)雨水斗材质为HDPE、铸铁或不锈钢。其各部分有不同的结构功能。雨水斗置于屋面层中，上部盖有进水格栅。降雨过程中，雨水通过格栅盖侧面进入雨水斗，当屋面汇水达到一定高度时，雨水斗内的反涡流装置将阻挡空气从外界进入同时消除涡流状态，使雨水平稳地淹没泄流进入排水管。虹吸式雨水斗最大限度减小了天沟的积水深度，使屋面承受的雨水荷载降至最小，同时提高了雨水斗的额定流量。

目前比较领先的产品，完全可以做到部分通用。它的最大优点在于对于不同功能及材料的屋顶系统，产品具有广泛的适用性。换句话说，一种雨水斗通过于相应的配件组合就能适合不同的屋顶，例如：混凝土屋顶，金属屋顶，木屋顶，考虑人行走或绿化的屋顶，屋面不平呈梯形结构的屋顶等。雨水斗是整个虹吸系统的关键部分。对于整个虹吸式屋面雨水排放系统而言，最主要的就是要避免空气通过雨水斗进入整个系统。如果空气直接进入雨水斗，会在管道内形成气团，这样会大大降低系统排水效率，最终和传统重力式排水系统一样。

因此，虹吸式屋面雨水排放系统所采用的雨水斗必须具有优化设计的反涡流功能的盖罩，防止空气通过雨水斗入口处的水流带入整个系统，并有助于当斗前水位升高到一定程度时，形成水封完全阻隔空气进入。

雨水斗的设计安装也有一定严格的要求:

（1）雨水斗离墙至少1米。

（2）雨水斗之间距离一般不能大于20米。

（3）平屋顶上如果是沙砾层，雨水斗格栅顶盖周围的沙砾厚度不能大于60mm，最小粒径必须为15mm。

（4）如果雨水斗是安装再檐沟内，且采用焊接件的话，檐沟的宽度至少是350mm，檐沟内的雨水斗安装开口为70mm x 270mm至290mm x 290mm。

（5）如果雨水管是安装在混凝土屋顶面层内，那么屋顶至少有160mm厚。

（6）断面呈连续梯形的屋面雨水斗开口，为安装固定件，尺寸必须是280mm x 280mm，如果开口大于300mm x300mm，屋顶则需加固。

（7）如果屋顶是混凝土的，雨水斗下连的雨水管管径至少是35mm (用电焊管箍连接件连接)，与此对应的屋顶厚度是180mm至190mm。

（8）带隔离层的屋顶隔离层厚度至少40mm。如果隔离层厚于180mm，雨水斗的底座必需延伸至能与管径56mm的连接管相连的恰当长度。

2.3 系统管道

管道作为虹吸式屋面雨水排放系统最主要的部分，必须确保系统安全可靠，高效持续的运行。虹吸式系统作为一个特殊的排水系统，其管道必须保证完全的密封性和完备的防火措施，并且做到尽可能降低噪声，吸收震动，抗击冲击外力，最大程度满足抗温度变化引起的形变。 管道的完全抗渗漏并不意味着系统密封性得到满足。一般情况下，对于抗渗漏的要求是允许发生小范围的渗漏，只要有补救措施即可。但是虹吸系统一旦发生渗漏，并不易发现。当突然出现暴雨的降雨强度，则可能立即造成整个系统崩溃。进而因为屋面雨水无法及时排放，超过屋面可负荷的荷载强度，引起屋面坍塌。

当然，微小的不密封并不一定会造成渗漏，但是足以造成漏气，一旦排水管道内出现气团，虹吸式排水的效率马上大大降低，严重的甚至会破坏虹吸作用。

由于虹吸系统是利用负压排水的，因此管道的管壁必须具备相当的承压能力。但是也不是完全的刚性体。因为虹吸系统的负压一般不大于-0.08Mpa。过大的负压会导致管内水流流速过快，发生气蚀现象，对于金属管道或者是金属质地的连接处产生极大的伤害（-0.09Mpa已经接近气蚀的临界值）。同时负压过高也会给系统带来极大的震动，减少系统的使用寿命。 管道和配件都必须具备阻燃的条件，当建筑物一处发生火灾时系统能够防止火灾被迅速传递到建筑物的其他部分。所以，材料本身的阻燃性并不是最重要的，整个管道系统的防火扩散性才是将灾害损失降至最低的关键。

