排水系统水封的五个误区的介绍

新水封理论（详见《给水排水》2009年第三期“排水系统水封设计新概念”一文，以下简称“新概念”）适用于建筑排水系统水封的设计、保护，能够提高水封的安全度和排水立管的排水能力，并将改变我们对建筑排水立管内气压波动状况的认识。这个理论可以把我们从水封的认识误区中解脱出来。
2. 关于水封的认识误区
关于排水系统的水封，我们的传统认识中有五个误区。这些误区中，有的仅仅在特定的点上成立，有的则是逻辑上不相关。
2.1误区一 水封深度越小，水封排水能力越大，而水封阻止管内气体逸出的能力越低。反之亦然。
2.2误区二 排水立管排水时管内负压一定不能穿透水封，否则，水封必然会因管内负压的抽吸而丧失［1］。
2.3误区三 水封只有耐住了管内-40mmH2O的负压，才能耐住管内40mmH2O的正压［1］。
2.4误区四 负压抽吸、正压喷溅、自虹吸、惯性晃动、蒸发和毛细作用等6项因素会对水封产生不利的影响［2］。
2.5误区五 水封深度不得小于50mm［1］［2］［2］。
3. 讨论
新的水封理论（详见“新概念”文）可以有效的摆脱这5个误区对我们的束缚。
3.1对于误区一，实际上水封深度越小，水封排水能力越大，但水封的正压阻气性能不一定降低。
通过对水封的研究和试验测试，我们得到了下面表1和表2的数据［4］。
若设定水封深度为40mm，则有表-1如下：

若设定剩余水封耐管内正压40mmH2O，则有表-2如下：

注：损失高度-负压抽吸后的水封剩余深度与水封深度40mm的差；正压落差-水封剩余深度耐管内正压40mmH2O时水封内室水面的落差；正压增高-水封剩余深度耐管内正压40mmH2O时水封外室水面的上升高度；正压全高-水封耐最大管内正压时的水柱高度，为剩余深度与正压增高之和；水封深度-水封满水时的有效深度。
通过对水封的研究，我们发现，改变水封内、外室水面的比值（水封比）后，水封的性能会出现人们不曾关注过的变化。加大水封比后，所需的水封深度可以相应变小，水封排水能力会增大。水封比越大，所需的水封深度就越小，水封排水能力就越大。
尽管加大水封比后，水封的深度变小了，负压抽吸时水封会被穿透，但是水封的剩余深度恢复的正压阻气性能仍可以得到充分保证。例如：
水封比为5时，尽管水封深度仅为8mm，水封剩余深度仅为6.7mm，水封仍能耐住管内40mmH2O的正压。见表2。
然而，水封比过小，比如水封比为0.5时，尽管水封深度已达40mm，但经过管内-40mmH2O的负压抽吸后，水封剩余深度仅为13.3mm，水封剩余深度抗管内正压的能力也仅为20mmH2O。见表1。
如果我们要求水封剩余深度抗管内正压的能力为40mmH2O，当水封比为0.5，则水封深度必须达到53.4mm以上，经-40mmH2O的管内负压抽吸后，水封剩余深度为26.7mm，见表2。
3.2对于误区二，通常我们习惯以钟罩式地漏的水封为例来说明水封是不能负压穿透的，因为钟罩式地漏的水封一旦被负压穿透，水封水就会被抽吸殆尽，水封丧失。其实，钟罩式地漏的水封只是水封的一种。钟罩式地漏的水封之所以一旦被穿透就会被吸干，是因为它的的水封比过小造成的。改变它的的水封比，情况就会不一样了。
依据新的水封理论设计的水封（包括钟罩式地漏的水封），加大了水封比，水封就有了以下特性：
a.允许负压抽吸穿透向管内进气；
b.利用虹吸的抽吸作用增加水封排水量且允许虹吸穿透向管内进气；
c.系统压力消失后水封剩余深度仍能恢复抗管内正压所需的能力。
