屋面雨水排水技术的认知与解决方法

　　 一、屋面雨水排水技术的特殊性
　　屋面雨水排水在建筑给水排水范畴是个较为特殊的技术问题，其特殊性表现在以下几个方面：
　　1.出过问题，而且出过大问题

　　1953年至1957年第一个五年计划期间兴建的大面积工业厂房，按重力流计算其屋面雨水排水系统，这些厂房在五十年代末、六十年代初相继出现车间内雨水检查井冒水，造成地面被淹，停工停产的严重事故。六十年代中期屋面雨水排水在采用压力流计算时，由于立管管径减小，出现瓶颈现象，而造成天沟雨水排水不畅，从天窗满溢进入车间的事故。重力流、压力流两个方面的案例，使1957年3月1日试行的《室内给水排水和热水供应设计规范》TJl5－74在第三章“排水”IV“雨水”的有关条文中违避了雨水计算的相关内容，造成设计人员无章可循的尴尬局面。
　　2.搞过长时间的试验
　　六十年代初，原建工部北京工业设计院、第一机械工业部第一设计院和清华大学等单位即开始进行为期三年的雨水试验。65型雨水斗的开发，压力流雨水计算方法的提出是这一阶段雨水试验的主要成果。七十年代由《室内给水排水和热水供应设计规范》国家标准管理组申报立项，由建设部全额拨款的新一轮的雨水试验项目正式启动。试验由清华大学、机械工业部第一设计院和第八设计院等单位参加。试验历时八年，取得大量数据，最后成果通过鉴定，并纳入《建筑给水排水设计规范》GBJ15－88.九十年代，中国工程建设标准化协会为大面积屋面雨水排水系统单独编制协会标准正式立项，主编单位在上海东风泵阀厂的协助下，对新颖雨水斗和雨水排水水力工况作了进一步验证。除此以外，不少生产企业和大专院校也做了不少雨水排水方式方面的试验工作。总之雨水试验时间跨度之长，投入人力和耗用财力之多，积累资料之多，与建筑给水排水其他试验项目相比，是既空前又绝后。
　　3.对屋面雨水排水技术认知的否定之否定
　　对屋面雨水排水技术的认知，决定了屋面雨水排水工程的设计方法。我国对屋面雨水排水技术的认知，经历了一个从重力流起步，转变为压力流，再进展为更为实质性的重力流，直至现阶段的压力流。这是一个完全符合否定之否定规律的一个循回，这一循回经历了半个世纪的时间，与建筑给水排水范畴别的技术问题相比，这也是少有的。对屋面雨水排水技术的认知四阶段，我们在第二部分再作表述。
　　4.“永远”的热点问题
　　六十年代初雨水成为热点问题，当时是探究雨水检查井冒水的原因。1962年至1964年《室内给水排水和热水供应设计规范》首次编制时，争论最为激烈的技术问题则是雨水排水计算公式按重力流计算，还是按压力流计算，最后以重力流计算公式列入规范条文而告终。
　　六十年代中后期65型雨水斗的研制开发，重新挑起压力流和重力流之争，但由于当年的压力流计算笼统、简单、粗糙，未注意不同位置雨水斗的不同水力条件，同时片面追求节省管材和忽略了溢流口的设置，导致了个别工程的失误，使刚刚掘起的压力流倾向随即堰旗息鼓。
　　八十年代清华雨水试验成果鉴定，使雨水排水技术再次成为热点，但鉴定出现反复，公式受到质疑，可以认为最终在《建筑给水排水设计规范》GBJ15－88上反映的并不是试验的最佳成果，而是最稳妥的、最留有余地的、也是在现阶段急需调整的内容。
　　九十年代新颖压力流系统的引进，压力流计算又再次提上议事日程。大面积会展中心、候机楼、科技馆、大剧院和汽车城等民用和工业建筑的兴建使压力流有了用武之地。但分歧依然存在，这个分歧既有压力流和重力流适用范围之争，也有不同类型的压力流之争，也有什么是典型的压力流系统之争。
　　当然“永远”不会永远，随着技术的发展，最终会在新的认知高度上达成新的共识。
　　 二、对屋面雨水排水技术认知的四个阶段
　　1.认知的第一阶段