HDPE管材的优势

承压性能良好，管壁在外荷载作用下，不会破裂。能抵抗冲击压力，减少水锤冲击破坏，保证系统的安全运行，维持虹作用的负压。

管道连接方式方便灵活。管道可根据需要，采用不同的连接方法，如：对焊、电焊管箍连接、法兰连接、螺纹连接、伸缩管接头等。HDPE还可以和钢管，铸铁管，陶瓷管等其它管材的管道连接。只需通过专门的加热电焊机就可以进行操作。

HDPE管道是在热力条件下生产的，材料本身的张力在制造过程中已消减，所以成品以后可能产生的尺寸微变不会有任何危害，将热胀冷缩引起的危害降至最小。

从物理和化学性质上看，HDPE管道的防腐能力极强，不受各种酸、碱、盐所引起的电化学反应的影响。HDPE管道比金属管更耐磨损。抗极端温度在 – 400c ～1000c。管子重量轻，施工方便，可以事先预制，安装工效大大提高。

HDPE管作为一种新型的节能管材，从我国目前建筑行业住宅产业化，设计标准化，材料集约化，建筑生产施工工厂化，管理科学化的发展趋势来看，是有很大的发展潜力。

2.4 辅助的固定系统

安装固定系统的主要功能是辅助安装与固定管道。

虹吸式雨水管道系统的固定装置包括与管道平行的方形钢导轨，管道与方形钢导轨间的连接管卡(根据不同的管径，每隔0.8至1.6米布置管卡)，用于固定钢导轨的吊架及镀锌角。安装固定系统还包括管卡配件，这些配件可以固定管道的轴向，利用锚固管卡安装在管道的固定点。

汽水混合流的排水过程中，有一个非常重要的要求，是关于在系统各部位内负压的限制，规定负压不得低于-0.8公斤。其原因在于，当负压在-0.92公斤左右时，系统内的气泡会在压力的作用下破裂，使整个管道说系统产生剧烈振动。

因此，为保证系统的正常运行，管道振动的危害是一个不容忽视的问题。如果振动不加以防范，可能会影响减少建筑结构的使用寿命，也可能会导致整个系统的破坏。安装固定系统的

主要功能之一是吸收这些振动，从而避免振动对建筑结构产生影响。

由于温度的变化，管道必然会发生热胀冷缩的现象。在系统内部形成拉力或压力，对于管道连接处形成作用。

安装固定系统可以防止在刚性安装的排放系统中，由于热胀冷缩受到阻隔而产生的力会对建筑结构的破坏，吸收热胀冷缩导致的管道位移。同时，还可以避免管道因为悬挂受力而变形。 无论是系统震动带来的外力，还是热胀冷缩引起的内力，甚至是悬挂管道承受的重力，都由连接件传至方形导轨，避免引起系统的变化，减少对于建筑结构的影响。

固定系统除了可以起到固定管道，转移管道受力的作用，还有助于增加屋面到水平管的间距，而不影响管道的水平受力。

总而言之，固定系统虽然是虹吸式雨水排放系统的辅助部分，却起到至关重要的保护的作用。

3．虹吸式屋面雨水排放系统的技术条件

3.1 水的持续流动性

在满足流速大于等于0.7m/s的条件下，保证水流方向的持续流动性是维持虹吸作用的关键。特别是在管道转弯角度相对较大，甚至呈90o的时候，很有可能因为管内流速的突然下降而引起虹吸作用被破坏。

因此，当水流有90o的方向改变时，此处弯头的连接方式，必须注意设计一个衔接管段，以保证流速不会突然大幅下降，而是维持上升的状态，从而整个虹吸式屋面雨水排放系统得以正常运行。

当系统中出现90oT型支管时，当横管内水流以较快的速度冲向管壁突然遇到阻碍，在极短的时间内速度降为零。一方面对于管壁形成极大的冲击，另一方面，水流撞击管壁后又以一个与初始方向相反的速度，迅速的在管内形成回流，这样，两股方向相反的水流在管内冲撞，很容易形成水塞，阻碍排水管排放，破坏虹吸作用。

因此，必须采用相对较大的管径，具体情况可根据管道的空间和环境情况来进行选择。水力情况最好的选择还是设计一个避免出现90o变化的衔接管段。

3.2 气水混合流的存在

当系统管道内形成虹吸作用时，由于可供使用的管道管径不一定恰好是计算所得的管径尺寸，因此管道内部会有很多溶解在水中的小气泡，并不是完全理想化的液体单相流。这些微小气泡在流动过程中会逐渐释放，然而这种气水混合流而非气水两相流的流态，仍可以被看作虹吸作用是允许存在的状态，并不影响虹吸作用的形成，也不影响系统的排水能力。 但是，溶解在水中的气泡并不意味着管道内的气团。如果排水管道内，中间部分是气团，沿壁部分是水流，这样就是传统重力雨水排放系统的管内流态。管道内气团的存在，严重影响虹吸作用时管内满流状态的形成，水流在管内的充满度相当低，大大减小了系统的排水能力。