所以，测试新式水封排水系统的立管最大排水能力时可以不必关注负压时水封穿透与否，而是应该着重关注于系统压力消失后，水封剩余深度能否有抵抗管内正压的所需的能力。
换言之，传统理论测试排水立管最大流量时，是将管内压力波动控制在±40mmH2O以内。而测试新式水封排水系统的排水立管最大流量时不必再控制负压值，而是控制：a. 排水立管排水时管内正压力不能够突破40mmH2O（纯新式水封的排水系统此值可以再大些）；b. 系统压力消失后的水封剩余深度必须能够抵抗不小于40mmH2O的管内正压的能力（纯新式水封的排水系统此值也可以再大些）。此时立管流量即为新式水封排水系统排水立管的最大流量。
基本理念的不同导致了客观效果的不同。一个是水封不能负压穿透，一个是水封可以或需要或必须负压穿透向管内补气。其客观效果是排水立管最大排水能力势必会从传统的“管内负压不突破±40mmH2O”时的流量水平，提高到一个新的流量水平。
3.3对于误区三，当我们依据新的水封理论，对排水系统中所有的水封进行优化设计（加大水封比）后，水封能够耐住管内正压40mmH2O与水封是否能够耐住管内负压-40mmH2O之间就没有了必然的联系。也就是说水封能抗住管内40mmH2O的正压，并不需要水封一定要抗住管内-40mmH2O的负压。
比如，当水封比为5时，水封在管内-8mmH2O的负压时就开始穿透了。当水封比为8时，水封在管内负压仅为-5mmH2O时就开始穿透了。随着水封比的不同，水封开始穿透的管内负压值都会不同。他们都没有抗住管内-40mmH2O的负压，但都能抗住管内40mmH2O的正压。
所以说水封的抗管内正压40mmH2O与抗管内负压-40mmH2O二者不相关，没有逻辑关系。
按新的水封理论设计的水封，在负压抽吸穿透和虹吸穿透后，其剩余深度仍能恢复抗管内正压的能力，水封变成了具有类似吸气阀单向进气功能的“补气水封”。这个特性有助于平衡立管内的负压。
3.4对于误区四，在我们依据新的水封理论，对水封进行优化设计时，传统的6项破坏因素中的自虹吸和负压抽吸，已不再是力求避免的不利因素，而是有利因素，要充分的利用。这有助于提高水封的排水能力，同时，平衡管内负压，提高排水立管的排水能力。
关于惯性晃动、正压喷溅、蒸发和毛细作用，水封加大了水封比后，也有了水到渠成的、更好的保护。对于本人在研究中新发现的水封破坏6项因素之外的另一个水封破坏因素“负压喷溅”，也有了更好的利用和保护。
3.5对于误区五，在对水封进行深入研究后发现，“水封深度不得小于50mm”也是有待于商榷的。
我们知道，水封的真实意义（或功能）是当管内压力大于外界压力时，阻止管内的气体逸出，污染室内空气。所以我们最为关注的应该是管内正压时水封的表现。对于管内负压时水封的表现，我们则要求水封在管内负压作用后，不能丧失阻止管内气体逸出的功能。换句话说，不管管内压力如何变化，水封都必须能够阻止管内气体逸出。至于室内空气通过水封的负压穿透进入管内，我们完全没有必要去禁止。
我们期待水封的耐管内正压的能力是不小于40mmH2O。我们关心的是水封剩余深度耐管内正压时的表现，我们最终期待的是水封能防止管内浊气逸出污染室内空气。可是我们为什么不明说呢？为什么不直接关注水封剩余深度耐管内正压时的表现呢？
很多国家都规定建筑排水系统水封深度不得小于50mm。而水封深度50mm的真实含义，是在水封理论深度40mm的基础上增加了25%的为六项不利因素预留的安全裕量，既40mm+40mm*25%=50mm。现阶段为了叙述方便，我们暂时忽略预留量，暂时设定水封深度为40mm。