　　当时采用苏联规范的重力流理论，来设计我国屋面雨水排水工程，典型的例子是计算方法采用438公式，小檐降雨量采用苏联规范的50、60和75mm三项参数。造成的后果是大面积工业厂房相继出现车间内检查井冒水现象，冒水的检查井井盖即使用铸铁锭压住也旋即被掀翻冲动，洛阳拖拉机厂、洛阳轴承厂等工厂当年一逢大雨就频频告急，专业人士有鉴于此，确定：
　　1）应按我国的降雨量计算雨水量。
　　2）着手进行雨水试验，探索屋面雨水排水的正确方法。
　　2.认知的第二阶段
　　当年有关单位有关人员在雨水试验的基础上提出屋面雨水排水系统压力流计算公式。公式以斗前水面标高和雨水管系出口端标高差的位能为动力，按孔口出流公式为基础演绎出压力流计算公式。当时的压力流系统雨水斗采用以少掺气或不掺气为指导思想而设计的65型雨水斗；强调提高雨水斗前水深，以减少掺气量；有意识缩小雨水立管管径，以平衡立管和埋地排出管的通水能力；按密闭系统布置管道；强调单斗系统。压力流计算方法符合雨水排水水力工况，但由于当年未重视事故溢流口的设置，也由于立管管径缩小后导致瓶颈现象，造成天沟雨水排水受阻，从天窗满溢进入车间的事故。
　　3.认知的第三阶段
　　通过清华大学等历时八年的雨水试验，得出雨水流态为重力－压力流的结论，即小流量时为重力流，大流量时为压力流；雨水立管的下部为正压区，上部为负压区：压力零点随流量的变化而变动，流量增大时压力零点向上移动；悬吊管的末端近立管处为负压，始端为正压；负压造成抽吸和进气，因此立管顶端不设置雨水斗，但其它部位采用不同型式的雨水斗时，掺气现象仍难以避免：管系内水流为气水双相流或称掺气流，而其中的气系处于压缩状态；由于雨水斗在悬吊管位置的不同，近立管的雨水斗泄流量大，远立管的雨水斗泄流量小，因此不提倡不对称布置的多斗系统。
　　雨水试验组根据重现率很高的大量数据，推导出多元因子的雨水排水计算公式。由于公式计算繁复，需要试算，在当时的计算工具条件下，未被采用。在该试验基础上而制订的规范条文采用以下技术措施：
　　1）对管系留有足够余地，以防检查井冒水和天窗溢水事故重现。
　　2）对于超重现期的雨量采用事故溢流口来解决。
　　3）强调外排水系统，强调密闭系统，强调单斗系统或对称布置的双斗系统，以尽可能地发挥系统的优势。
　　4）禁止立管顶端设雨水斗，限制多斗系统，禁用高低跨雨水系统……，以尽可能地消除隐患。
　　这些技术措施一直延续至2003年的9月1日《建筑给水排水设计规范》GB50015－2003施行为止。这个认知阶段就其实质是重力流，但不同于第一阶段的重力流，属于有足够安全度、不致出现事故的重力流。
　　4.认知的第四阶段
　　压力流再次占据主导地位，与认知的第二阶段的压力流一个主要不同点在于不把负压抽吸看成负面因素，而是将它作为积极因素予以充分利用，与认知第二阶段的压力流的区别还在于：
　　①可用于多斗系统。
　　②系统计算不单纯计算总水头和总水头损失的平衡，而需分段计算流量和压力的平衡，这就是所谓的精确计算。
　　③配置相应的雨水斗。
　　④重视溢流口的设置。
　　这个阶段的压力流，由于工作重点的不同、工作基础的不同等原因，又可分成多种模式，其中最具有代表性的有两种模式，在未经充分酝酿讨论前，我们暂且命名为虹吸压力流和压力虹吸流。
　　两种模式的其他方面都是相同的，如悬吊管不设坡度、可适用于多斗系统、以溢流口作为超重现期雨量的应急技术措施、由于负压抽吸和被压缩的空气泡体积和压力变化，水流动时管道有振动，对管材承压要求高……等。
　　 三、系统分类
　　其中檐沟外排水长期以来在设计院是属于建筑专业范畴的，檐沟上沿本身可以作为溢流堰来对待，也不存在超重现期超量排水隐患。只有天沟外排水，重力流内排水和压力流内排水属于给水排水专业分内之事。
　　屋面雨水排水系统的分类有以下几种：
　　a.按设计流态分：重力流、压力流
　　b.按排水方式分：外排水、内排水