3.3 系统的一体性和密封性

为保证虹吸排水的产生和持续作用，就要求从雨水斗到管道系统的整套排放系统必须是一体的，各部分紧密相连。

如果雨水斗有一个完全敞开的入口，空气就会在水流旋转作用的带动下，从入口出进入整个雨水排放系统，这样就根本无法形成满流的虹吸状态，整个系统也不再是高效的虹吸式排放系统了，实际上已经作为一个传统的重力式排水系统在工作了。

但是，重力式排放系统为了达到比较好的排放效果，在安装管道时要求悬吊管的最小坡度为2%。而虹吸式系统的悬吊管安装坡度为零，没有重力势能的作用，整个系统无法有效进行排水。

因此，只有当雨水口的入口处半敞开时，才能有效阻止空气随时进入系统，当斗前水深满足一定要求时，能够形成水封，完全隔断空气，迅速形成虹吸作用。

除了必须保证入口处有效阻止空气进入，还必须保证系统管道中没有空气进入。所以，另一个要求就是系统的完全密封性，要保证管道无渗漏。

为此，配件连接时不能采用橡胶密封圈，用承插的方式进行连接（见图9-1）。这样系统的气密性很难得到有效保证，容易导致管道渗漏。因为在虹吸作用时，管道内的管流是压力流的状态，一方面管壁承受压力，承插口处同样受压，容易发生渗漏；另一方面，一旦发生渗漏，则管内压力状态改变，影响正常的虹吸作用。

3.4 屋面水位

只有当屋面水位达到一定程度时（根据不同的雨水斗产品有不同的固定值），整个系统才真正作为一个虹吸式雨水排放系统工作。

在某个持续的降雨过程中，开始水位低于形成虹吸作用的高度，随着水位逐渐上升，达到这一特定值后，系统开始形成虹吸作用。水位一直持续，直到屋面的雨水量小于虹吸系统的排水能力为止。

但是，水位必须严格控制及限定在某一高度，否则屋面上累积的雨水会对屋面形成极大的未能预见的荷载，可能导致屋面结构的变形或者破坏，甚至出现渗漏。

根据欧洲标准，屋面雨水的水位高度必须限制在55毫米内。这个数字是长期实验和实际工程经验的结果。

可以将毫米水量换算至每平方米的雨水重量：

由此可知，屋面承受的荷载与毫米水深的关系。显而易见，当水位大于55毫米时，会对屋面结构产生相当大的重量负荷。当在屋面或天沟设计时，必须考虑到这方面的情况。

尤其对于天沟来说，水位绝对不可以超过55毫米，否则随着时间的推移，天沟将会慢慢变形。对于排水系统和整个建筑产生非常大的影响。

4．屋面排水技术的发展

4.1 重力流技术

目前国内绝大部分屋面仍采用重力流技术排水。其优点是设计施工方便，造价低。但随着建筑技术的不断发展，这种技术越来越难以满足对于复杂结构或大面积屋面对排水的要求。

在这种背景下，压力流技术应运而生。

4.2 压力流（虹吸）技术

4.2.1 重力－压力流

这种技术采用下沉式雨水斗，斗前水深较深；计算流态为一相流，不考虑渗气因素。悬吊管为水平安装，管道结点即合流交汇点进行压力平衡计算，但水头损失计算以沿程水头损失为主。由于雨水立管存在压力零点，这种立管上部也呈负压状态。管系中的实际流态属于重力－压力流。整个系统统只对雨水斗有较高要求。

由于计算不属于精确计算范畴，因此产生虹吸的效率较低，系统对屋面的负荷要求较大，工作稳定性较低，系统寿命难以保障。属于早期虹吸技术。

4.2.2 虹吸－压力流

这是目前国际上最先进的虹吸技术。

该技术采用强制虹吸式雨水斗，斗前水深较潜。计算流态为汽水混合流，考虑渗气因素，因此与实际情况极为接近。悬吊为水平安装，采用全系统压力平衡计算，一般为计算机软件计算。管材材质，粗糙度和管件的当量长度是计算重点所在。虹吸会在一定瞬间激发。该技术对系统的整体性及计算精度有很高的要求。而计算精度又与大量的实验及工程经验数据有直接关系。

该系统产生虹吸的效率很高，系统对屋面的负荷要求较小。系统工作稳定性高，系统寿命可以充分保障。属于成熟的虹吸技术。