过去，我们没有水封比概念。我们把常见的管式存水弯水封（S弯，水封比等于1）这个特例的表现当成了定律。40mm理论水封深度的管式存水弯水封经过管内-40mmH2O的负压抽吸后，水封的剩余深度是20mm，仍然可以耐住管内40mmH2O的正压。在建立了水封比概念后，我们发现管式存水弯水封的这个现象仅仅在水封比等于1时成立，水封比大于1和小于1时都不成立。
比如，管式存水弯水封，水封比为1，水封深度40mm。在经过了管内-40mmH2O的负压抽吸后，水封剩余深度20mm，仍然能够耐住下一次的管内40mmH2O的正压。
但是，当水封比为5时，耐管内正压40mmH2O所需的水封深度仅需要8mm，而不需要40mm，经过管内-40mmH2O的负压抽吸后，水封剩余深度也不再是20mm，也仍然能够耐住下一次的管内耐管内40mmH2O的正压。如果我们一定要设40mm的水封深度，那么，水封的下部将有32mm的高度属于无用配置。
如果我们要求水封剩余深度抗管内正压的能力不小于40mmH2O，若水封比为0.5时，其水封深度则必须达到53.4mm以上，而不是40mm，经-40mmH2O的管内负压抽吸后，水封剩余深度为26.7mm，才能够耐住下一次的管内40mmH2O的正压。
依据新的水封理论，随着水封比的不同，所需的水封初始深度也不同。在同样抗住管内正压40mmH2O的前提下，水封比为1时，水封初始深度需要40mm，水封比为5时，水封初始深度为8mm，水封比为10时，水封初始深度4mm即可满足需要。当然，应用到水封设计时需要增加一个安全系数。
4. 水封比理论可以把我们从固有的认识误区中解脱出来
水封比理论让我们重新认识水封，全面了解水封的属性，从固有的认识误区中解脱出来。
4.1 对误区一的效果
依据水封比理论，加大水封的水封比后，水封所需的初始深度相应变小。在保证水封的耐管内正压力的能力的同时，也提高了水封自身的排水能力。
4.2 对误区二的效果：
既然新式水封要利用负压抽吸和自虹吸，系统内的压力消失后，其剩余深度必须能自动恢复抗管内正压的能力，那么，我们测试新式水封排水系统排水立管的排水能力时就不必再关注水封是否被负压穿透。
比如，系统内有传统水封，测试立管排水流量的边界条件为“管内正压不大于40mmH2O”和“水封剩余深度能抗管内正压力不小于40mmH2O”。若系统内没有传统水封，则这二个压力值可以制定的高一些。
我们可以假想一下，如果新式水封排水系统能满足“水封剩余深度耐住管内正压的能力不小于100mmH2O”和“管内正压不大于100mmH2O”这二个边界条件，那么这个单立管排水系统的排水能力势必会是一个令人惊讶的高度，甚至有可能不需要再考虑加设通气管系的问题。
4.3 对误区三的效果：
依据新的水封理论，在保证水封剩余深度能耐住的管内正压不小于40mmH2O的前提下，随着水封比的逐渐加大，与之对应的水封深度会越来越小。这就意味着水封在负压抽吸穿透时或自虹吸末期负压抽吸穿透时的负压值也越来越小。换言之，当管道内的负压值还很小，室内气体就开始穿透水封进入管内，平衡管内的负压了。水封虽然没有了耐住管内-40mmH2O的负压的能力，却有耐住管内正压不小于40mmH2O的能力。所以，“水封能耐住管内40mmH2O的正压，它就必须能耐住管内-40mmH2O的负压”的不妥的，水封的“耐管内正压”和“耐管内负压”之间是没有必然的逻辑关系的。
4.4 对误区四的效果：
对于水封的6项破坏因素，新水封理论不再是力求避免，而是立足于利用，无利用价值再预防和保护。
关于自虹吸 加大水封比后，水封可以借助虹吸的负压抽吸作用，来提高自身的排水能力，并允许自虹吸末期的负压抽吸穿透。