　　c.按系统组成分：密闭系统、敞开系统
　　d.按雨水斗数量分：单斗系统、双斗系统、多斗系统
　　 四、虹吸压力流雨水排水系统技术要点
　　1.合理布置、精确计算
　　将系统看成一个整体，以高差即位能作为动力是压力流计算区别于重力流计算的主要不同点。而合理布置、精确计算则是虹吸压力流区别于其他压力流的主要不同点。合理布置、精确计算包括以下内容：
　　1）在屋面的每一个最低点至少设置一个雨水斗。
　　2）将雨水斗的排水用悬吊管接至雨水立管，并以密闭系统方式排至室外。
　　3）合理布置雨水立管，有条件时尽量将雨水立管设于悬吊管中间部位。当必须设于尽端时，靠近雨水立管的雨水斗连接管管道长度宜适当引长，以平衡阻力。
　　4）大面积屋面（指5000㎡以上）至少设两套独立的虹吸式雨水排水系统。
　　5）控制悬吊管长度为落差的10倍至20倍。
　　6）将管道（包括悬吊管和雨水立管）分若干计算单元段。雨水斗所在位置、水
　　流汇合点（三通位置）、水流改向处（弯头位置）和管道变径、变速处（异径管位置）均作为计算单元段的起止点（计算节点）。在计算单元段内水流的流量和流速值不变。
　　7）按所选用的管材和所确定的管件，精确计算管道沿程水头损失和管件的当量长度值，重点应放在管件的局部水头损失值上。以悬吊管转向雨水立管的弯头为例，不同曲率半径、不同节段组成的弯头在相同公称直径条件下，其形成虹吸压力流的最小流量值有很大差异。
　　8）确定管径，平衡每个节点的压力和流量值，并使误差在允许公差以内。这个阶段有反复试算的过程，应采用软件程序计算。
　　2.设置溢流口
　　设计重现期是根据建筑物的重要性，汇水地区性质、地形特点、气象特点和因积水而造成后果的严重性而确定的一项重要设计参数，它的确定也决定于国家的整体经济水平。
　　由于雨水的不可控制性，超重现期的雨水客观存在，因此内排水系统必须设置应急超量排水口，即溢流口。
　　溢流口设置具体要求对于虹吸式雨水排水系统为：
　　1）按百年一遇降雨量，保证5min超量排水。
　　2）雨水斗前和天沟内雨水超量时能顺利通过溢流口排出。
　　3）溢流口排水不致造成危害。
　　4）溢流口下缘高出雨水斗上缘不小于50mm.
　　5）无法设置外露的溢流口时，应另设置超重现期雨水量的排水系统。
　　6）按水深计算溢流排水时的屋顶承载能力。
　　3.配置相应的雨水斗
　　不同系统应配置不同型式的雨水斗，虹吸压力流雨水排水系统应配置虹吸式雨水斗，如经过测试符合D1N19559标准的雨水斗。雨水斗应有最大流量值，还应有阻力系数值等主要设计参数。
　　4.主要控制数据
　　除了前面涉及的控制数据外，虹吸压力流雨水排水系统还有下列数据有待控制：
　　1）雨水斗的连接部位，管道与管件的连接部位必须严密，有良好的密封性，
　　包括气密性和水密性。
　　2）雨水斗间距不得大于20m.
　　3）悬吊管长度大于10m时，应增设计算单元段。
　　4）雨水斗排水量不得大于该雨水斗经实测后确定的额定排水量。
　　5.存在问题：屋面雨水排水系统目前存在主要问题是：
　　1）城市暴雨强度公式编制方法不一，有用数理统计法的、有用解折法的、还有湿度饱和差法、图解法和CRA法等，有的方法并不完全符合设计规范要求，有待统一。
　　2）资料年代久远和资料年数过短。大部份暴雨强度公式是根据1983年前实测
　　资料推导而得出的，还有不少沿用1973年版《给水排水设计手册》公式，乃至1964版《给水排水设计手册》，那就更为滞后、更为陈旧了。有的公式资料年代
　　过短，只依据8年、6年乃至5年的资料统计而成，缺乏1975年暴雨和近年来的厄尔尼诺现象的反常雨量资料。公式严重滞后的现象有待有关方面重视，这种情况急待改变。在工程设计有条件时应收集当地降雨量资料重订公式，使雨水排水工程有一个坚实的基础和前提。