关于负压抽吸 加大水封比，水封所需的初始深度相应变小。水封会在很小的管内负压作用下被穿透并向管内输送大量的空气（类似吸气阀），及时平衡和缓解管内的负压。这个特性会为提高排水立管的最大排水能力提供上升空间。
关于惯性晃动 加大水封比后，水封因管内压力波动影响而产生的晃动，会因为水封内、外室水面大小的差异或不对称而受到极大的制约。
关于正压喷溅 加大水封比后，水封因管内正压力的骤然影响而可能产生的喷溅，会因为水封水容量（质量）的加大，降低其运动加速度而受到制约。
关于蒸发 加大水封比后，水封水的蒸发，会因为水封水容量的加大而相对减弱。虽然其绝对蒸发量没有变，但相对值却变小了，与其蒸发量相对应的水封深度损失也相对变小了，水封抗蒸发的能力也就相对提高了。
关于毛细作用 加大水封比后，水封水因毛细作用而损失的量，会因为水封水容量的加大，而相对变小了，水封抗毛细作用的能力相对提高了。如果适当加长水封出水堰口的长度，可以彻底消除毛细管现象。
关于负压喷溅 水封在负压抽吸穿透时和自虹吸末期抽吸穿透时，都有一个“负压喷溅”现象。水封深度越大、内室流道越狭窄，这个“负压喷溅”现象对水封所造成损失越大，要远远大于“正压喷溅”所造成的损失。因为被“负压喷溅”吹跑的水封水进入了管道而彻底的损失掉了。随着水封比的加大，所需的水封深度相应变小，水封内室的流道也会越来越宽，被“负压喷溅”吹跑的水封水会越来越少。当水封深度小到一定的程度，气体基本上是拂水面而过，水封水基本不损失。
4.5 对误区五的效果：
水封比理论改变了我们对水封的关注点。传统理论关注水封能否耐管内-40mmH2O的负压，并以此来证明水封能否耐住管内40mmH2O的正压。水封比理论直接关注水封能否耐管内正压40mmH2O，不关注水封能否耐得住管内-40mmH2O的负压。因为水封能否耐住管内40mmH2O的正压，与水封的水封比以及相对应的水封深度直接相关，与能否耐住管内-40mmH2O的负压不相关。水封比越大，相对应的水封深度会越小，与水封深度必须是40mm或50mm没有关系。
5. 水封比理论的工程意义
依据新的水封理论设计的水封，其具备的功能，可以完成《排水系统水封保护设计规程》CECS 172:2004中第4节“水封保护措施”中的全部问题。
“规程”第4节“水封保护措施”中说：
4.0.2为防止因负压抽吸而导致水封破坏，宜采取下列一项或多项措施：
1.设置完善的通气系统；
2.采用水封深度较高、存水量较多的存水弯；
3.加大排水立管和排水横管管径；
4.设置吸气阀；
5.采取特殊单立管排水系统；
6.采用双通道存水弯或防虹吸存水弯；
7.不在连接偏置管的水平管段中接入排水支管。
新的水封理论对这些“措施”均有全新的诠释。“规程”中的这些措施都是用来解决排水立管负压问题的，而新式水封对排水立管负压问题有很好的缓解作用。
水封虽小，意义重大。水封问世三百年，被关注了一百年，被误解了一百年。
水封，直接关系到人的居住环境和身体健康。它是建筑排水系统立管排水量的关键性控制因素，也是高层建筑排水系统整体性能提高的瓶颈。水封，扼住了高层建筑排水工程造价的咽喉。
6. 结论
6.1传统的水封理论将我们引入了误区，客观上直接影响了高层建筑排水系统整体性能的提高。新的水封理论为排水立管通水能力的提高提供了上升的空间。
6.2新的水封理论会对建立在传统水封理念基础之上的建筑排水理论、排水立管流量测试以及水封性能评估、检测产生积极影响。
6.3 新的水封理论会通过提高排水立管的通水能力，少用或不用通气管系，直接影响高层建筑排水系统的工程造价。